普通生物學/細胞/細胞結構
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什麼是細胞？“細胞”一詞來源於拉丁語“cella”，意思是“小房間”，最初是由顯微鏡觀察者在觀察軟木塞結構時命名的。細胞是所有生物體的基本單位，所有生物都由一個或多個細胞組成。事實上，細胞是生命研究中如此基礎和關鍵的一部分，以至於它們經常被稱為“生命的積木”。例如，細菌、變形蟲和酵母菌等生物體可能只由一個細胞組成，而一個典型的成年人則包含大約一萬億個細胞。
根據細胞理論，該理論最早由施萊登和施旺在1839年提出，所有生命都由細胞組成。該理論還指出，所有細胞都來自先前存在的活細胞，生物體的所有重要功能（化學反應）都在細胞內進行，並且細胞包含必要遺傳資訊來執行必要的功能並自我複製。它是人類生命的基石。
所有細胞都包含
- 脂質雙層邊界（質膜）
- 細胞質
- DNA（遺傳資訊）
- 蛋白質合成的核糖體
真核細胞還包含
- 至少一個細胞核
- 細胞呼吸和能量的線粒體
細胞還可能包含
- 溶酶體
- 過氧化物酶體
- 液泡
- 細胞壁
- 質膜
- 磷脂雙層，含有大量的蛋白質，最重要的功能如下
- 它選擇性地隔離了細胞內容物和外部大氣。
- 它調節細胞質和環境之間物質的交換。
- 與其他細胞交流。
- 流體鑲嵌模型
- 描述了質膜的結構，該模型由細胞生物學家 J. Singer 和 L. Nicholson 於 1972 年提出。
- 磷脂雙層
- 存在於質膜中，產生膜的流體部分。
- 蛋白質
- 長鏈氨基酸。
- 糖蛋白
- 質膜中的蛋白質與碳水化合物一起，主要位於細胞的外部。
- 蛋白質的功能
- 運輸氧氣，它們是頭髮和指甲的組成部分，並使細胞能夠與其環境相互作用。
- 轉運蛋白
- 調節水溶性分子透過質膜的運動。一些稱為通道蛋白的轉運蛋白在膜中形成孔或通道，以便水溶性分子透過。
- 載體蛋白
- 具有可以結合特定分子的結合位點。
- 受體蛋白
- 當特定分子結合時，它們會啟用細胞反應。
- 識別蛋白
- 它們作為識別標誌和細胞表面結合位點。
- 流體
- 任何可以移動或改變形狀的物質。
- 濃度
- 特定體積內分子的數量。
- 梯度
- 兩個空間區域之間的物理差異，以至於分子趨向於響應梯度而移動。
- 擴散
- 分子在流體中的運動，從高濃度區域到低濃度區域。
- 被動運輸
- 物質透過膜的運動，不需要使用能量。
- 簡單擴散
- 水、氣體或分子透過膜的擴散。
- 協助擴散
- 分子在蛋白質參與下透過膜的擴散。
- 滲透
- 水透過具有差異滲透性的膜的擴散。
- 需要能量的運輸
- 物質通常在濃度梯度相反方向上透過膜的運動，需要能量。
- 主動運輸
- 使用能量（ATP）移動小分子。
- 胞吞作用
- 使用能量將大顆粒移動到細胞內部。細胞包圍顆粒或液體。
- 胞飲作用
- （字面意思是細胞飲用）細胞攝入液體的形式。
- 吞噬作用
- 細胞的吞噬方式。在這種情況下，它以大顆粒或整個微生物為食。
- 偽足
- 假足（變形蟲）。
- 胞吐作用
- 使用能量將物質從細胞中移出。它排出廢物。
- 等滲
- 細胞內部的細胞質流體與外部相同。
- 高滲溶液
- 溶液中溶解的顆粒濃度高於細胞質，因此細胞中的水透過滲透作用流出。
- 低滲
- 溶解的顆粒濃度低於細胞質的溶液，因此水透過滲透作用進入細胞。
- 膨脹
- 液泡內水的壓力。
- 內質網
- 它是細胞膜合成的場所。
- 魯道夫·維爾肖
- 動物學家，他提出了細胞理論的假設，他觀察到活細胞可以生長並在同一時間出現在兩個地方，他提出所有細胞都來自其他相同的細胞，並提出了 3 個假設
- 每個生物體都是由一個或多個細胞組成的
- 最小的生物體是單細胞的，而這些生物體又是多細胞生物體的功能單位。
- 所有細胞都來自先前存在的細胞。
- 分子成分
- 蛋白質、氨基酸、脂質、糖類、DNA、RNA。
- 結構成分
- 質膜、細胞質、核糖體。
- 羅伯特·胡克
- 他首次提出“細胞”一詞。
- 原核生物
- 它們的遺傳物質沒有被膜包裹，例如細菌。
- 真核生物
- 它們的遺傳物質包含在由膜包圍的細胞核中。
光學顯微鏡最早發明於 17 世紀。此後不久，科學家們開始檢查活體和死亡的生物組織，以便更好地瞭解生命科學。那個時期一些最相關的發現里程碑包括
- 顯微鏡的發明，使科學家們首次能夠看到生物細胞
- 羅伯特·胡克在 1665 年用顯微鏡觀察軟木塞，並描述了他稱為軟木塞“細胞”的東西
- 安東尼·範·列文虎克稱他在顯微鏡下看到的單細胞生物為“微生物”
- 植物學家馬蒂亞斯·雅各布·施萊登在 1838 年確定所有植物都由細胞組成
- 動物學家西奧多·施旺在 1839 年確定所有動物都由細胞組成
- 魯道夫·維爾肖提出了所有細胞都來自先前存在的細胞的理論
1838 年，植物學家馬蒂亞斯·雅各布·施萊登和生理學家西奧多·施旺發現植物細胞和動物細胞都有細胞核。基於他們的觀察，兩位科學家提出了一個假設，即所有生物體都是由細胞組成的。1839 年，施旺出版了“關於植物和動物結構和生長一致性的顯微鏡研究”，其中包含了他們共同的細胞理論的第一個宣告。
施萊登和施旺最初提出細胞起源於自然發生，但自然發生後來被證偽。魯道夫·維爾肖（Rudolf Virchow）提出了著名的“Omnis cellula e cellula”——“所有細胞都來自先前存在的細胞”。然而，該理論中與細胞起源無關的部分經受住了科學檢驗，並得到當今科學界的普遍認可。
現代細胞理論中普遍接受的部分如下：（1）細胞是生物體結構和功能的基本單位。（2）所有生物體都是由一個或多個細胞組成的。（3）細胞透過細胞分裂從其他細胞產生。（4）細胞攜帶遺傳物質，在細胞分裂過程中傳遞給子細胞。（5）所有細胞在化學成分上基本相同。（6）能量流動（代謝和生物化學）發生在細胞內。
- 允許更高的解析度，可以看到更精細的細節
- 眼睛：解析度約為 100 μm
- 光學顯微鏡：解析度約為 200 nm
- 僅限於細胞或細胞內較大的細胞器
- 共聚焦顯微鏡：二維檢視
- 電子顯微鏡：解析度約為 0.2 nm
- 雷射鑷：移動細胞內容物
人們可能會好奇為什麼所有細胞都如此小。如果能夠儲存營養物質對細胞有利，為什麼自然界中不存在擁有巨大細胞的動物？物理限制阻止了這種情況發生。細胞必須能夠將氣體和營養物質擴散進出細胞。細胞的表面積增長速度沒有體積增長速度快，因此，一個大細胞可能需要比它能夠合理地執行的更多的物質輸入或物質輸出。更糟糕的是，細胞內兩點之間的距離可能足夠大，以至於細胞的某些區域難以相互交流，並且物質需要相當長的時間才能穿過細胞。
這並不是說不存在大細胞。它們在自身內部及其環境之間交換物質的效率再次較低，但它們仍然可以正常運作。這些細胞通常有多個遺傳資訊的副本，因此它們可以在細胞的不同部位區域性製造蛋白質。
關鍵概念：細胞大小
真核細胞具有膜包圍的核，包含兩個或多個線性 染色體；許多膜結合的細胞質細胞器：線粒體、粗麵內質網、光面內質網、溶酶體、液泡、葉綠體；核糖體和 細胞骨架。此外，植物、真菌和一些原生生物具有細胞壁。
細胞核是細胞中圓形的物體，包含細胞的遺傳資訊（DNA）。它被核膜包圍，內部有一個核仁。
核膜
[細胞膜]核膜是雙層 細胞膜，類似於細胞膜，但沒有膜蛋白。為了允許某些化學物質進入細胞核，核膜具有稱為 核孔 的結構。核膜與內質網相連。
核仁在顯微鏡下看起來像細胞核內的一個小而暗的區域。核仁是 DNA轉錄 活動高的地方。
染色體由 染色質 組成。染色質是由DNA鏈組成的，如果伸展開來，通常可以達到幾釐米長。這個DNA纏繞在一個 組蛋白 核心上，並組織成 核小體。
為了進行 基因表達 和 複製，染色質 必須解開。染色體顯微照片
內質網 是一種細胞 細胞器，由一系列延伸的摺疊的細胞內膜組成。它與核膜相連。
內質網主要有兩種型別
蛋白質由核糖體上生長中的 多肽 的訊號序列引導到粗麵內質網。這種訊號序列被訊號識別顆粒識別，訊號識別顆粒將核糖體/多肽複合體帶到粗麵內質網上的一個稱為轉運子的通道上。在轉運子處，訊號序列和核糖體/多肽複合體與轉運子相互作用，開啟它。訊號序列會附著到轉運子上。核糖體可以繼續將多肽翻譯到粗麵內質網的腔內。隨著合成的繼續，會發生兩個過程。
- 如果蛋白質註定要成為一個膜結合蛋白，那麼蛋白質合成將持續到終止。然後核糖體可以解離，允許蛋白質在粗麵內質網腔內摺疊，並繼續到高爾基體進行多肽的加工。
- 如果蛋白質註定要儲存起來，以便在刺激後分泌，或者持續分泌，那麼蛋白酶——一種在肽鍵處切割蛋白質的酶——可以將訊號序列從生長中的多肽上切割下來。然後可以繼續到高爾基體等。
蛋白質合成完成後，會轉運到幾個位置中的一個。蛋白質要麼被修飾用於細胞外膜插入，要麼被分泌。請注意，這與不與粗麵內質網相關的核糖體形成對比，例如，不與粗麵內質網相關的核糖體合成將成為細胞溶質酶的蛋白質。
光面內質網產生用於脂類和碳水化合物生物合成以及解毒的 酶 粗麵內質網
肌漿網是某些型別肌肉細胞（尤其是橫紋肌、骨骼肌）中特化的內質網形式。它的主要功能與其他兩種型別不同，主要充當鈣的儲存庫。這種網狀結構具有電壓門控通道，這些通道響應來自“運動神經元”的訊號，從而開啟並釋放鈣進入細胞質。這可以引發肌肉收縮的下一階段。
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圖 1 : 細胞核、內質網和高爾基體的影像。
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高爾基體由多個雙脂膜堆疊而成。
- 在 RER 上合成的蛋白質被修飾然後分類。
- 分泌囊泡的形成。
- 溶酶體的形成（細胞內消化）。
其他膜結合的細胞質細胞器包括
核糖體是蛋白質合成的場所。核糖體本身是在細胞核仁中合成的，結構為兩個亞基，即大亞基和小亞基。這些部分由 RNA 和蛋白質組成。
原核生物和真核生物的核糖體不同，真核生物的核糖體更大、更復雜。
線粒體
- 雙層膜。
- 有氧代謝，內膜。
- DNA，核糖體。
- 產生新的線粒體。
- 雙層膜。
- 光合作用，內膜。
- DNA，核糖體。
- 產生新的葉綠體。
細胞骨架是不同蛋白質絲的總稱，這些蛋白質絲可以賦予細胞內部物理形狀，並負責細胞器可以沿著其移動的“道路”。
- 賦予細胞形狀。
- 錨定其他細胞器。
- 對細胞內大分子運輸至關重要。
細胞骨架由 3 種主要型別的絲組成。
肌動蛋白和微管都可能與相關的馬達蛋白有關聯。
這些是繩狀絲，直徑 8-10 nm，往往賦予細胞結構穩定性。例如，波形蛋白、神經絲和角蛋白。角蛋白是構成頭髮、指甲和角的主要成分。
這些絲是雙鏈的，由稱為 G-肌動蛋白的二聚體亞基組成。為了結合（聚合），它們含有 GTP 分子。當 GTP 水解時，結構變得不穩定，併發生解聚。肌動蛋白絲的生長與濃度相關 - 也就是說，遊離 G-肌動蛋白的濃度越高，聚合作用就越快。它們也是極性的，具有 + 和 - 末端（與電荷無關），並且聚合作用往往在 + 末端發生得更快。
纖毛和鞭毛是延伸出細胞外部的微管絲，用於移動單細胞生物，以及從細胞表面移動物質。馬達蛋白 - 移動，波動運動