细胞生物学/细胞的基本概念

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细胞的概念与分子基础 - 细胞的基本概念 - 细胞的分子基础 - 细胞的起源与进化

细胞的种类[编辑]

细胞是构成已知所有生命体的结构性、功能性、生物性的基本单元,是最小的具有独立复制能力 的生命单元。
20世纪60年代,细胞生物学家H.Ris依据细胞的结构将细胞分为原核细胞(prokaryotic cell)与真核细胞(eukaryotic cell)两大类。近年的研究显示,原核生物在很早的时候就演化为两大类:古细菌(archaebacteria)和真细菌(eubacteria)。古细菌可能是细胞生存的更为原始的类型。1990年,美国C.R. Woese提出,将生物界划分为三个域:①古菌域(archaea),包括产甲烷菌、盐杆菌、热原质体等;②细菌域(bacteria) , 包括支原体、衣原体、立克次体、细菌、放线菌及蓝藻等;③真核域(eukarya), 包括真菌、植物、动物和人类。基于此分类,某些生物学家建议将生物界的细胞分为三大类型:古核细胞(古细菌)、原核细胞与真核细胞。依据目前普遍的观点以及古细菌没有细胞核和由膜包裹的细胞器,本书仍把古细菌归属于原核细胞范畴。

原核细胞[编辑]

原核细胞外由细胞膜包绕,膜内的细胞质中无内质网、高尔基复合体、溶酶体和线粒体等膜性细 胞器;有核糖体;含一条不与蛋白结合的DNA链,集中分布于细胞质一个区域内,该区域没有膜包裂被称为拟核(nucleoid); 原核细胞较小,直径约为1到数个微米。原核细胞的另一特点是在细胞膜之外通常有一坚韧的细胞壁(cell wall), 细胞壁的主要成分是蛋白多糖和糖脂。常见的原核细胞有支原体、细菌、放线菌和蓝绿藻(蓝细菌)等,其中支原体是最小的原核细胞。
1、支原体是最小最简单的细胞 支原体(mycoplasma)是目前已知的最小的细胞,其直径约为0.1~0.3µm, 结构极其简单。支原体的细胞膜由磷脂和蛋白质构成,无细胞壁,细胞质含有核糖体和散在分布的环形DNA链,该DNA分子含有支原体生活所必需的遗传信息,能指导合成约400种蛋白。支原体与医学关系密切,可引起肺炎、脑炎和尿道炎等疾病。
2、细菌是原核细胞的典型代表 细菌(bacteria)是原核生物的典型代表,在自然界之中广泛分布,常见的有球菌、杆菌和螺旋菌,许多细菌可致人类疾病。
细菌的外表面为一层坚固的细胞壁,其主要成分为肽聚糖(peptidoglycan)。有些细菌的细胞壁外还有一层由多肽和多糖组成并具有保护功能的结构一一荚膜(capsula), 在感染真核细胞后,荚膜能够保护细菌在真核细胞内生存。在细胞壁内面为脂质分子和蛋白质组成的细胞膜。细菌的细胞膜常可分为细胞膜外膜、细胞膜内膜,以及内外膜中间的间隙。有些蛋白位于外膜上,称为外膜蛋白;有些蛋白位于内膜上,称为内膜蛋白;还有些蛋白贯穿于内外膜间。细菌的细胞膜上还含有参与代谢反应的酶类,如呼吸链酶类。
细菌胞质内的拟核区含有环状DNA分子。细菌的DNA结构特点是重复序列少,编码蛋白的基因编码序列是无间隔排列在一起的,序列中无内含子。在细菌的细胞质内还含有基因组DNA以外的遗传性DNA片段,常为能够自我复制的小环状DNA片段即质粒(plasmid)。
细菌胞质中含有丰富的核糖体,每个细菌约含5000~50 000个核糖体,其中大部分游离于细胞质中,小部分附着在细胞膜的内表面。细菌核糖体的沉降系数为 70S, 由一个50S的大亚基和一个 30S的小亚基组成,它是细菌合成蛋白质的场所。细菌蛋白质合成的特点为细胞质内基因转录形成的mRNA不需要加工,直接翻译合成蛋白。细菌胞内蛋白合成是与基因转录偶联在一起的,即一边进行基因转录一边翻译合成蛋白。
3、古细菌多生活在极端环境中 古细菌是一类单细胞微生物,没有细胞核和由膜性包裹的细胞器,属于原核生物。古细菌最初是在极端的生态环境如热溫泉和盐湖中被发现的。现在确定广泛分布于自然界中,包括土壤、海洋和沼泽。古细菌也是人微生物群的组成部分,分布于人大肠、口腔和皮肤。由于大多数的古细菌不能从实验室分离,多依赖于古细菌生活环境中的DNA序列进行分类。古细菌具有有别于真核细胞和细菌的独特特征。古细菌的大小与形态多与细菌相似,少部分古细菌具有奇特形态;基因结构与代谢途径,特别是基因转录和翻译的酶类,与真核细胞类似;古细菌可利用多种物质提供能品,包括有机物、氨、金属离子、氢气和阳光等,有些古细菌具有固氮能力,但与植物和藻类不同,古细菌不能同时固氮和进行光合作用;古细菌为无性繁殖,不形成孢子。

真核细胞[编辑]

真核细胞比原核细胞进化程度高、结构复杂。由真核细胞构成的生物,包括单细胞生物(如酵母)、原生生物、动植物及人类等。真核细胞区别于原核细胞的基本特征是具有由核膜包围形成的细胞核结构和由膜包裹的细胞器。

真核细胞的形态与大小[编辑]

高等生物由数百种真核细胞组成,其形态是多种多样的,常与细胞所处的部位及功能相关。游离于液体的细胞多近于球形,如红细胞和淋巴细胞等;组织中的细胞一般呈椭圆形、立方形、扁平形、梭形和多角形,如上皮细胞多为扁平形或立方形,具有收缩功能的肌肉细胞多为梭形,具有接受和传导各种刺激的神经细胞常呈多角形,并出现多个树枝状突起,反映出细胞的结构形态与功能密切相关。
不同类型细胞的大小差异很大,一般用微米(µm)和纳米(nm)作为描述细胞大小的单位。大多数细胞的直径在10~20µm之间,但有些细胞较大,如卵细胞,人卵细胞约为lOOµm, 一些鸟类动物卵细胞可达几个厘米。

真核细胞的基本结构[编辑]

在光学显微镜下,真核细胞可区分为细胞膜(cell membrane)、细胞质(cytoplasm)和细胞核(nucleus), 在细胞核中可看到核仁结构。电子显微镜下,细胞质中可以看到由单位膜组成的膜性细胞器,如内质网、高尔基复合体、线粒体、溶酶体、过氧化物酶体,以及微丝、微管、中间纤维等骨架系统。在细胞核中也可看到一些微细结构,如染色质、核骨架。一般将在光学显微镜下看到的结构称为显微结构,而把在电镜下看到的结构称为亚显微结构(submicroscopic structure)或超微结构(ultrastructure)。
真核细胞是以生物膜的进一步分化为基础,使细胞内部构建形成许多更为精细的具有专门功能的结构单位。真核细胞虽然结构复杂,但可以从以下四个方面理解真核细胞的结构特点:
1、以脂质及蛋白质成分为基础的膜相结构体系——生物膜系统 生物膜系统是指以生物膜(biological membrane)为基础而形成的一系列膜性结构或细胞器,包括细胞膜、内质网、高尔基复合体、线粒体、溶酶体、过氧化物酶体及核膜等。组成这些膜性结构或细胞器的膜具有相似的单位膜(unit membrane)结构,即电镜下的内外两层致密的深色带和中间层的浅色带,膜厚度在8~10nm之间。这些膜性结构或细胞器均含有其特殊的酶系或蛋白质,在细胞内各自独立地执行其功能。如细胞膜的主要功能是进行物质交换、信息传递、细胞识别及代谢调节等作用;核膜把细胞分为细胞质和细胞核两部分,不但使遗传物质得到更好的保护,而且在维持细胞核与细胞质之间的物质交换方面起重要作用;线粒体是产能细胞器,为细胞的活动提供所需的能量;内质网是细胞内蛋白质和脂类等生物大分子合成的场所;高尔基复合体是合成物质加工、包装与分选的细胞器;溶酶体则是细胞内的消化器官,能消化分解各种生物大分子。
2、以核酸蛋白质为主要成分的遗传信息表达体系——遗传信息表达系统 真核细胞的遗传物质位于细胞核中,储存遗传信息的DNA与蛋白质结合,组装成为高度有序的染色质结构。 DNA与蛋白质的结合与组装程度决定了DNA复制和遗传信息的表达状态与模式,DNA的转录产物 RNA也与蛋白质结合存在于细胞内。
遗传信息的流向是由DNA→RNA(mRNA)→蛋白质。mRNA在核糖体(ribosome) 上翻译形成蛋白质。 核糖体也称核蛋白体,电镜下呈颗粒状,直径约为15~25nm, 是合成蛋白质的机器。核糖体由RNA和蛋白质组成,RNA约占核糖体的60%,蛋白质约占40%。从组成结构上看,核糖体中的RNA主要构成核糖体的骨架,将蛋白质串联起来形成合成蛋白的机器。在一些细胞内核糖体位置可确定 蛋白质在细胞内的位置,即可在细胞内对蛋白质进行定位。
3、由特异蛋白质分子构成的细胞骨架体系——细胞骨架系统 细胞骨架(cytoskeleton) 是由一系列纤维状蛋白组成的网状结构系统,广义的细胞骨架包括细胞质骨架与核骨架,狭义的细胞骨架则指细胞质骨架。细胞质骨架主要由微丝、微管和中间纤维组成,其功能是维系细胞的形态和结构,参与细胞运动、细胞内物质运输、细胞分裂及信息传递等生命活动过程。细胞核骨架由核纤层蛋白 (lamin) 与核骨架组成,维持核形态、基因表达、染色体包装和分布及核内分区等核内结构。
4、细胞质溶胶 在细胞质中除了细胞器和细胞骨架等有形结构外,其余的为可溶性的细胞质溶胶(cytosol)。细胞与环境、细胞质与细胞核,以及细胞器之间的物质运输、能量传递、信息传递都要通过细胞质溶胶来完成。细胞质溶胶约占细胞总体积的一半,是均质而半透明的液体部分,其主要成分是蛋白质,占细胞质总量的20%左右,故细胞质呈溶胶状。细胞质溶胶中的蛋白质很大一部分是酶,多数代谢反应都在细胞质溶胶中进行,如糖酵解、糖异生,以及核苷酸、氨基酸、脂肪酸和糖生物合成反应等。细胞质溶胶的化学组成除大分子蛋白质、多糖、脂蛋白和RNA之外,还含有小分子物质水和无机离子K+、Na+、Cl-、Mg2+和Ca2+等。

以上4种基本结构体系构成了细胞内部结构紧密、分工明确、功能专一的各种细胞器,并以此为基础保证了细胞生命活动的高度程序化与自控性。
真核细胞与原核细胞比较有很大差异, 这种差异不仅体现在形态结构上,也表现在基因组(genome) 组成上。此外,真核细胞的某些细胞器也含有DNA。动物类细胞中线粒体中含有少量的 DNA, 可编码线粒体tRNA、rRNA和组成线粒体的少数蛋白。

细胞的寄生体——病毒[编辑]

在生物界中,病毒(virus)是迄今发现的最小、结构最简单的生物存在形式。绝大多数病毒必须在 电子显微镜下才能看到。病毒主要是由一个核酸分子(DNA或RNA)与蛋白质组成的核酸-蛋白质复合体,含有DNA的病毒称为DNA病毒,含有RNA的病毒称为RNA病毒。有的病毒结构更简单,仅由一个有感染性的RNA或蛋白质组成。仅由RNA组成的病毒称为类病毒(viroid), 仅由蛋白质组成的病毒称为朊病毒(prion )。病毒的结构简单,不能独立完成生命活动过程,依赖活细胞才能完成它们的基本生命活动,因此病毒也被视为不“完全”的生命体,是细胞的寄生体。
根据病毒寄生的宿主不同,可将病毒分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒,其中细菌病毒又称为噬菌体。多数动物病毒进入细胞的主要方式是靠细胞的“主动吞饮”作用来实现的。进入细胞内的病毒核酸利用宿主细胞的全套代谢系统,以病毒核酸为模板,进行病毒核酸的复制、转录并翻译形成病毒蛋白,然后装配成新一代的病毒颗粒,最后从细胞释放出来,再感染其他细胞,进入下一轮病毒增殖周期。病毒在细胞内的增殖过程是病毒与细胞相互作用的复杂过程,离开活细胞后,病毒无法增殖而扩增。