動物解剖學和生理學/細胞

目標

完成本節學習後，您應該瞭解：

細胞可以有不同的形狀和大小
質膜、細胞質、核糖體、粗麵內質網、光面內質網、線粒體、高爾基體、溶酶體、中心粒和細胞核的作用和功能
質膜的結構
物質透過被動和主動過程穿過質膜
被動過程包括擴散、滲透和協助擴散，主動過程包括主動運輸、胞吞、吞噬和胞吐
低滲、高滲、等滲和溶血的含義
細胞核包含由 DNA 形成的染色體
有絲分裂是普通細胞分裂的方式
有絲分裂的主要階段
減數分裂是形成卵子和精子時染色體數目減半的過程

細胞

細胞是生物體最基本的結構單位。細菌和導致瘧疾的寄生蟲由單個細胞組成，而植物和動物由數萬億個細胞組成。大多數細胞呈球形或立方形，但也有一些細胞具有各種形狀（見圖 3.1）。

大多數細胞非常小，需要顯微鏡才能看到，不過也有一些細胞（例如鴕鳥蛋）非常大，可以供幾個人食用。

一個正常的細胞直徑約為 0.02 毫米（0.02mm）。（這種小的距離通常用微米或 micron（μm）表示。請注意，每毫米有 1000 個 μm）。

當您用光學顯微鏡觀察典型的動物細胞時，它看起來相當簡單，只有幾個結構可見（見圖 3.2）。

可以看到三個主要部分：

一個外部的細胞膜（質膜），
一個稱為細胞質的內部區域，以及
細胞核

然而，當您使用電子顯微鏡將放大倍數提高數千倍時，您會發現這些看似簡單的結構實際上非常複雜，每個結構都有其專門的功能。例如，質膜被發現是雙層結構，而細胞質包含許多稱為細胞器（意為小器官）的特殊結構，這些結構將在下面介紹。用電子顯微鏡觀察到的細胞示意圖見圖 3.3。

質膜

薄薄的質膜包圍著細胞，將細胞內容物與周圍環境隔開，並控制進入和離開細胞的物質。質膜由兩種主要分子組成：磷脂（脂肪）和蛋白質。磷脂以雙層結構排列，大的蛋白質分子散佈在膜中（見圖 3.4）。一些蛋白質分子在膜中形成微小的通道，而另一些蛋白質分子則幫助物質從膜的一側運輸到另一側。

物質如何穿過質膜

物質需要穿過膜才能進入或離開細胞，它們以多種方式穿過膜。其中一些過程不需要能量，即它們是被動的，而另一些過程則需要能量，即它們是主動的。

被動過程包括：a) 擴散和 b) 滲透，而主動過程包括：c) 主動運輸，d) 吞噬作用，e) 胞飲作用和 f) 胞吐作用。這些將在下面介紹。

a) 擴散

儘管您可能不知道，但您已經熟悉擴散過程。正是擴散導致房間一側的氣味（昂貴的香水或臭襪子）逐漸擴散到整個房間，從而可以在另一側聞到。擴散發生在空氣和液體中。

圖 3.5 顯示了將少量深紫色染料（高錳酸鉀）放入盛水的燒杯中時發生的情況。染料分子擴散到水中，從高濃度區域移動到低濃度區域，直到它們均勻分佈在整個燒杯中。

在體內，擴散導致細胞膜一側濃度高的分子穿過膜移動，直到兩側濃度相等。發生這種情況是因為所有分子都具有固有的振動，導致它們移動和碰撞，直到它們均勻分佈。這是一個完全自然的過程，不需要額外的能量。

氧氣、二氧化碳、水和氨等小分子以及脂肪可以直接穿過膜的雙脂層。上面提到的這些小分子以及各種帶電粒子（離子）也透過蛋白質襯裡的通道擴散。較大的分子（如葡萄糖）會附著在載體分子上，載體分子幫助它們穿過膜擴散。這稱為協助擴散。

在動物體內，擴散對於肺和血液之間氧氣和二氧化碳的移動、消化後的食物分子從腸道移動到血液以及從細胞中去除廢物至關重要。

b) 滲透

雖然這個詞可能不熟悉，但您幾乎肯定熟悉滲透的作用。正是滲透導致浸泡在水中後乾果膨脹，或者讓枯萎的舊胡蘿蔔浸泡在水中後看起來幾乎像新的一樣。滲透實際上是指水穿過允許水透過但不允許較大分子透過的膜的擴散。這種膜稱為半透膜。

看一下圖 3.6 的A側。它顯示了一個容器，被一個人工半透膜隔開成兩個部分。在一部分中倒入水，而在另一部分中倒入含有鹽的溶液。水可以穿過膜，但鹽不能。水透過擴散穿過半透膜，直到膜兩側的水量相等。這樣做的結果是鹽溶液被稀釋，導致容器右側液體的液麵升高，看起來像圖 3.6 的B側。這種水穿過半透膜的運動稱為滲透。這是一個完全自然的過程，不需要外部能量。

雖然在實踐中很難做到，但想象一下，您現在可以使用活塞將B容器右側的液體壓下去，使其流回到半透膜，直到兩側的液麵再次相等。如果您能夠測量完成此操作所需的壓力，那麼這個壓力就等於鹽溶液的滲透壓。（在這個階段，這是一個相當高階的概念，但您將在本課程中學習液體平衡時再次遇到這個術語）。

細胞的細胞膜充當半透膜。例如，如果將紅細胞置於水中，水會穿過膜，使膜兩側的水量相等（參見圖 3.7）。這意味著水會進入細胞，導致細胞膨脹。這種現象可能會持續到細胞破裂釋放其內容物。這種紅細胞的破裂稱為**溶血**。在這種情況下，當半透膜一側的溶液濃度低於另一側的溶液濃度時，第一個溶液被稱為第二個溶液的**低滲溶液**。

現在考慮一下，如果將紅細胞置於鹽溶液中，該溶液的鹽濃度高於細胞內的溶液（參見圖 3.8）會發生什麼。這種沐浴溶液被稱為**高滲溶液**。在這種情況下，細胞內水的“濃度”將高於細胞外的濃度。滲透（水的擴散）將從細胞內部向外部溶液發生，導致細胞收縮。

含有 0.9% 鹽的溶液與體液和紅細胞內的溶液具有相同的濃度。置於這種溶液中的細胞既不會膨脹也不會收縮（參見圖 3.9）。這種溶液被稱為**等滲溶液**。這種濃度的鹽溶液通常被稱為**生理鹽水**，用於補充動物的體液，或當紅細胞等細胞需要懸浮在液體中時。

**記住** - 滲透是一種特殊的擴散。它是水分子穿過半透膜的擴散。這是一個完全被動的過程，不需要能量。

有時很難記住水分子向哪個方向移動。雖然在生物學意義上並非嚴格正確，但許多學生使用短語**“鹽吸水”**來幫助他們記住當半透膜兩側存在兩種不同鹽濃度的溶液時，水向哪個方向移動。

正如我們所見，水透過滲透作用進出細胞。所有從腸道進入血液系統以及從血液毛細血管到細胞周圍的液體（組織液或細胞外液）的水分移動都透過滲透作用發生。滲透作用在腎臟產生濃縮尿液中也很重要。

c) 主動運輸

當物質從低濃度運輸到高濃度，即逆著濃度梯度向上運輸時，需要使用能量。這稱為**主動運輸**。

主動運輸在維持神經細胞膜兩側鈉離子和鉀離子的不同濃度中很重要。它對從尿液中去除有價值的分子（如葡萄糖、氨基酸和鈉離子）也很重要。

d) 吞噬作用

吞噬作用有時被稱為“細胞吞噬”。它是一個需要能量的過程，由細胞用來將固體顆粒（如細菌）穿過細胞膜。來自細胞膜的指狀突起包圍細菌並將其吞噬，如圖 3.10 所示。一旦進入細胞，細胞溶酶體（稍後描述）產生的酶就會破壞細菌。

白細胞透過吞噬作用破壞細菌和其他外來物質是機體防禦機制的重要組成部分。

e) 胞飲作用

胞飲作用或“細胞飲用”與吞噬作用非常相似，但由細胞用來將液體穿過細胞膜。大多數細胞進行胞飲作用（注意圖 3.3 中的胞飲小泡）。

f) 胞吐作用

胞吐作用是細胞中形成的物質透過細胞膜移動到細胞外部的液體（或細胞外液）的過程。它發生在所有細胞中，但在分泌細胞（例如產生消化酶的細胞）和神經細胞中最為重要。

細胞質

在細胞膜內是**細胞質**。它由一種叫做 a) **胞質溶膠**或**細胞內液**的透明膠狀液體組成，其中含有 b) **細胞內含物**、c) **細胞器**以及 d) **微絲**和**微管**。

a) 胞質溶膠

胞質溶膠主要由水組成，其中溶解或懸浮著各種分子。這些分子包括蛋白質、脂肪和碳水化合物，以及鈉、鉀、鈣和氯離子。細胞中發生的許多反應都在胞質溶膠中進行。

b) 細胞內含物

這些是細胞產生的脂肪、糖原和黑色素的大顆粒。它們通常大到可以用光學顯微鏡觀察。例如，脂肪組織（如皮膚下的絕緣脂肪層）的細胞含有佔細胞大部分體積的脂肪。

c) 細胞器

**細胞器**是細胞的“小器官” - 就像心臟、腎臟和肝臟是身體的器官一樣。它們是具有特徵性外觀和特定“工作”的結構。大多數細胞器在光學顯微鏡下無法看到，因此只有在電子顯微鏡被髮明後才被發現。細胞中的主要細胞器是**核糖體、內質網、線粒體、高爾基體**和**溶酶體**。如圖 3.3 所示，在電子顯微鏡下觀察到的含有這些細胞器的細胞。

核糖體

**核糖體**是微小的球形細胞器，透過將氨基酸連線在一起來製造蛋白質。許多核糖體遊離於胞質溶膠中，而另一些則附著在粗麵內質網上。核糖體是無膜細胞器（它們沒有膜包圍）。

內質網

**內質網 (ER)** 是一種膜網路，從細胞核到細胞膜在整個細胞質中形成通道。各種分子在內質網中合成，並在其通道中被運輸到細胞的各個部位。內質網有兩種型別：光面內質網和粗麵內質網。

**光面內質網**是細胞中脂肪合成的場所，在某些細胞中，還參與失活酒精、殺蟲劑和致癌分子等化學物質。

**粗麵內質網**在其表面附著有核糖體。因此，粗麵內質網的功能是製造蛋白質，這些蛋白質會被內質網修改、儲存和運輸（圖 3.11）。

線粒體

**線粒體**（單數：線粒體）是散佈在整個細胞質中的卵形或桿狀細胞器。它們由兩層膜組成，其中內膜摺疊以增加其表面積。（圖 3.12）

線粒體是細胞的“發電站”。它們透過“燃燒”葡萄糖等食物分子來產生能量。這個過程被稱為**細胞呼吸**。該反應需要氧氣併產生二氧化碳作為廢物。這個過程非常複雜，涉及大量的步驟，但細胞呼吸的總字詞方程式為 -

葡萄糖 + 氧氣 = 二氧化碳 + 水 + 能量

**或 C₆H₁₂O₆ + 6O₂** = **6CO₂** + ** 6H₂O** + **energy**

**注意**，細胞呼吸不同於呼吸或呼吸。呼吸是空氣吸入和撥出肺部的過程。呼吸對於為線粒體提供所需的氧氣和去除細胞呼吸產生的二氧化碳廢物至關重要。

肌肉、肝臟、腎臟和精子等活躍細胞含有大量的線粒體。

高爾基體

細胞中的**高爾基體**共同構成了**高爾基體**。高爾基體位於細胞核附近，由扁平的膜組成，這些膜像一堆盤子一樣堆疊在一起（參見圖 3.13）。高爾基體修改和分類內質網產生的蛋白質和脂肪，然後用膜將其包裹起來形成**小泡**，以便將其移動到細胞的其他部位。

溶酶體

**溶酶體**是含有消化酶的大型小泡。它們分解細菌和其他透過吞噬作用或胞飲作用進入細胞的物質。它們還會消化磨損或受損的細胞器，這些細胞器的成分可以被細胞回收以製造新的結構。

d) 微絲和微管

一些細胞可以移動並改變形狀，細胞器和化學物質會在細胞內移動。稱為 **微絲** 和 **微管** 的線狀結構可以收縮，它們負責這種運動。

這些結構也形成了從質膜突出的稱為 **鞭毛**（單數鞭毛），例如精子尾巴，以及 **纖毛**，它們位於呼吸道內壁，用於去除捕獲灰塵顆粒的粘液（見第 4 章）。

微管還形成一對稱為 **中心體** 的圓柱形結構，位於細胞核附近。它們有助於組織細胞分裂中使用的紡錘體。

細胞核

**細胞核** 是細胞中最大的結構，可以用光學顯微鏡觀察到。它是一個球形或橢圓形結構，包含 **染色體**。細胞核控制細胞的發育和活動。大多數細胞都包含一個細胞核，儘管成熟的紅細胞在發育過程中失去了它們的細胞核，一些肌肉細胞有多個細胞核。

與質膜結構相似的雙層膜包圍著細胞核（現在稱為核膜）。核膜中的孔隙允許細胞核和細胞質之間進行通訊。

在細胞核內，可以用光學顯微鏡觀察到一個或多個更深色物質的球形結構。這些被稱為 **核仁**，由 RNA 組成。它們的作用是製造新的核糖體。

染色體

細胞核內部是染色體，它們

包含 DNA；
控制細胞的活動；
在細胞分裂時從一個細胞傳遞到另一個細胞；
在有性生殖時，性細胞融合在一起傳遞給新個體。

在未分裂的細胞中，染色體非常長和細，呈深色顆粒狀物質。當細胞即將分裂時，它們會變短變粗，這時就可以計數（見圖 3.14）。

不同物種細胞中的染色體數量各不相同，但在任何一種物種的細胞中都是恆定的（例如，馬有 64 條染色體，貓有 38 條，人類有 46 條）。染色體成對出現（即，馬核中 32 對，貓核中 19 對）。每對中的成員在長度和形狀上是相同的，如果你仔細觀察圖 3.15，你可能會看到人類染色體集中的一些對。

細胞分裂

**圖 3.16**: 有絲分裂導致產生 2 個新的細胞，它們彼此相同，也與母細胞相同

動物生長、身體修復損傷以及產生精子和卵子（或卵細胞）時，細胞就會分裂。細胞分裂有兩種型別：**有絲分裂** 和 **減數分裂**。

**有絲分裂**。這是動物生長以及組織修復或替換時發生的細胞分裂。它產生兩個新的細胞（子細胞），每個子細胞都具有一套完整的染色體，這些染色體彼此相同，也與母細胞相同。因此，動物體內所有細胞都包含相同的 DNA。

**減數分裂**。這是產生有性生殖所需的卵子和精子的細胞分裂。它只發生在卵巢和睪丸中。

減數分裂最重要的功能是將染色體數量減半，這樣當精子受精卵子時，染色體數量就會恢復正常。具有完整染色體組的體細胞稱為 **二倍體** 細胞，而具有半數染色體的 **配子**（精子和卵子）稱為 **單倍體** 細胞。

減數分裂比有絲分裂更復雜，因為它涉及兩個連續的分裂，產生的四個細胞在基因上彼此不同，也與母細胞不同。

減數分裂形成的細胞在基因上彼此不同，也與母細胞不同，這一點可以從貓仔的一窩中看到，一窩中的所有貓仔彼此之間都不同，也與父母不同，儘管它們都表現出父母雙方的特徵。

細胞作為工廠

為了使細胞各部分的功能更容易理解和記憶，你可以將它們比作工廠。例如

細胞核 (1) 是工廠的總經理，參考藍圖（染色體）(2)；
線粒體 (3) 提供能量
核糖體 (4) 製造產品；
植物細胞中的葉綠體 (5) 提供燃料（食物）
高爾基體 (6) 將產品包裝好，準備發貨；
內質網 (7) 修改、儲存和運輸產品在工廠內；
質膜是工廠的圍牆和大門 (8)；
溶酶體處理廢物和磨損的機器。

細胞與工廠的比較

總結

細胞由三個部分組成：**質膜、細胞質** 和 **細胞核**。
物質透過 **擴散**（氣體、脂類）、**滲透**（水）、**主動運輸**（葡萄糖、離子）、**吞噬作用**（顆粒）、**胞飲作用**（液體）和 **胞吐作用**（顆粒和液體）穿過質膜。
**滲透** 是 **水** 透過 **半透膜** 的擴散。水從高水“濃度”向低水“濃度”擴散。
細胞質由 **胞質溶膠** 組成，其中懸浮著 **細胞內含物** 和 **細胞器**。
細胞器包括 **核糖體、內質網、線粒體、高爾基體** 和 **溶酶體**。
**細胞核** 控制細胞的活動。它包含由 **DNA** 組成的 **染色體**。
細胞透過 **有絲分裂** 和 **減數分裂** 分裂

練習題

有幾個練習題可以幫助你理解和學習細胞知識。

自測

然後，你可以自測一下，看看你記住了多少內容。

1. 完成下面的表格

	需要能量	需要半透膜嗎？	是否只移動水分子？	分子從高濃度到低濃度移動？	分子從低濃度到高濃度移動？
擴散	?	?	?	是	?
滲透	?	?	?	?	?
主動運輸	?	是	?	?	是

2. 將紅細胞置於 5% 的鹽溶液中，它們會

膨脹/保持不變/收縮？

3. 將紅細胞置於 0.9% 的鹽溶液中，它們處於

低滲/等滲/高滲溶液中？

4. 白細胞透過吞噬細菌等異物來清除它們。這個過程被稱為 …………………………

5. 將下面表格左側的細胞器與其右側的功能匹配起來。

細胞器	功能
a. 細胞核	1. 修改蛋白質和脂肪
b. 線粒體	2. 製造、修改和儲存蛋白質
c. 高爾基體	3. 消化磨損的細胞器
d. 粗麵內質網	4. 製造脂肪
e. 溶酶體	5. 控制細胞蛋白質的活動
f. 光面內質網	6. 產生能量

6. 導致生物體生長和修復組織的細胞分裂被稱為

7. 產生精子和卵子的細胞分裂被稱為

8. 你上面提到的兩種細胞分裂型別之間有兩個重要的區別，它們是

a.

b.

自測答案

網站

http://www.cellsalive.com/ 活細胞
活細胞提供了動物細胞的良好動畫。
細胞維基百科
維基百科幾乎可以滿足你對細胞的所有需求。只需注意，這裡的內容遠遠超出你的需要。
http://personal.tmlp.com/Jimr57/textbook/chapter3/chapter3.htm 虛擬細胞
虛擬細胞提供了許多（虛擬？）細胞器的精美圖片。
http://www.wisc-online.com/objects/index_tj.asp?objid=AP11403 典型的動物細胞
很棒的互動式動物細胞。
http://www.wiley.com/college/apcentral/anatomydrill/ 解剖學練習
透過拖動標籤來測試你的細胞知識。
http://www.maxanim.com/physiology/index.htm Max Animations
這裡提供了擴散、滲透、協助擴散、內吞作用和外排作用以及溶酶體的發育和作用的精彩動畫。比你需要的級別略高，但仍然不可錯過。
http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/transport/diffusion.swf 擴散
擴散動畫 - 良好清晰。
http://www.tvdsb.on.ca/westmin/science/sbi3a1/Cells/Osmosis.htm 滲透
一個簡單易懂的滲透動畫。
http://zoology.okstate.edu/zoo_lrc/biol1114/tutorials/Flash/Osmosis_Animation.htm 滲透
擴散和滲透。觀察水和溶質分子的變化。
http://www.wisc-online.com/objects/index_tj.asp?objid=NUR4004 滲透壓
進行一個線上實驗來演示滲透和滲透壓。
http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/transport/osmosis.swf 滲透
更好的滲透演示 - 你可以新增鹽。

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