细胞
生物体结构和功能的基本单位
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。
以上两篇论文中的观点后被作为细胞学说的基础。
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。
最终细胞学说的内容为:
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,美国遗传学托马斯·摩尔根(Thomas Hunt Morgan)首次发现在果蝇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卵巢性腺中,或植物的花药胚珠中。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,没有染色体纺锤丝的出现。
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。
参考资料
目录
概述
简史
细胞的发现
细胞学说的形成
细胞分裂的研究
细胞的组成
物理组成(结构)
质膜外结构
原生质(体)
细胞膜
细胞质
细胞核
化学组成
细胞的分类
原核细胞
真核细胞
动物细胞
植物细胞
细胞骨架
细胞的共性
具有细胞膜
具有DNA-RNA遗传体系
具有核糖体
以生物催化剂催化代谢反应
ATP作为能量流通形式
以二分裂方式增殖
细胞的形态与分类
细胞之“最”
形态
形状
大小
分类
形态与功能
发育与分化程度
数量
细胞增殖
细胞分裂
有丝分裂
减数分裂
类型
无丝分裂
与有丝分裂的区别
优势
细胞周期
概述
过程
学术领域
细胞学
细胞生物学
分子细胞生物学
细胞组学
参考资料