细胞(cell)是能独立繁殖的、有膜包围的生物体的基本结构与功能单位。细胞的体积通常很小,形态多样,典型的细胞由
细胞核、
细胞质、细胞膜(或
拟核)构成的,也因此被分为
真核生物和
原核生物。原核细胞通常是独立的,而真核细胞经常存在于多细胞生物中。
细胞一词由
英国物理学家
罗伯特·胡克(Robert Hooke)于1665年提出,真正的细胞由
荷兰微生物学家
安东尼·列文虎克(Antonie Philip van Leeuwenhoek)于1674年发现。
细胞通过分裂增殖,存在
细胞周期,以此实现一些生理功能,广泛应用于各个学科领域。细胞和细胞间质形成组织,组织形成器官来实现一定功能,由此可知,细胞是人体功能和行为的基础,细胞的正常与否直接影响机体的生命活动。
简史
细胞的发现
1665年,
英国物理学家罗伯特·胡克(Robert Hooke)自制了世界上第一台
显微镜,并用其发现了木栓结构是由许多微小孔洞组成的。他将这些小孔洞称为cells(小室),后来被证明只是植物死细胞的纤维质
细胞壁。
1674年,
荷兰微生物学家安东尼·菲利普·范·列文虎克(Antonie Philip van Leeuwenhoek)在牙垢中发现了细菌。他准确测量到红细胞的直径为7.2μm,细菌的直径为3μm,一般认为
安东尼·列文虎克是细胞的发现者。
细胞学说的形成
1831年,
苏格兰植物学家布朗(Robert Brown)发现所有细胞都有
细胞核。
1838年,
德国植物学家
施莱登(Matthias Jakob Schleiden)发表了《植物发生论》,提出了所有植物体都是由细胞及其产物组成的观点。
1839年德国动物学家
施旺(Theodor Schwann)发表了《关于动植物结构和生长一致性的纤维研究》,提出了所有动物体都是由细胞组成的观点。
19世纪40年代,布劳恩(Braun A)提出了“细胞是生命的基本单位”的观点,补充了细胞学说。
1855年,
德国病理学家菲尔绍(Rudoplh Ludwig Karl Virchow)提出了一切细胞只能来自原来的细胞的观点;三年后,1858年,菲尔绍提出细胞来源于细胞的观点,完善了细胞学说。
1861年,德国细胞学家舒尔策 (Max Schultze)把细胞描述为“赋有生命特征的一团
原生质,其中有一个核”,首次提出了原生质的概念。
细胞学说阐明了动植物及各生物界的同一样,确定了细胞是生命体的结构和生命活动单位,为细胞学研究奠定基础,将生物学研究推进到
微观水平,对生物学研究做出了巨大贡献。
细胞分裂的研究
1841年,
波兰生物学家罗伯特·里麦克(Robert Remark)首次观察到细胞分裂。
1848年,
德国生物学家霍夫迈斯特(Wilhelm Hofmeister)证实了植物细胞分裂过程中存在染色体,并观察到有丝分裂过程。
1876年,德国生物学家赫特维希(Hertwig O)首次在
海胆中发现了
减数分裂。
1877年,德国生物学家费莱明(Flemming W)提出了染色体“纵向分裂”模式,基本确定了
细胞分裂的基本模式。
1882年,德国生物学家费莱明(Flemming W)首次提出有丝分裂(mitosis)一词表示整个细胞分裂的过程。
1883年,
比利时动物学家范·贝内登(van Beneden E)首次在染色体水平上观察到蛔虫卵的减数分裂。
1890年,
德国生物学家
奥古斯特·魏斯曼(August Weismann)发现了
遗传物质恒定的规则:二倍体细胞需要经过两轮细胞分裂成四个单倍体细胞,才可以使亲代与子代个体的染色体恒定。
1911年,
美国遗传学家
托马斯·摩尔根(Thomas Hunt Morgan)首次发现在
果蝇的
减数分裂中存在染色体交换,为减数分裂中的遗传学提供了重要证据。
细胞的组成
物理组成(结构)
细胞由质膜外结构和原生质体构成。
质膜外结构
质膜外结构,其结构、成分、功能因细胞类型而异,包括范围广泛,如
血型抗原,基膜,鱼类和
两栖动物的卵膜,哺乳动物卵的透明带,动物
软骨细胞间基质、肠上皮细胞表面的粘蛋白、植物和
原核生物细胞壁、细菌
荚膜、纤毛与鞭毛等。
质膜外结构主要分成三类:细胞外被、表面粘着物质、外在结构。
也可按照细胞内含有的物质,分为后成质(
细胞质衍生物)、导质(特化的原生质)、副质(
新陈代谢产物,存在于细胞质或液泡中)。
原生质(体)
原生质体由细胞膜、细胞质(存在
细胞器和细胞质基质)、
细胞核(或
拟核)组成。
细胞膜
生物膜是各种细胞、细胞器的膜的统称,细胞表面的生物膜被称为细胞膜,又称为质膜,厚度5-10mm,由
脂类、
蛋白质、
糖类三种物质组成。
细胞质
细胞器(organelle)是
真核生物具有的存在一定结构和执行特定功能的超微结构,是维持细胞正常工作和运转的重要保证。细胞器可分为双层膜内共生体细胞器(
叶绿体、
线粒体等)、单层膜细胞器(
内质网、
高尔基体、液泡、溶酶体、
过氧化物酶体等)、无膜细胞器(
核糖体、
中心体等)。其中叶绿体和液泡只存在于植物细胞中,中心体只存在于低等植物细胞和动物细胞。
细胞核
细胞核是真核细胞遗传与代谢的调控中心,主要包括核被膜、核基质、
染色质、
核仁四个部分。除少数细胞外(哺乳动物的成熟红细胞、
血小板、表皮角质细胞等),绝大部分细胞都含有细胞核。细胞核的化学成分包括
核酸(
脱氧核糖核酸和
核糖核酸)、
蛋白质(碱性蛋白质(如组蛋白)、酸性蛋白质、一些酶类)、
脂类、
多糖、
无机盐、水等,核酸通常和蛋白质结合成
核蛋白存在。
失去细胞核的细胞将由于无法执行正常生理功能而很快死亡。
细胞核中的物质集中在一定区域形成一个特定的环境,
遗传物质(核酸)储存在其中,还会进行遗传物质的复制与传递、
核糖体大小亚基组装。遗传信息指导着细胞内的蛋白质合成,从而调控
细胞增殖、生长、分化、衰老和死亡,起到指导控制细胞生命活动的作用。
化学组成
参与细胞组成的元素均存在于
元素周期表,共有30余种,这些元素相互组合,使细胞可以
自我复制、执行功能。
细胞内存在的元素及作用:
细胞的分类
细胞可根据有无明显核结构分为原核生物(prokaryotic cell)和真核生物(eukaryotic cell)两大类。
原核细胞与真核细胞的主要区别为:
原核细胞
原核细胞无明显核结构,进化地位原始,结构简单,种类较少,没有核质分化,细菌、
蓝藻等就属于原核细胞。
原核细胞有一层
细胞壁(cytoderm),其主要成分为胞壁质(murein),与真核细胞的细胞壁成分不同。少数原核细胞壁还含有其他
多糖和
脂类,或壁外分泌黏质物(如蓝藻)。
有些
原核生物可以依靠鞭毛运动,这些鞭毛也比
真核生物的鞭毛结构简单。有些细菌壁上有伞毛(丝状突起),和鞭毛一样,是细胞表面的附着物。
原核细胞内部含有
脱氧核糖核酸的区域称为
拟核,因为其没有膜包围,仅有一条DNA。
原核细胞的
细胞质中有
核糖体、磷酸颗粒、蛋白粒、脂肪滴等物质,不包含多数常见的功能性
细胞器。
真核细胞
真核细胞的结构基本相似,但动植物细胞有所不同。其内部分为两部分,
细胞核(nucleus)和细胞质(cytoplasm)。
细胞核由
核膜包裹,与细胞质分离,含有
染色体和
核仁。
细胞质一般包括:
特例:哺乳动物的红细胞,成熟后没有
细胞核和线粒体。
动物细胞
质膜包着动物细胞的表面,并与内部的膜系统相连,控制着细胞内外物质的运输。
两个相邻细胞之间的质膜也有所不同,使两个相邻细胞紧密接合在一起方便通讯的叫联结,两个细胞的质膜各自向内突出丝状物将两细胞“焊接”在一起的叫
桥粒。
植物细胞
植物细胞外有
细胞壁,基本化学成分是多糖类物质,细胞之间有
中胶层(mesoglea)或称胞间层(intracellular layer)把两个相邻细胞的细胞壁连接在一起,壁上有胞间连丝(piasmodesma)方便细胞交换信息。
特有
质体(如
叶绿体)这一
细胞器,并且拥有明显的大液泡和中央液泡。
细胞骨架
细胞骨架(cytoskeleton)是
真核生物中与保持细胞形态、运动相关的蛋白纤维网络。
狭义的细胞骨架包括
微管、
微丝、中间丝;广义的细胞骨架还包括核骨架、
核纤层、细胞外基质,最终形成贯穿于
细胞核、
细胞质、细胞外的一体化网格结构。
细胞骨架可以维持细胞形态、保持细胞内部结构的有序性、参与许多重要的生命活动。如
细胞分裂中牵引染色体、细胞运动中组成
动力系统等,在植物细胞中,细胞骨架还参与指导
细胞壁的合成。
细胞骨架的异常也会引起多种疾病,如肿瘤、神经系统疾病、遗传病等。
细胞的共性
虽然构成生物体的细胞种类多、形态各异,但却有着基本的共同点。
具有细胞膜
细胞膜能够使细胞与周围的环境隔绝,包围细胞内容物,形成相对稳定的细胞内环境;细胞膜是磷脂双分子层结构,可以进行物质交换和信号传递。
具有DNA-RNA遗传体系
绝大多数细胞都具有两种
核酸:DNA和RNA,他们作为
遗传物质的载体,对遗传信息进行储存与传递。
具有核糖体
核糖体(ribosome)是一切细胞不可或缺的一种结构,作为蛋白质合成机器,核糖体在翻译多肽链的时候和mRNA形成多具核糖体。
以生物催化剂催化代谢反应
生物催化剂有两类:酶(具有高效催化作用的
蛋白质)、
核酶(具有催化活性的RNA),两种生物催化剂均应用于催化细胞生命活动中的各类代谢反应。
ATP作为能量流通形式
ATP是细胞能量的转换分子,也被称为细胞的“能量货币”。生物氧化过程中释放的能量主要以
化学能的形式储存在ATP中,当细胞需要能量时,ATP直接供能。
以二分裂方式增殖
二分裂指一分为二的方式进行的分裂,
遗传物质复制并平均分配给两个子细胞,保证生命的繁衍。
细胞的形态与分类
细胞之“最”
形态
形状
细胞因结构、功能、所处环境不同,具有多种形状。
单细胞动物通常独立生活、互不相干,因此形态相对固定,有呈棒状的(杆菌)、球状(
球菌)、弯曲样的(
弧菌)等,也有如
草履虫一样呈鞋底状,如
眼虫呈梭状。
多细胞生物往往是高等生物,细胞的形态受本身分化以及所执行的生理功能影响。如具有收缩功能的
肌细胞呈长梭形,神经细胞有很长的细胞突起(有的可超过1m)是为了实现神经冲动的传导。
大小
不同细胞的大小(体积)也有很大差别。
一般来说
原核生物细胞直径处于1-10μm,
真核生物细胞直径在10-100μm,因此原核生物小于真核生物;同时,高等动物细胞小于植物细胞。
细胞大小的差异由细胞的来源组织、细胞代谢活动、细胞功能、外界条件共同决定,但不管差异有多大,细胞的大小通常处于一个恒定的范围,尤其是同一组织或同一器官。即便是差异最大的神经细胞也只相差两倍作用,因此器官的大小主要取决于细胞的数量。
分类
形态与功能
根据细胞的形态与功能分类,人体内大约有200多种细胞。
发育与分化程度
根据细胞的发育与分化程度(成熟程度)可细分为600多种。如造血
干细胞发育分化到成熟红细胞的过程中,至少存在7种不同发育阶段的细胞。
数量
由单个细胞构成的生命体是
单细胞动物,由多个细胞组成的生命体称为
多细胞生物。人和
鲸目、
大象等生物的体细胞大小相似,约为10μm,但体型大为不同,是因为生物体的大小由细胞数目决定。
细胞增殖
细胞分裂
细胞通过细胞分裂(cell division)增殖,将亲代个体的染色体平均分配到子代个体中,实现遗传信息的稳定传递。根据细胞分裂过程中
细胞核的变化,可分为有丝分裂和
无丝分裂,有丝分裂又可分为体细胞有丝分裂和
配子减数分裂。
有丝分裂
有丝分裂(mitosis)是细胞分裂的一种,是一个体细胞生成子代细胞的过程,分为间期和分裂期。
间期(interphase)是两次细胞分裂之间的一段时间,分为DNA合成期(S期)、DNA合成前期(G1期)、DNA合成后期(G2期)。
染色体/
脱氧核糖核酸复制主要发生在间期的S期。
分裂期包含了核分裂与质分裂,每条染色体复制的DNA分子被平均分配到两个子细胞中,胞质也一分为二。
减数分裂
减数分裂(meiosis)发生在
生殖期的生殖母细胞中,通常发生于动物的
睾丸和
卵巢性腺中,或植物的
花药和
胚珠中。减数分裂过程中染色体只复制一次,而细胞连续分裂两次,染色体数目减半。存在一个特殊的情况:
卵母细胞的减数分裂可进行不均等分裂,产生第一
极体和第二极体,最终形成一个成熟的卵母细胞。
类型
无丝分裂
与有丝分裂的区别
区别一:无丝分裂时
核膜、
核仁不消失,没有
染色体和
纺锤丝的出现。
当
细胞核的内容物质复制完毕、细胞体积增大一倍时,分裂期启动,将
遗传物质分配到子代细胞中。
区别二:无丝分裂无法保证亲代细胞与子代细胞的遗传物质稳定性。
无丝分裂中亲代细胞的遗传物质不一定能平均分配到子细胞中,因此无法像有丝分裂一样保证遗传信息的平均分配。
优势
细胞周期
概述
细胞周期(cell cycle)描述的是一个连续分裂的细胞,从上一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂结束所经历的整个过程。细胞周期分为四个阶段:G1期、S期、G2期、分裂期,在不同生物或生命体的不同发育时期过程有所不同,但基本特征一致。
在一个细胞周期中,细胞需要完成的任务主要是复制
脱氧核糖核酸遗传物质(间期),并将其平分给子细胞,从而产生两个完全相同的子细胞(M期)。
细胞周期存在调控机制:真核细胞内,能够使细胞周期依次进行的调控机制,被称为细胞周期调控(cell cycle regulation)。实现其功能的基础关键蛋白有
周期蛋白依赖性
激酶(Cdk)和周期蛋白(cyclin)。
过程
根据在
光学显微镜下观察到的细胞形态,将
细胞周期划分为两个主要区间:间期和M期。
在体外培养增殖的典型人类细胞中,细胞周期约为24小时,而间期占据了其中的23小时,主要完成了
脱氧核糖核酸的复制。
M期是细胞的有丝分裂期(metosis),细胞在M期中将复制的
染色体分配到两个子
细胞核,完成胞质分裂,使原来完整的
细胞分裂成两个子细胞,经历着明显的形态学变化。细胞膜也发生着明显变化,细胞变成圆球形。
学术领域
细胞学
细胞学(cytology)是一门研究细胞生命现象的科学。主要研究内容有:细胞的结构、成分、功能、生长、分裂、分化、进化、遗传、变异、衰老、死亡等。
细胞生物学
细胞生物学(cell biology)是从各级水平上研究细胞结构、功能及其生命活动与机体机能的联系的一门科学,是以细胞学为基础发展来的。
细胞生物学主要研究细胞的结构与功能、细胞的生命活动、细胞的社会性、
干细胞及相关应用研究。
分子细胞生物学
分子细胞生物学(molecular cell biology)是在细胞生物学的基础上更侧重于
生物化学、
遗传学的研究,从分子水平上研究细胞的结构与功能。
细胞组学
细胞组学(cytomics)是在细胞水平上,运用分子技术、显微技术、
生物信息学技术研究细胞组的
分子结构与功能的一门科学。该学科通常与
基因组学、
蛋白质组学、基因药物组学等学科进行结合,可进一步揭示各种分子、细胞疾病包括肿瘤的发生细胞分子机制。