細胞

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植物細胞結構.png

細胞(cell)並沒有統一的定義,近年來比較普遍的提法是:細胞是生命活動的基本單位。已知除病毒之外的所有生物均由細胞所組成,就算是病毒, 生命活動也必須在細胞中才能體現。一般來說,細菌等絕大部分微生物以及原生動物由一個細胞組成,即單細胞生物;高等植物高等動物則是多細胞生物。細胞可分為兩類:原核細胞真核細胞。但也有人提出應分為三類,即把原屬於原核細胞的古核細胞獨立出來作為與之並列的一類。研究細胞的學科稱為細胞生物學。世界上現存最大的細胞為鴕鳥的卵子。

目錄

歷史

細胞(cell)是由英國科學家羅伯特·虎克(Robert Hooke,1635~1703)於1665年發現的。

「細胞」一詞最早出現在日本蘭學家宇田川榕庵1834年的著作《植學啟原》。中國自然科學家李善蘭1858年在其著作《植物學》中使用「細胞」作為cell的中文譯名。有學者認為李善蘭此時並未接觸過《植學啟原》,因而是獨自發明。

細胞的化學成分

所有細胞都是由水、鹽類、核酸蛋白質脂質,以及其他各種微量物質如維生素、細胞代謝中間產物等組成的。水、鹽離子和某些維生素或與細胞中的大分子組成複合物,或者游離存在。不同細胞或不同的生物中,它們含量的差別往往很大。

細胞的結構

典型的動物細胞圖解顯示各個亞細胞組件。細胞器:⑴核仁細胞核核糖體
囊泡糙面內質網高爾機體細胞骨架
光面內質網粒線體液泡細胞質
溶酶體中心粒


主條目:細胞器

細胞是生物體的構造和生理的基本單位,卻不能因此認為所有的生物細胞都相同,即使在同一個個體內,也有因為分化而產生各式各樣外觀與功能不同的細胞,即使相同種類的細胞,也可能正在執行的生理工作也有差異,但是基本上彼此都有共同的基本構造。

細胞壁

分類在細菌、真菌、植物的生物,其組成的細胞都具有細胞壁(cell wall),而原生生物則有一部分的生物體具有此構造,但是動物沒有。細胞壁是由細胞質的分泌物構成,在電子顯微鏡的發明之後,有許多的研究因此可以讓人們知道,其成分與組成。而細胞壁可以保護細胞減少外界傷害、維持形狀,並且避免因為水分過多而脹破。

細胞膜

細胞膜(cell membrane)為細胞與環境之間以及胞器與細胞質之間的分界,能夠調節物質的進出,而膜上的蛋白質有許多種類,有的可以適時協助物質進出,有的能夠傳遞訊息,有的則負責防禦(免疫系統)的功能。

細胞質

細胞膜就像一個塑膠袋一樣,裝著滿滿的液狀、膠體狀的細胞質(cytoplasm),可粗略分為細胞質基質和胞器。細胞質含有維持生命現象所需要的基本物質,例如糖類脂質、蛋白質、與蛋白質合成有關的核糖核酸,因此也是整個細胞運作的主要場所,透過細胞膜外接收的訊息、細胞內部的物質,共同調節基因的表現,影響生理活動。另外,細胞質內部也有多種網狀構造,稱為細胞骨架,可以協助維持細胞形狀,也能引導內部物質的移動,一些細胞骨架會於細胞分裂時,形成可以透過染色而觀察的紡錘絲,有一些骨架更能幫助細胞運動。

細胞核

具有雙層膜的胞器,細胞核是橾控整個細胞的控掣站,主要攜帶遺傳物質(DNA),包括染色體(脫氧核糖核酸加上一些特殊的蛋白質)、核糖核酸等,核膜上有許多小孔稱做核孔,由數十種特殊的蛋白組成特別的構造,容許一些物質自由通過,但是分子量很大的核糖核酸、蛋白質就必須依賴這些蛋白輔助,以消耗能量的主動運輸,來往於細胞質跟細胞核之間。細胞分裂的期間可以看到細胞核中最顯著的構造——核仁,其組成為核糖體RNA,以及合成核糖體所需的蛋白質。除核仁外,細胞核中還有許多其它核細胞器,如柯浩體(Cajal body), PML體等。 有趣的是,有些細胞為了執行特別的工作而沒有細胞核:哺乳綱動物的紅血球,為了減少攜帶的氧氣被紅血球本身消耗,而成熟後就沒有細胞核;植物則以篩管、導管、假導管為了運輸功能,成熟後沒有細胞核。

內質網

有一部分的細胞核核膜會向細胞質延伸,形成許多相通的小管與囊袋,構成迷宮狀的網路,稱為內質網,部分內質網上附著著核糖體,稱為粗糙內質網(粗面內質網),其他的部分則稱為平滑內質網(滑面內質網)。而平滑內質網上有特殊的酶系統,負責合成脂質和膽固醇,也能夠氧化有毒物質以減低毒性,在肝臟協助可調節血糖,在肌肉細胞可儲存許多鈣離子協助肌肉收縮;粗糙內質網則和蛋白質的合成有密切關聯,附著在粗糙內質網的核糖體所製造的蛋白質,主要運送到膜上,或是分泌出細胞之外。

核糖體

負責合成蛋白質的胞器,由大、小兩個次單元組成,次單元之中有核糖體RNA和核糖體特有的蛋白質,在細胞質中,接受細胞核的遺傳訊息、細胞外的刺激訊息,以合成蛋白質,可分為游離核糖體與附著核糖體,前者所製造之蛋白質專用於細胞質內部(不含胞器內部),後者則先經過內質網腔修飾,以小囊泡運輸到高基氏體做進一步的分類與修飾,完成的蛋白質主要包裝在胞器之中、運到膜上、或是運出細胞之外。

高基氏體

高基氏體,又稱「高爾基體」,是好幾個扁平的囊袋相疊而成,而且有固定的方向性,彼此之間並不相通。主樣負責蛋白質的修飾、分類與輸送,從粗糙內質網合成的蛋白質被包在小囊泡中首先送到高基氏體,在這裡一些酶會將蛋白質修飾,例如加上一段特別的糖類標記,而許多脂質、糖類也會在這裡合成並且修飾,隨後再利用小囊泡往外運輸。

溶體

溶體,又稱「溶酶體」是單層膜的囊狀胞器,內部含有數十種從高基氏體送來的水解,這些酶(或是稱做酵素)在弱酸的環境之下(通常為PH值5.0)能有效分解生命所需的有機物質,許多透過細胞吞噬的物質,會先形成食泡,然後跟溶體融合併且進行消化。另外溶體也對老舊、損壞的胞器和細胞質進行分解,產生的小分子隨後可再次被細胞利用,一旦溶體破裂釋放出水解酶,細胞就會被分解,許多細胞凋亡的程序都與溶體有關,例如:蝌蚪變成青蛙尾巴的消失、人類胚胎手指的形成。

液胞(液泡)

這是另一種囊狀的單層膜胞器,在細胞中扮演不同角色,形狀可大可小。通常植物的液胞較大。在原生動物,例如草履蟲,液胞扮演伸縮泡的功能,將過多的水分收集並排出體外;大多數植物細胞液胞在細胞成熟後,佔有大部分的細胞體積,可以儲存水分、存放色素,有些種類植物的液胞更能夠協助光合作用的進行,另外液胞也有一個很大的功能:協助細胞往大體積的方向演化同時,能夠使得細胞質的表面積變大,有利物質交換。

粒線體

粒線體,又稱「粒線體」之所以如此稱呼,是因為在顯微鏡下有兩類主要的外觀,是一種雙層膜的胞器,外膜平滑,內膜則朝內部形成皺摺狀的構造稱為折襞,目的是為了增加生理作用的表面積,折襞之間充滿基質,其中有許多的代謝反應進行。整個粒線體主要協助細胞呼吸,並且產生細胞使用能量最直接的形式,三磷酸腺苷。特別的是粒線體有自己的遺傳分子,與細胞核的遺傳物質不同,只遺傳到這個胞器的子代胞器,而不是子代細胞,能夠讓粒線體自我分裂增殖,製造本身需要的一些蛋白質,但是仍有一些調節控制的過程受到細胞核的影響,更重要的是,粒線體基因只在母系遺傳,不遵守孟德爾遺傳律,有助於研究人類演化的研究。必須特別注意的是,粒「線」體不應該誤寫為粒「腺」體。

葉綠體

葉綠體也是雙層膜狀的胞器,跟粒線體類似的地方是,它也有自己的遺傳物質,能夠自己分裂增殖,自製本身所需的一蛋白質。主要的功能是吸收光能,轉變成化學能,並藉此將無機物(二氧化碳和水)合成為有機物(糖類),這個藉由光能產生營養物質的過程稱為光合作用,光表示光能,合表示合成。

動物細胞與植物細胞比較

動物細胞與植物細胞相比較,具有很多相似的地方,如動物細胞也具有細胞膜、細胞質、細胞核等結構。但是動物細胞與植物細胞又有一些重要的區別,如動物細胞的最外面是細胞膜,沒有細胞壁;動物細胞的細胞質中不含葉綠體,也不形成中央液泡。

細胞的增殖及調控

細胞周期亦稱有絲分裂周期(mitosis cycle),細胞生長到一定程度,不是繁殖就是死亡。細胞分裂後產生的新細胞生長增大,隨後又平均地分裂成兩個和原來母細胞「一樣」的子細胞,細胞這種生長與分裂的循環稱細胞周期。

較為普遍的細胞分裂方式為有絲分裂減數分裂,在生物的個體發育中,這兩種分裂方式交替發生,以保證生物種族的延續

細胞分化與基因表達

主條目:細胞分化

細胞分化(cell differentiation)是個體發育過程中細胞之間產生穩定差異的過程。所以,細胞分化是指同源細胞通過分裂,發生形態、結構與功能特徵穩定差異的過程。

細胞分化的實質是基因選擇性表達的結果,在個體發育過程中基因按照一定程序相繼活化的現象,稱為基因的差次表達(differential expression)或順序表達(Sequential expression) 。即在同一時間內不是所有的基因都具活性,而是有的有活性,有的無活性,有些細胞是這部分基因有活性,有些細胞則是另外一些基因有活性。

組織特異性基因和管家基因 一類是維持細胞最基本生命活動的基因,是所有一切細胞都需具備的,由此譯制基本生命活動所必需的結構和功能蛋白。這類基因稱「House-keeping gene」,譯為「管家基因」,它們與細胞分化關係不大。如編碼與細胞分裂、能量代謝、細胞基本建成有關的蛋白質的基因屬此類。另一類是譯制特異蛋白質的基因,與細胞的基本生存無直接關係,但與細胞分化關係密切,被稱為「Luxury gene」,譯為奢侈基因。

組合調控引發組織特異性基因的表達 弄清了細胞分化的實質,研究者們便把注意力集中到基因選擇表達的控制機理方面。除細胞核與細胞質的相互作用對細胞分化的影響外,包括環境在內的諸多因素均對細胞分化有重要的影響。

細胞衰老與凋亡

細胞衰老的研究只是整個衰老生物學老年學人類學)研究中的一部分。所謂衰老生物學(biology of senescence)(或稱老年學,gerontology)是研究生物衰老的現象、過程和規律。其任務是要揭示生物(人類)衰老的特徵,探索發生衰老的原因和機理,尋找推遲衰老的方法,根本目的在於延長生物(人類)的壽命。

多細胞有機體細胞,依壽命長短不同可劃分為兩類,即幹細胞功能細胞。幹細胞在整個一生都保持分裂能力,直到達到最高分裂次數便衰老死亡。如表皮生髮層細胞生血幹細胞等。

細胞死亡是細胞衰老的結果,是細胞生命現象的終止。包括急性死亡(細胞壞死)和程序化死亡(細胞凋亡)。細胞死亡最顯著的現象,是原生質的凝固。事實上細胞死亡是一個漸進過程,要決定一個細胞何時已死亡是較因難的。除非用固定液等人為因素瞬間使其死亡。那麼,怎樣鑒定一個細胞是否死亡了呢?通常採用活體染色法來鑒定。如用中性紅染色時,生活細胞只有液泡系染成紅色,如果染料擴散,細胞質和細胞核都染成紅色,則標誌這個細胞已死亡。

細胞凋亡(apoptosis)是一個主動的由基因決定的自動結束生命的過程,所以也常常被稱為程序化細胞死亡(programmed cell death,PCD)。凋亡細胞將被吞噬細胞吞噬。這一假說是基於Hayflick界限提出的:1961年Hayflick根據人胚胎細胞的傳代培養實驗提出。指細胞在發育的一定階段出現正常的自然死亡,它與細胞的病理死亡有根本的區別。細胞凋亡對於多細胞生物個體發育的正常進行,自穩平衡的保持以及抵禦外界各種因素的干擾方面都起著非常關鍵的作用。例如:蝌蚪尾的消失,骨髓的細胞凋亡,脊椎動物的神經系統的發育,發育過程中手和足的成形過程。

人體細胞之最

體內最大的細胞

體內最大的細胞有各種說法:(1)按細胞直徑而言,要數卵細胞,其直徑約200微米(1微米=1/1000毫米)。(2)以細胞長度來說,當之為骨骼肌細胞,長的可超過4厘米。(3)而以細胞突出的長度來劃分,當之無愧的是神經細胞(也稱神經元)。神經元的軸突長的可達1米以上。故神經元可稱之為體內最大的細胞了。它們的活動受機體神經體液因素的調節。

人體最小的細胞

人體最小的細胞是男子的精子。175000個精子細胞才抵得上一個卵細胞的重量。

粒線體最多的細胞

人體內粒線體最多的細胞是肝臟的肝細胞。每一個肝細胞內約有2000個粒線體。正常粒線體壽命為一周,粒線體可以通過分裂增生。粒線體的主要化學成分為蛋白質,約佔65%,其他成分為甘油脂卵磷脂腦磷脂膽固醇等。粒線體內含有多種(蛋白質),主要作用是為細胞功能活動不斷提供能量,細胞生命活動所必需的總能量中,大約有95%來自粒線體。肝細胞是體內生命活動最活躍的細胞。

溶酶體最多的細胞

溶酶體普遍存在於各種細胞中,不過數目不多,較粒線體為少得多。最多要數巨噬細胞,溶酶體內含有50多種水解酶。能夠消化細胞內衰老死亡的細胞器和吞噬進入細胞內的物質。因巨噬細胞具有很強吞噬和參與免疫應答作用。故溶酶體最多。

內質網最多的細胞

漿細胞是含有內質網最多的細胞。漿細胞是由B淋巴細胞在抗原刺激下分化增生而來的,是一種不再具有增殖分化能力的終末細胞。

壽命最長的細胞

細胞是在不斷生長繁殖之中,所以存在細胞壽命長短問題,這種長短,各類細胞差別也很大,如很多人知道的紅細胞壽命大約120天,而神經細胞的數量,出生時有多少以後就有多少,不能增加,可見神經細胞的壽命最長。

參看

參考

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