所有真核细胞都具有相同的基本结构，包括位于细胞外围的细胞膜、位于内部的细胞质以及悬浮于细胞质中的多种细胞器。细胞器由生物膜包被，各自行使着独特的功能，其中含有DNA的细胞核是细胞器的一个主要成员。与真核细胞相比，细菌等原核生物具有与之相类似的结构体系，但原核生物的组成结构相对简单，体积也仅为真核细胞的千分之一左右。细菌的细胞膜与真核细胞的相同，均由脂质双分子层构成（这一点将在下面的内容中进行讨论）。细菌的分子装置，如用于蛋白质组装的核糖体，其功能也与真核生物的大致相同。此外，细菌有着鞭毛等一类特化的细胞结构，用于维持自身的运动特性，并可能具有内膜结构，如参与助浮作用的气泡等。然而，细菌细胞中的DNA仅以单条环状分子的形态悬浮于细胞质中，而无相对独立的细胞核区域，这一点与真核细胞有所不同。
细胞膜
所有细胞都由细胞质膜所包被。细胞质膜作为屏障，可将细胞与周围其他细胞及外界环境隔开。虽然细胞膜通常是细胞边界的标志，但单细胞生物（包括细菌）的细胞膜外常常还存在一些附加结构。此外，植物细胞的最外围结构也并非细胞膜，而是由纤维素所构成的刚性细胞壁（图4）。经过一个多世纪的研究，人们已经了解到细胞膜由脂质分子和蛋白质构成，其成分十分复杂，且具有动态变化的特征。细胞质膜的基本结构为脂质双分子层，虽然其厚度极薄，却极坚韧而富有弹性，同时具有一定的通透性，允许细胞与周围环境实现持续的分子交换。细胞的物质交换依赖于水分子在多因素调控下的持续性进出。在这一过程中，可溶性分子如氧气被带入细胞，而代谢产物如二氧化碳则被排出至细胞外。一些分子较大的外界物质可以通过细胞膜的内吞作用进入细胞，这一过程被称为胞吞（phagocytosis），其相反的过程则被称为胞吐（exocytosis）。在胞吐过程中，即将被排出细胞外的物质可被包膜的小泡所包裹。当小泡到达细胞内表面时，小泡膜与细胞质膜相融合，细胞便可在不破坏细胞质膜完整性的前提下将内容物释放至胞外。细胞质膜每小时均会“翻转”（替换）一次，细胞膜的动态变化特性正体现于此。
图4 植物细胞切片
图中显示了植物细胞与动物细胞的主要区别：植物细胞具有细胞壁、含有淀粉颗粒（starch grain， SG）的叶绿体，以及位于细胞中心区域的大液泡
最早关于细胞膜特性的探究可以追溯到19世纪末，彼时阿格尼斯·波克尔斯（Agnes Pockels）在德国的一张餐桌上进行了一系列脂质与水相互作用的实验。阿格尼斯将油倒入盛有水的平皿中，通过研究油的变化特点发现了杂质对**表面张力的影响。随后，阿格尼斯将她的研究结果寄给了雷利勋爵（Lord Rayleigh），并给其留下了非常深刻的印象。1891年，在雷利勋爵的帮助下，这一结果成功发表在科学期刊《自然》上。1932年，在纽约工作的欧文·朗缪尔（Irving Langmuir）因发现了脂质在水中扩散后可形成单一朝向的单分子层，而获得了当年的诺贝尔化学奖。该现象的原因在于脂质分子的一端与水亲和（亲水性），而另一端则与水相斥（疏水性）。脂质分子的结构类似于老式的木制晾衣夹子，其头部对应了亲水端，两条腿则代表着疏水端。当所有“夹子”漂浮于水面上时，其头部全部朝下与水相亲和，腿部则全部朝上，最终形成单层的分子结构。1925年，埃弗特·戈特（Evert Gorter）与詹姆斯·格伦德尔（James Grendel）从红细胞中成功分离出细胞膜，并通过实验发现细胞膜由两层脂质分子（双分子层）构成。该结构类似于“三明治”，其中脂质分子的亲水端位于“三明治”的外侧，疏水端则位于内侧。由于细胞内外均含有水分，这种结构会十分稳定，并可将两层脂质分子的疏水面牢牢固定于“三明治”的内部。几十年后，随着电子显微镜技术的出现，脂质双分子层结构终于被直观地观察到：对切片进行高倍显微放大后，可见细胞膜显示为两条暗线夹着一条光亮区域的结构（如图4与图14c所示），这便是细胞膜的脂质双分子层结构。1935年，詹姆斯·丹尼尔利（James Danielli）与休·达夫森（Hugh Davson）提出，脂质双分子层的两侧均覆盖着一层蛋白结构。直到1972年，这一模型才被西摩·辛格（Seymour Singer）与加思·尼科尔森（Garth Nicholson）所完善。他们进一步提出蛋白质可以穿插在脂质双分子层中，并从膜的任意一侧穿出，且单个蛋白可能多次穿过脂质双分子层。具有这一结构的蛋白质被称为跨膜蛋白。细胞膜中的脂质分子可以进行高速移动，它们不断地在彼此间和膜蛋白间移动，故而被称为“流动镶嵌”的细胞膜。这一理论在1970年被迈克尔·伊迪丁（Michael Edidin）通过实验完美地证明了。迈克尔培养了两种不同类型的细胞，并将其细胞膜上的脂质分子分别用绿色和红色的荧光标记物进行标记。当两种细胞混合在一起培养时，视野内出现了红色区域与绿色区域相互拼接的画面。随后，迈克尔在细胞培养物中加入病毒，使不同细胞的细胞膜相互融合。在一小时内，所有红色与绿色的斑块均变为整片的橙色标记，这说明融合后的细胞膜中单独标记的脂质分子实现了充分的混合。
在细胞膜上脂质分子的恒定运动过程中，成组的膜蛋白就如同极地海洋中的浮冰一般在脂质双分子层中自由地漂流。某些时候，一些脂质分子可在几秒钟内组成脂质簇，这一特化区域被称为膜筏（membrane rafts）。作为新近发现的结构，膜筏的功能尚未得到完全解释，目前认为其可能参与了细胞间的信号传递过程。细胞膜上存在有500多种不同的脂质，这些脂质分子包围着不同的蛋白并将其锚定在膜上，形成贯通细胞膜的通道，并控制着特定分子的持续性跨膜转运过程。在这些蛋白的作用下，动物细胞内钠离子浓度处于较低的水平，约为细胞外浓度的二十分之一；与此同时，细胞内钾离子浓度则维持在一个远高于细胞外的水平。细胞膜上特定的离子泵在将钾离子泵入胞内的同时将钠离子泵出细胞，否则钠离子的积累将导致细胞内渗透压的升高，进而过度吸收水分，这可能导致细胞破裂。在保钾排钠的过程中，细胞将消耗大约三分之一的总能量。
除介导离子转运外，位于细胞膜表面的蛋白分子还可以作为细胞外信号分子的受体。当受体被信号分子激活后，这些胞外信号可通过一系列蛋白的作用传递至细胞核中，进而启动相关基因的表达，以便在必要时根据环境变化做出响应。例如，胰岛素等激素可通过直接与细胞膜相互作用，介导糖类的转运入胞。总之，几乎所有的细胞内活动受到细胞膜上近500种脂质分子及多达10 000种膜蛋白的影响，又或者主动参与了对这些分子活性的调控过程。此外，细胞可通过微绒毛“感应”周围环境的变化（如图3a～c所示）。对于一些上皮细胞，尤其是负责从肠道中获取营养的上皮细胞，其细胞膜形成了类似于刷状缘的结构，其中大量紧密排列的微绒毛可以使细胞表面积增加30倍（参见第5章图14）。虽然细胞的不同组分间相互依存，难以区分孰优孰劣，但不可否认的是，如果没有细胞膜，独立的生命体将不复存在。
细胞内膜
细胞内的膜结构同样发挥着重要的作用，原因有二：第一，可为化学反应的进行提供附着表面；第二，可在细胞内创造出独立的区域供化学反应进行，从而避免各反应间相互干扰。在细菌中，细胞质膜的内表面决定了细胞内各种物质的位置，并为特定物质提供附着点。如果将细胞比喻成一座工厂，那么细胞内膜则为细胞生产的各个环节提供工作台、地板、天花板以及墙壁，而细胞核则作为中心区的办公室，存储着各种信息。细菌等小型细胞通常呈杆状，其质膜内侧可在细胞内部提供较大的表面区域，因此，任何需要固定的物质均可“挂”在质膜内侧上。也正因如此，细菌及其他原核生物通常只含有数量极少的细胞内膜，甚至存在内膜缺失。如前所述，真核细胞的内部体积可达到细菌的1000倍，因此需要一个更为庞大的内膜系统，其总面积约为细胞质膜的100倍。细胞内生物化学活动的间隔分离十分必要，否则正在进行的数百种化学反应会发生严重的相互干扰。原核生物没有内膜，它通过将特定的酶聚合成多蛋白复合体来解决这个问题。多蛋白复合物可以在细胞内作为游离物质发挥作用。对于真核生物而言，它们将不同的代谢过程限制于不同的被膜区域内。真核细胞的主要内膜系统是内质网，它在细胞内构建了一个庞大的网络。在细胞膜内，除细胞核之外的所有物质统称为细胞质（如图5a、5b所示）。细胞质基质是溶解于水中的复杂混合物，如同一碗非常拥挤的“分子汤羹”，细胞内所有物质均被细胞质基质所包围。
图5 细胞内膜及其结构
a.核被膜将细胞核与细胞质间隔开，细胞质中含有包括线粒体与内质网在内的其他细胞器；b.一个被附着在内质网表面的螺旋状多聚核糖体包围的线粒体；c.核孔复合体（箭头所指位置）；d.高尔基体，由大量的膜堆叠而成
细胞器
线粒体与植物的叶绿体这两种细胞器具有双层而非单层的膜结构。这很可能是某种生物残留的结果，即在细胞进化的早期，这两种细胞器曾是自由活动的生命体，当它们被整合进一个更大的细胞时，其细胞膜被宿主细胞完全包裹。线粒体与叶绿体均含有DNA，这进一步证明了它们曾是独立的生命体。关于叶绿体与线粒体是如何成为真核细胞的一部分的，目前共有两种理论：其一，它们可能“入侵”了真核细胞；其二，它们被一个更大的细胞所吞噬，进而形成一种双方受益的关系。真核细胞提供了一个“安全”的环境，而线粒体产生的能量则被宿主细胞所获取。在植物细胞中，叶绿体还可通过光合作用产生葡萄糖。在线粒体中，能量是由葡萄糖通过氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）过程产生的，氧化磷酸化过程发生在线粒体内膜表面（又称为嵴，如图5b所示）。在叶绿体中，葡萄糖是由光合作用酶催化产生的，这些酶位于被称为类囊体的堆叠膜结构中（如图4所示）。
其他所有含膜细胞器统称为液泡或囊泡，它们只含有单层的双分子膜结构。一个典型的细胞内约含有1000个这样的液泡与数量相似的线粒体。分泌型囊泡含有激素等化学信使，可从细胞中释放。如图2所示，核内体、溶酶体与过氧化物酶体均含有多种酶的混合物。酶是一种蛋白质[1]，可催化化学反应。溶酶体就像细胞的胃，其中含有水解酶，可以将生物物质分解成小分子物质，使其可为细胞所利用。在吞噬细胞中，溶酶体还可与吞噬泡（含有细菌等被吞噬物质）相融合，进而杀死并消化这些入侵细胞的生命体。比利时科学家克里斯蒂安·德杜夫（Christian de Duve）发现了溶酶体，并因此获得了1974年的诺贝尔奖。此外，他还发现了过氧化物酶体，它们可以像线粒体与叶绿体一样通过分裂的方式进行增殖，但缺乏自己的DNA。过氧化物酶体参与了细胞内多条生化反应通路，并至少含有50种不同的酶。它们在脂肪等物质的分解（氧化）过程中发挥了重要的作用，为动物、酵母和植物细胞提供了大量的代谢能量。由于氧化过程的产物之一——过氧化氢具有细胞毒害作用，因此过氧化物酶体中还含有一种叫作过氧化氢酶的蛋白，它能将过氧化氢分解成水。此外，过氧化物酶体也是几种酶的合成位点。在肝细胞中，这些酶参与了胆汁的生成。与大多数细胞器一样，过氧化物酶体的突变会产生严重的后果，任何严重的缺陷均可导致受精卵在经过几次分裂后无法进一步发育。
作为各种胞内小泡（如溶酶体与过氧化物酶体）的内容物，蛋白质产生于内质网膜上。20世纪50年代初，三位电子显微镜开拓者——来自纽约的基思·波特（Keith Porter）、乔治·帕拉德（George Palade），以及来自瑞典的弗里蒂弗·斯约斯特兰德（Fritiof Sjostrand）成功发现了内质网。与传统的光学显微镜相比，电子显微镜可以将细节放大1000倍。然而，由于电子束只能穿过极薄的物体，因此在样品制备时存在一定的困难。在克服了电子显微镜标本制备的困难后，波特与他的同事打开了解析细胞结构的新大门。曾经在光学显微镜下呈现出模糊且不规则形态的阴影团块，转瞬成为线粒体等清晰分明的细胞器结构（如图5b所示）。用波特及帕拉德的同事唐·福塞特（Don Fawcett）的话来说：“对细胞形态学的研究工作者而言，1950年到1960年的十年间，人们始终怀着期待与兴奋，迎接探索新大陆之旅的到来。”即便在今天，记载了人体组织生物超微结构的福塞特图谱（Fawcett atlases）仍被奉为经典。
细胞的能量来源
1949年，阿尔弗雷德·莱宁格（Alfred Lehninger）首次对线粒体进行了生化分离与分析，证实了参与氧化磷酸化能量生成的酶的存在。通过高效的氧化磷酸化过程，营养物质可生成三磷酸腺苷（ATP）。在细胞内，进行各项工作、合成蛋白质以及完成物质转移等过程所需要的能量均储存于ATP分子中。ATP中的能量被储存在“高能”磷酸键中。为了缩短相关生化反应过程，高能磷酸键的能量产生过程发生于线粒体膜空间内，在经历了柠檬酸循环中电子的释放与ATP合酶的形成后，ATP得以生成。当磷酸键发生水解反应（在水解过程中，该分子得到一个水分子后可分解成两部分）时，能量将从ATP中释放出来。随着能量的释放，ATP将转化为二磷酸腺苷（ADP），并可通过能量储存重新转化为ATP，为下一次的能量释放做好准备。
仅在莱宁格完成线粒体生化鉴定的三年后，帕拉德的电子显微照片便向世人展示了线粒体令人惊奇的膜结构（图5b）。这一系列重大发现的顺序恰好反映出了这样一个趋势：在许多细胞内组分被电子显微镜拍摄出影像之前，生物化学研究者通常已通过“埋头苦干”获取了大量的开创性信息。当然，对于使用显微镜的研究者而言，亲自观察到细胞各组分结构才是至关重要的事情。此外，生物化学与生物学的不同还可以通过下面这个例子说明：假设手表是一个未知的物体，被分别交给生物化学家与生物学家进行研究。几天后，来自生物化学家的报告显示，他们将手表分解（磨碎）成了不同的组分并进行分析，结果表明，手表是由不同比例的铜、黄铜、钢以及青铜制成的（可能还有几颗钻石）。而与之不同的是，生物学家在完成了手表研究后，能将其恢复原状。他们在研究过程中或许只是把手表的背盖取下来，并报告说，手表里好像装了一个弹簧，这个弹簧可为一系列相互锁紧的齿轮提供动力，进而驱动着手表面盘中的两根指针以恒定的速度旋转。虽然这种比喻过于简单化，但它多少体现了生物化学家的分析法与生物学家的观察法之间的差异。幸运的是，正是分析法与观察法两者的结合，为细胞生物学领域带来了丰硕的成果。
蛋白质的生产过程
大多数内质网膜被核糖体覆盖（如图5a所示），因此被称为粗面内质网，而其余的内质网膜上缺乏核糖体，因此被称为光面内质网。核糖体的作用是利用氨基酸制造蛋白质，即将氨基酸结合在一起，形成肽、多肽以及完整的蛋白质。一系列RNA分子参与了蛋白质的合成过程。首先，组成特定蛋白质代码的核苷酸碱基序列从模板DNA中被成功复制下来，这一过程被称为转录（transcription），发生在细胞核内。转录会促使一种新的分子——信使RNA（messenger RNA， mRNA）产生。随后，mRNA从细胞核被运输至细胞质中，并在此过程中完成修饰（称为剪接）。在细胞质中，mRNA与核糖体结合，此时氨基酸将被一种名为转运RNA的小RNA带至核糖体中，以mRNA为模板，将氨基酸连成蛋白质，这一过程被称为翻译。在内质网上合成的蛋白质将进入内质网膜间隙（内腔）中（如图5b所示）进行折叠，形成最终的构型，随之被传递至高尔基体等其他部位（如图5d所示）。高尔基体是由扁平的膜泡堆叠而成的膜结构，在其中新合成的蛋白质被装入囊泡中并运输至细胞的不同部位，在这一过程中可能会进行糖基化修饰。新合成的蛋白质会经过严格的质量控制，如被发现任何缺陷，这些蛋白质将被泛素分子标记，以便迅速降解。蛋白质的错误折叠会引发非常严重的后果，将导致例如囊性纤维化与糖尿病等疾病的发生。随着年龄的增长，蛋白质的质量控制机制可能会出现效率降低的情况，这将导致阿尔茨海默病和其他与年龄相关的神经退行性疾病的发生。
新的蛋白质被合成与折叠后需要到达细胞内的最终目的地，与其他数十亿个蛋白质分子一起不断经历合成与降解过程。一些蛋白质可能需要穿过一到两层生物膜屏障才能到达它们发挥功能的部位。1971年，纽约洛克菲勒研究所的根特·布洛贝尔（Günter Blobel）与大卫·萨巴蒂尼（David Sabatini）提出了一个“信号假说”，即蛋白质被分配了一个“行李标签”或“邮政编码”，以确保它们最终能到达正确的目的地。标记的形式为短序列氨基酸，被称为拓扑学信号，它们可以附着在受体蛋白上，从而帮助蛋白通过生物膜屏障到达正确的目的地。1999年，布洛贝尔因此项研究获得了诺贝尔奖。这项工作解释了几种疾病背后的分子机制，如囊性纤维化与原发性高草酸尿症（一种导致早期肾结石的疾病）。这两种疾病的分子机制均涉及相关蛋白未能到达其正确的位置。之后，布洛贝尔捐出了100万美元的奖金，将其用于故乡的战后重建工作。
脂质的生产过程
除了参与蛋白质合成，多功能细胞器内质网还能作为细胞内的钙库接收并传递信号，同时负责脂质的合成。在细胞内，脂肪以微小的单液滴形式生成于内质网表面，这一过程称为脂肪生成（lipogenesis）。虽然我们所熟悉的脂肪，如牛排边缘及我们腰身周围的脂肪，看起来似乎是均匀的固体肿块，但事实上它们均以被膜脂肪滴的形式储存于脂肪细胞中（如图3d所示）。如果持续地摄入营养，脂肪细胞中便会有越来越多的脂滴积累。这些脂滴与邻近的脂滴相融合，变得越来越大并占据了细胞的绝大部分体积，最终使得细胞达到其“正常”体积的100倍以上。因此，肥胖是脂肪细胞内脂滴持续积聚所引起的能量平衡紊乱的结果。在这一点上，我们可能会懊恼内质网如此优秀的脂质合成效率。除了储存脂肪，光面内质网中还存在一些特殊的酶类以分解脂肪，这一过程被称为细胞内脂质水解或脂解。因此，影响体重的一个主要因素便是内质网中脂质合成与分解之间的平衡。众所周知，超重将对健康产生重大影响。但令人遗憾的是，细胞水平的脂肪代谢所受到的关注却相对较少，脂滴也仅仅被认为是简单的脂肪储存库。新近研究表明，脂滴其实是一种特殊的细胞器而非“脂肪块”。所有的真核细胞都具有合成脂质的能力，而这些脂质还可以进一步形成天然油脂产物，如来自植物细胞的菜籽油、橄榄油，以及来自动物细胞的乳脂、羊毛脂与猪油。脂质分子在内质网表面聚集，随后形成了单个液滴（由一层脂质单层膜包裹着），并保持在富含脂质合成酶的区域处。线粒体与脂质合成密切相关，可为脂质合成提供能量。事实上，负责脂质合成的线粒体由一组膜蛋白连接至内质网表面。随着越来越多的脂质积聚，单个脂滴通过膜融合与相邻脂滴相融，进而形成更大的脂滴（如图3d所示）。与此过程相反的是，在脂肪分解过程中，大的脂滴被分解成小的脂滴，来自光面内质网的酶可对脂质分子进行分解，从而缩减了脂滴的大小。
脂质沉积也可能发生在血管内壁的细胞，特别是那些构成主动脉壁的细胞中。脂质在这些细胞中的积累将导致脂肪斑块的形成，进而诱导动脉粥样硬化的发生。动脉粥样硬化使得血液流动受限，从而导致心脏病与中风的发生。而在其他部位，血流中断也会导致肾衰竭或组织坏死等情况发生。除动脉粥样硬化外，脂质的过度堆积也是Ⅱ型糖尿病与脂肪肝发生的主要原因之一。过量饮酒会改变肝脏分解与储存脂肪的方式，进而导致肝硬化等严重症状的发生。但幸运的是，在这种情况下，脂滴仍可在细胞内进行分解，因此，减少饮酒即可缓解症状。通过以上的负面案例，我们不禁提出这样一个问题：如果失去了脂肪细胞，我们是否可以过得更好？值得注意的是，脂肪是生物体与进化压力相对抗的产物。通过储存能量，脂肪可以帮助我们在食物短缺时得以存活，同时也帮助多种哺乳动物通过冬眠度过严冬。
棕色脂肪细胞
除上文所介绍的脂肪细胞外，我们体内还存在另一种脂肪细胞——棕色脂肪细胞。在棕色脂肪细胞中，脂肪可被分解并产生热量，这一过程被称为产热。对人类而言，婴儿体内含有的棕色脂肪细胞数量最多，通常位于肩部区域。目前科学家认为，大多数人体内的棕色脂肪会在发育成熟后自行消失。但在大鼠与小鼠等小型哺乳动物体内，由于表面积与体积的比值较大，导致其热量损失较大，因此在其整个生命过程中均会保留有棕色脂肪细胞。当过量喂食小鼠与大鼠时，它们可以将过多摄入的食物转化为热量。尽管冬眠的动物积累了大量的白色脂肪以在保证其在停止进食数月的情况下仍得以生存，但这些动物的棕色脂肪细胞只有在其苏醒时才会被激活，以用于升高体温。多年前，正电子发射断层扫描技术成为了一种标准化医学成像技术。运用这一技术对一些患者（他们因穿着单薄所以感觉寒冷）进行检查后发现，他们的肩膀与背部出现了神秘的高代谢活性的斑块区域，且这些斑块区域在患者转移至温暖环境时便自行消失了。这些区域便是棕色脂肪沉积的部位，会因寒冷刺激而被激活。事实上，成年人确实可能保留有棕色脂肪，且部分人群会保留更多的棕色脂肪。有些人胡吃海喝却不会过多地增加体重，一个可能的原因便是他们拥有较多的棕色脂肪。理论上，如果能够将白色脂肪细胞转化为棕色脂肪细胞，那么人们便可以实现饮食自由，因为这样只会增加产热而不会使我们变胖。棕色脂肪细胞与白色脂肪细胞有所不同，它们拥有更多的线粒体，而线粒体中的铁元素使得细胞呈现出棕色。正常的线粒体代谢可将能量储存为ATP，但通过质子泄漏便可将能量转化为热能。热能产生的过程由一种被称为热原的解偶联蛋白所介导。持续暴露在寒冷环境下的工人，如深海潜水员，其积累的棕色脂肪似乎远高于正常水平，这表明棕色脂肪可以在成人体内再生。如果白色脂肪细胞可以转化为棕色脂肪细胞（这在组织培养中已能够实现），那么，我们便可以在与肥胖的斗争中拥有一个强有力的工具，真正实现“燃烧”多余的脂肪。
脂质生成修饰
在植物细胞中，利用遗传学工具对脂滴的形成过程进行改造将对种子作物具有重大意义。植物细胞产生油脂的过程与动物细胞非常相似。研究发现，对二酰基甘油转移酶——一种可催化甘油三酯生成的酶进行基因改造后，玉米的油脂和油酸产量可增加一倍左右。
细胞骨架
提到“骨架”，便会让人联想到亡故已久的人类残骸。骨骼得以长久保存的原因在于成骨细胞在形成骨基质的过程中将磷酸钙等矿物质沉积下来，从而赋予了骨骼刚性的结构。不同的骨骼通过肌腱与韧带结合在一起，形成一个杠杆系统紧密相连，从而保证在日常生活中骨骼可以随时因肌肉收缩而发生移动。在细胞内，同样也存在类似于“骨架”的结构。其中，微管起到了“杠杆”的作用，而“肌肉”的角色则由肌动蛋白微丝与肌球蛋白共同扮演。肌动蛋白微丝与肌球蛋白可以发生相互滑动，像肌肉一样为细胞提供收缩力。然而，与我们自身肌肉-骨骼系统的相对刚性与持久性有所不同，细胞骨架最主要的特征是极强的可塑性与动态性，其元件可通过惊人的速度构建（聚合），并通过分解（解聚）迅速消失。曾有传统观点认为，细胞像是一个充满了果冻的气球，这着实误导了大众多年。事实上，细胞的形状由其内部所控制，可通过接收到的外部环境信号进行调整，并能快速做出响应。细胞不断地改变其形状，改变着其与邻近细胞的位置，在组织中移动，甚至通过进出血液从而在整个机体内进行“长途旅行”。除此之外，在细胞分裂时，染色体的分离需要整个细胞骨架进行重组（这一点将在第4章进行讨论）。可以说，细胞骨架的动态性质是其最主要的特征。
尽管在某些细菌中存在与真核细胞的细胞骨架相类似的原始蛋白，但高度组织化的细胞骨架仍是真核生物的独有特性。真核细胞的细胞骨架被定义为三种大型蛋白构成的网络，其中包括：微管（由更小的蛋白——微管蛋白所构成）、中间丝（一组具有类似性质的纤维蛋白）以及微丝（由更小的蛋白——肌动蛋白所构成）（如图6a、6b所示）。此外，细胞内还存在许多其他相关蛋白，在不同方面帮助细胞骨架蛋白发挥作用。尽管细胞骨架的每一个元件都为细胞的形状变化与运动做出了特定的贡献，但为了更好地理解细胞骨架，我们仍需将其所有组分结合在一起，作为一个完整的系统来看待。除了全细胞反应，细胞骨架在细胞内的物质运输中也起着至关重要的作用。其中，微管可以与动力蛋白等分子马达相互作用，从而为细胞内装载着货物的液泡或细胞器的移动提供一条“铁路干线”。
图6 细胞骨架元件
a.b.由纤维网络构成的完整细胞骨架（已除去细胞质中的细胞器，仅留下位于中央的细胞核）；c.在试管中组装起来的微管；d.鞭毛的切片，显示了鞭毛轴丝的“9＋2”排列结构；e.吸管虫触手的切片，显示了围绕食管的微管阵列
接下来的问题是，纤维蛋白能否进入细胞核形成类似细胞骨架的结构？遗憾的是，这一问题的答案始终存在争议。细胞骨架在细胞质的组织架构搭建中具有十分重要的意义，但在细胞核中寻找类似细胞骨架的结构仍然困难重重。细胞骨架的主要元件之一——肌动蛋白是70多年前从肌肉中首次分离得到的。而现在，“非肌肉”的肌动蛋白已经被认为是细胞质的基本成分，甚至是细胞中最常见的蛋白。直到最近，肌动蛋白也终于被发现是细胞核的组成元件之一，它们与中间丝共同参与组装细胞核长丝状蛋白，以形成“细胞核骨架”（nucleoskeleton，详见第3章图7c）。中间丝位于核纤层，可为细胞核内容物的排列提供纤维支架。
纤毛与鞭毛
在17世纪末光学显微镜初露锋芒的时候，研究者们已经在单细胞中观察到了皮鞭状的“尾巴”结构。通常情况下，细胞上一到两条尾巴（鞭毛）通过由底部传递至顶端的规律性波动，推动了细胞在水性介质中的运动。在肺部等器官的上皮组织中，细胞被大量的纤毛覆盖，这些纤毛可以推动表层黏液的移动。在气管中，纤毛通过来回摆动，使得黏液层不断向喉部方向移动，从而防止呼吸道中潜在的感染性介质的积聚。
有些细菌同样具有鞭毛，但其结构相对简单，像一个刚性的螺旋状尾巴，其工作模式则如螺旋桨一般，通过分子马达在底部旋转的方式实现摆动。真核生物细胞内的纤毛与鞭毛固定于一个被称为基底体的结构中，在其长度允许范围内，可以通过轴丝（axoneme，由微管所组成）结构产生鞭状运动。引用唐·福塞特1961年的经典著作《细胞》中的一句话：“没有什么细胞活动比纤毛与鞭毛运动更能吸引细胞学家了。”1887年，詹森（Jensen）利用显微镜载玻片与盖玻片将**鞭毛压扁，发现**尾部被“磨成了许多纤维状物”。大约60年后，电子显微镜证实了这一点。英国植物学家艾琳·曼顿（Irene Manton）通过美国战后“租借”（Lend Lease）系统获得了早期的电子显微镜，进而发现所有植物鞭毛中都含有与动物鞭毛一样的11种纤维，从而证实了鞭毛结构在整个进化过程中是非常保守的。“标准”的轴丝结构由位于中央的一对微管与周围的9条小管组成（图6d）。在细胞内，基底体由9个三联体微管组成的短圆筒形结构组成，但其中缺少中央微管结构。
微管由什么构成
微管为中空的管状结构，其管壁由微管蛋白构成。两个微管蛋白分子可组成二聚体，其形状如同花生壳一般。这些二聚体首尾相连形成一条长丝（原丝），而13条原丝纵向连接在一起，便形成了微管的空心管壁结构（如图6c所示），整个微管还通过相关蛋白的作用保持其结构的稳定性。在鞭毛与纤毛的轴丝中，一种叫作动力蛋白的分子马达介导了运动的产生。在这一过程中，动力蛋白将相邻的微管连接起来，使其以同步的方式发生相互滑动，从而产生弯曲效应。弯曲效应沿着鞭毛向下传递，最终引起了“鞭打”运动的出现。在20世纪50年代，比约恩·阿夫泽利乌斯（Bjorn Afzelius）发现动力蛋白臂与邻近小管之间存在密切的联系，而现在我们已经得知，动力蛋白臂与邻近小管之间的作用模式并非如爬绳子一般两手交替进行，而是不断地发生连接与断裂。
如果鞭毛动力蛋白发生突变或缺失，后果是非常严重的。在发现动力蛋白的25年后，阿夫泽利乌斯在瑞典的一家不孕症诊所观察了4名不育症患者的**，发现其**尾部轴丝中缺乏动力蛋白臂，因此，这些**是“不会游泳的”。毫无疑问，这将导致不育的发生。此外，有一半的患者还同时患有一种被称为“内脏逆位”的疾病，表现为原本位于身体左侧的主要内脏器官（如心脏、脾脏与胰腺）出现在身体右侧。其原因在于胚胎发育早期，当左右体轴建立时，胚胎缺乏具有相应功能的纤毛。在20世纪30年代，马内斯·卡塔格内（Manes Kartagener）对其进行描述后，这一疾病被命名为卡塔格内综合征。
每个细胞都含有一种特化的纤毛。这些“初级纤毛”主要作为感觉结构发挥作用，如同无线电天线从周围环境中收集信息。初级纤毛不能独立运动，因为它们缺乏中央微管与周围9个小管之间的动力蛋白连接。目前我们已经得知，初级纤毛可作为机械与化学刺激的受体，发挥重要的作用。在鼻腔内壁，经过修饰的初级纤毛与感觉气味的嗅上皮特化细胞（树突小结）上的感受器相连。而在眼睛中，视网膜特化的光感受器也通过初级纤毛附着于细胞上。此外，初级纤毛还在细胞分裂中起到了控制的作用，并很可能参与了细胞的运动过程。
由纤毛缺陷引起的疾病被称为纤毛病（ciliopathies）。纤毛病有着广泛的症状，在鉴定出共同的细胞学病因之前，这些症状常常被误认为是相互独立的。纤毛病的其中一些症状可能在所有患者中都出现，而另一些则是相对独特的。口腔-面部-手指综合征患者常有多指及肾脏问题。于19世纪末首次发现的巴尔德-别德尔（Bardet-Biedl）综合征患者同样存在肾脏问题，但同时还具有可引起失明的视网膜退化、肥胖以及糖尿病等症状——所有这些症状都是由缺乏相应功能的纤毛所引起的。
细胞内微管
微管曾被认为仅存在于轴丝中，直到20世纪60年代初，随着电子显微镜样品制备技术的改进，研究者才发现微管存在于整个细胞质中。由于微管总是以直杆的形式呈现，它们最初被认为是一种刚性且稳定的结构。然而，刘易斯·蒂尔尼（Lewis Tilney）与基思·波特（Keith Porter）发现，将一种称为放线菌的原生动物冷却到大约4℃时，所有依赖微管的细胞延伸运动都会因为微管解体而崩溃，而在室温下放置几分钟后，微管又会重新形成。直到20世纪80年代，蒂姆·米奇森（Tim Mitchison）发现微管可以在几秒钟内发生解体并重新形成，这一过程被称为“动态不稳定性”。至此，微管的动态特性才为人们所了解。
除上述功能外，微管也参与了有丝分裂纺锤体框架的形成过程，通过纺锤体的作用，染色体在细胞分裂时被均分至子细胞中（详见第4章）。研究者将分裂中的细胞暴露于秋水仙碱中，由于秋水仙碱可与微管蛋白结合，阻止其相互聚合形成原丝，从而有效抑制有丝分裂纺锤体的形成，引起细胞分裂的“冻结”，这样便可实现染色体的分析。秋水仙碱是秋水仙提取物中的活性成分，古埃及人曾利用这一植物治疗关节炎。此外，我们还可以通过抑制细胞质微管的分解来抑制有丝分裂纺锤体的重新形成。提取自太平洋紫杉树皮的紫杉醇便能达到这样的效果，它已成为一种治疗癌症的有效药物。由于剥去树皮会导致树木死亡，人们对紫杉树皮的需求几乎使得美国境内的太平洋紫杉遭受灭顶之灾。但幸运的是，目前人们已掌握了化学合成紫杉醇的技术。由于癌细胞分裂速度较快，几乎所有可以干扰微管与纺锤体形成的物质都是潜在的癌症治疗药物。
成纤维细胞是微管功能研究的首选细胞，存在于关节、韧带、肌腱等结缔组织中。人工培养的成纤维细胞呈长而扁平的形状，可在培养皿表面移动，具有宽的前缘与窄的后缘（如图3c所示）。与之相反，人工培养的上皮细胞仍保持着扁平与多边形的形状特点（如图3b所示）。在所有人工培养的细胞中，细胞质微管从靠近细胞核的中心体处向外辐射。中心体作为微管的组织中心，可以控制微管的量与分布情况。中心体由中心粒构成，这些中心粒与鞭毛或纤毛基部的基底体具有相同的结构。中心粒以成对的形式出现，彼此呈直角。在细胞分裂早期，它们将分离并迁移至细胞的两端，进而组织搭建形成有丝分裂纺锤体的微管。
体外细胞培养是一个相对简短的技术步骤，包括在培养瓶中培养细胞、为细胞提供合适的环境（37 ℃的培养箱）以及将培养瓶放置于显微镜载物台上以便进行活细胞功能观察等。由于活细胞基本呈透明状，如果缺乏相差显微镜等光学设备的帮助，我们将很难看到细胞中的诸多细节。通过相差显微系统，细胞成分中折射特性的微小差异便可以转化为亮与暗的区域。因为这一重大进展，弗里茨·泽尼克（Frits Zernicke）于1953年获得了诺贝尔奖。如今，通过将目的基因与绿色荧光蛋白（GFP，专有名称为水母光蛋白）相结合的方式，几乎所有蛋白均可被“标记”上荧光（当被紫外光照射时便可发光）。GFP最初从一个“夜光”水母中提取获得，通过改变其氨基酸序列，荧光性质也随之发生改变，呈现出蓝色、橙色、黄色与红色荧光，这样便可以在同一个活细胞中同时追踪几种不同的蛋白信号。除此之外，低光照相机也可以在一个细胞中捕获到几个分子的信号，同时还具有激光照射、计算机成像与分析功能，并可以对活细胞进行观察。这些新兴的技术为研究者们提供了几年前无法想象的海量信息。如今，我们可以在光学显微镜下观察特定的活细胞，然后在毫秒内将其“快速冻结”，并进一步利用电子显微镜观察。一种被称为量子点的微探针既可发出荧光（可以用于光学显微镜），又具有电子致密的特点（可以用于电子显微镜），因此，利用微探针便可以对同一个分子进行标记，进而通过光学显微镜与电子显微镜两种技术进行观察。
利用相差显微镜对大多数活细胞进行初步观察，可能会让一些外行人大失所望，因为在镜下看起来似乎没有什么特别的事情发生。单细胞生命体可以在鞭毛或纤毛的驱动下四处游动，而阿米巴原虫也可以缓慢爬行。对于培养中的细胞，科普节目中所展示的细胞活动视频必然是通过间歇性拍摄法得到的，即以几秒钟的时间间隔拍摄出单幅图像，然后再进行加速播放。原本细胞将花费一小时时间进行分裂，而在拍摄时，我们每隔10秒才拍摄一张图片，最后再以每秒25帧的方式播放图像，这可以将整个细胞分裂的过程压缩到10秒以内，使图像看起来更加动态。
大约在20世纪70年代中期，人们通过缩时定格显微镜观察到了看似不同寻常的细胞内运动。除了细胞质连续且随机的布朗运动外，细胞内还存在一种明显的停止/运动模式，即一个粒子在细胞中突然移动了几微米，并时常在停止与运动之间切换。令人惊奇的是，这种“跳跃式”运动往往沿直线产生，就像在轨道上一样。在冷刺激或秋水仙碱（可以破坏微管）处理后，跳跃运动将受到干扰；而经过紫杉醇（可以稳定微管）处理后，跳跃运动则不受干扰。很显然，这说明完整的微管就像导轨一样，介导了细胞内囊泡的运输。直到20世纪90年代中期，人们才发现物质是如何沿着微管运动的，同时鉴定出负责运输的马达蛋白——驱动蛋白。驱动蛋白的形状就像一个颠倒的“Y”字母，因此它就像有了两条腿，可以“沿着微管行走”，并且在头顶上顶着一个大气球（附着的液泡），宛如一名走钢丝的杂技演员。细胞质形式的动力蛋白（可以驱动鞭毛微管彼此通过）也以非常相似的方式工作着。驱动蛋白分子和动力蛋白分子的能量均由ATP提供。蛋白分子在行走时，“每一步”是16纳米，每微米行程须走62步，因此几微米（横跨半个细胞）的路程约在几分钟内便可完成。通过在电子显微镜下对分子细节进行分辨，驱动蛋白和微管之间的分子相互作用最终得以确定。这一研究结果得益于细胞瞬时冷冻技术的发展，它可以使细胞内分子结构固定至与活细胞完全一致的状态。在网络上可以找到相关的分子动画，它们很好地展示了运动蛋白与微管间的相互作用关系。
中间丝
动物对运动**方式的需求推动了不同机械强度的产生。不管是贝壳、昆虫与甲壳动物的外骨骼，还是鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类以及哺乳动物的内骨骼，总之生命体需要组建一个骨架。在任何情况下，骨骼物质都是由细胞所分泌的蛋白质构成的。而在某些情况下，这些物质还会发生矿化以增加硬度。这种物质便是细胞外基质。在单个的动物细胞内，其机械强度由一组被称为中间丝的蛋白提供。中间丝宛如一条高强度却柔韧的电缆，贯穿整个细胞中。位于组织中的细胞则通过一种被称为桥粒（desmosome）的强化膜连接结构与其邻近细胞相连接。桥粒可被中间丝锚定，在整个组织中提供一个张力网络。
微丝
细胞中最细的丝状蛋白叫作微丝，其直径约为6纳米，仅为中间丝直径的一半，由肌动蛋白构成。肌动蛋白是一种球状蛋白，即球型肌动蛋白。然而，当其组装成细丝时，肌动蛋白将以另一种形式——纤维型肌动蛋白存在。纤维型肌动蛋白可被大量的肌动蛋白结合蛋白集结成束状或网状。在非肌肉细胞中，它们可以形成至少15种不同的结构模式。
对肌动蛋白的研究可以追溯到60多年前，阿尔伯特·赞特-乔尔吉（Albert Szent-Gyorgi）于20世纪40年代证实了横纹肌中存在肌动蛋白与肌球蛋白。安德鲁·赫胥黎（Andrew Huxley）与休·赫胥黎（Hugh Huxley）于20世纪50年代进一步证实当肌肉收缩时，肌动蛋白丝可以在肌球蛋白丝上发生滑动，这一相互作用可使肌肉缩短，并产生力。ATP转化为ADP所释放的能量可以为这种分子间的相互作用提供必需的能量。
肌肉具有高度组织化的几何分子结构，每一个肌球蛋白分子都被一个由六个肌动蛋白分子组成的“圆柱体”所包围，这使得分子间可以发生相互滑动。由于当时人们只在肌肉细胞中发现了这种排列方式，因此多年来人们一直认为，非肌肉细胞中可能不存在肌动蛋白与肌球蛋白通过相互作用产生收缩力的现象。然而，1973年汤姆·波拉德（Tom Pollard）发现非肌肉细胞中存在多种肌球蛋白。现在我们知道，哺乳动物体内其实存在着超过40种不同的肌球蛋白，并且肌球蛋白（与纤维型肌动蛋白一起）为细胞分裂、细胞运动以及细胞对外来物质摄取（胞吞）等过程提供了动力。此外，肌动蛋白还在细胞骨架的搭建中提供结构支持。肌动蛋白丝的核心通过与绒毛蛋白相结合的方式，为细胞膜的手指状突起（丝状伪足与微绒毛）提供支持力。
从细胞核内部到细胞表面，几乎所有的丝状蛋白之间都存在联系。细胞核内的核纤层蛋白是一类中间丝（参见第3章内容），它们通过穿过核被膜的蛋白质桥与细胞质中间丝相连。所有的细胞骨架元件间均相互连接。除中间丝与微管外，中间丝与细胞骨架的第三个主要元件——微丝之间也通过蛋白（斑蛋白）直接相连。具有不同性质的微管、中间丝与微丝相互连接，形成蛋白质支架，通过共同作用维持了动物细胞的结构与机械完整性，同时赋予了细胞移动的能力（参见第4章内容）。
在活细胞内，三种细胞骨架成分协同工作，这可能是经过40亿年进化后的结果。单独对细胞骨架的某一个成分进行阐述，就像抛开整个工作引擎这个前提，单独对活塞、连杆与曲轴进行观察——对于细胞骨架与引擎而言，整体都远远大于部分之和。
张拉整体
30年前，当唐纳德·英格伯（Donald Ingber）还在耶鲁大学攻读本科学位时，他已经坚信将细胞视为“装满果冻的橡皮袋”的观点有些过于简单了。英格伯十分痴迷于20世纪40年代巴克明斯特·富勒（Buckminster Fuller）的革命性建筑，即一系列名为地穹的坚固建筑（包括他自己的房子）。地穹不含有任何梁或柱等主要的支撑结构，仅由一个外壳构成，这个外壳由多个小的刚性三角形组成。富勒本人主要受肯尼思·斯内尔森（Kenneth Snelson）的雕塑的影响。在斯内尔森的雕塑中，坚硬的不锈钢杆似乎飘浮在稀薄的空气中，但事实上，它们由缆绳系统所支撑，就像帆船上的索具一样，桅杆在张力与压缩力的平衡中保持在适当的位置。桅杆本身是刚性的，从而能抵抗索具张力产生的压缩力。这一结构十分坚固，只有当桅杆扣或索具断裂时才会崩塌。这便是拉伸完整性或张拉整体的原则，它能以最小的能量与材料消耗提供最大的强度支持。英格伯推测每个细胞中都能找到张拉整体的影子，即刚性的微管抵抗着肌动蛋白与中间丝所介导的压缩力。因此，无论是扁平六边形的上皮细胞，还是长达1米的神经细胞轴突，张拉整体能为所有类型的细胞提供力量。即使在分裂过程中细胞形状发生了改变，张拉整体同样可以发挥作用。在培养过程中，扁平或细长的细胞会在分裂开始时变成球形，随后从中央箍断形成两个球形的子细胞，之后子细胞将重新恢复扁平形状并扩散开来。当细胞边缘变得扁平时，其边缘周围可清晰地看见由肌动蛋白纤维形成的三角形结构，其中每6个相邻的三角形可形成一个六边形，恰好就像巴克明斯特·富勒地穹边缘的样子。之后，细胞将进一步变得更加扁平，其形状将变成典型的成纤维细胞的形态，并在细胞膜与基底层之间形成黏着斑，直到其重新作为单细胞再次发生迁移。与之相反，上皮细胞在培养时会附着在邻近细胞上，移动时就像一片纸。培养的上皮细胞通过桥粒相互连接，这与在活细胞组织中的情况是一样的。桥粒是局部细胞膜强化后所形成的坚韧斑块状结构，并由中间丝锚定在细胞内。在皮肤中，组织常常不断地发生弯曲或拉伸。表皮细胞具有多个桥粒，且其上的中间丝被大量的角蛋白细丝所强化（图6a、6b）。因此，当每一个表皮细胞都存在这样的结构时，这将促使一个极其坚韧的组织诞生。