动物解剖学和生理学/细胞

目标

完成本节学习后，您应该了解：

细胞可以有不同的形状和大小
质膜、细胞质、核糖体、粗面内质网、光面内质网、线粒体、高尔基体、溶酶体、中心粒和细胞核的作用和功能
质膜的结构
物质通过被动和主动过程穿过质膜
被动过程包括扩散、渗透和协助扩散，主动过程包括主动运输、胞吞、吞噬和胞吐
低渗、高渗、等渗和溶血的含义
细胞核包含由 DNA 形成的染色体
有丝分裂是普通细胞分裂的方式
有丝分裂的主要阶段
减数分裂是形成卵子和精子时染色体数目减半的过程

细胞

细胞是生物体最基本的结构单位。细菌和导致疟疾的寄生虫由单个细胞组成，而植物和动物由数万亿个细胞组成。大多数细胞呈球形或立方形，但也有一些细胞具有各种形状（见图 3.1）。

大多数细胞非常小，需要显微镜才能看到，不过也有一些细胞（例如鸵鸟蛋）非常大，可以供几个人食用。

一个正常的细胞直径约为 0.02 毫米（0.02mm）。（这种小的距离通常用微米或 micron（μm）表示。请注意，每毫米有 1000 个 μm）。

当您用光学显微镜观察典型的动物细胞时，它看起来相当简单，只有几个结构可见（见图 3.2）。

可以看到三个主要部分：

一个外部的细胞膜（质膜），
一个称为细胞质的内部区域，以及
细胞核

然而，当您使用电子显微镜将放大倍数提高数千倍时，您会发现这些看似简单的结构实际上非常复杂，每个结构都有其专门的功能。例如，质膜被发现是双层结构，而细胞质包含许多称为细胞器（意为小器官）的特殊结构，这些结构将在下面介绍。用电子显微镜观察到的细胞示意图见图 3.3。

质膜

薄薄的质膜包围着细胞，将细胞内容物与周围环境隔开，并控制进入和离开细胞的物质。质膜由两种主要分子组成：磷脂（脂肪）和蛋白质。磷脂以双层结构排列，大的蛋白质分子散布在膜中（见图 3.4）。一些蛋白质分子在膜中形成微小的通道，而另一些蛋白质分子则帮助物质从膜的一侧运输到另一侧。

物质如何穿过质膜

物质需要穿过膜才能进入或离开细胞，它们以多种方式穿过膜。其中一些过程不需要能量，即它们是被动的，而另一些过程则需要能量，即它们是主动的。

被动过程包括：a) 扩散和 b) 渗透，而主动过程包括：c) 主动运输，d) 吞噬作用，e) 胞饮作用和 f) 胞吐作用。这些将在下面介绍。

a) 扩散

尽管您可能不知道，但您已经熟悉扩散过程。正是扩散导致房间一侧的气味（昂贵的香水或臭袜子）逐渐扩散到整个房间，从而可以在另一侧闻到。扩散发生在空气和液体中。

图 3.5 显示了将少量深紫色染料（高锰酸钾）放入盛水的烧杯中时发生的情况。染料分子扩散到水中，从高浓度区域移动到低浓度区域，直到它们均匀分布在整个烧杯中。

在体内，扩散导致细胞膜一侧浓度高的分子穿过膜移动，直到两侧浓度相等。发生这种情况是因为所有分子都具有固有的振动，导致它们移动和碰撞，直到它们均匀分布。这是一个完全自然的过程，不需要额外的能量。

氧气、二氧化碳、水和氨等小分子以及脂肪可以直接穿过膜的双脂层。上面提到的这些小分子以及各种带电粒子（离子）也通过蛋白质衬里的通道扩散。较大的分子（如葡萄糖）会附着在载体分子上，载体分子帮助它们穿过膜扩散。这称为协助扩散。

在动物体内，扩散对于肺和血液之间氧气和二氧化碳的移动、消化后的食物分子从肠道移动到血液以及从细胞中去除废物至关重要。

b) 渗透

虽然这个词可能不熟悉，但您几乎肯定熟悉渗透的作用。正是渗透导致浸泡在水中后干果膨胀，或者让枯萎的旧胡萝卜浸泡在水中后看起来几乎像新的一样。渗透实际上是指水穿过允许水通过但不允许较大分子通过的膜的扩散。这种膜称为半透膜。

看一下图 3.6 的A侧。它显示了一个容器，被一个人工半透膜隔开成两个部分。在一部分中倒入水，而在另一部分中倒入含有盐的溶液。水可以穿过膜，但盐不能。水通过扩散穿过半透膜，直到膜两侧的水量相等。这样做的结果是盐溶液被稀释，导致容器右侧液体的液面升高，看起来像图 3.6 的B侧。这种水穿过半透膜的运动称为渗透。这是一个完全自然的过程，不需要外部能量。

虽然在实践中很难做到，但想象一下，您现在可以使用活塞将B容器右侧的液体压下去，使其流回到半透膜，直到两侧的液面再次相等。如果您能够测量完成此操作所需的压力，那么这个压力就等于盐溶液的渗透压。（在这个阶段，这是一个相当高级的概念，但您将在本课程中学习液体平衡时再次遇到这个术语）。

细胞的细胞膜充当半透膜。例如，如果将红细胞置于水中，水会穿过膜，使膜两侧的水量相等（参见图 3.7）。这意味着水会进入细胞，导致细胞膨胀。这种现象可能会持续到细胞破裂释放其内容物。这种红细胞的破裂称为**溶血**。在这种情况下，当半透膜一侧的溶液浓度低于另一侧的溶液浓度时，第一个溶液被称为第二个溶液的**低渗溶液**。

现在考虑一下，如果将红细胞置于盐溶液中，该溶液的盐浓度高于细胞内的溶液（参见图 3.8）会发生什么。这种沐浴溶液被称为**高渗溶液**。在这种情况下，细胞内水的“浓度”将高于细胞外的浓度。渗透（水的扩散）将从细胞内部向外部溶液发生，导致细胞收缩。

含有 0.9% 盐的溶液与体液和红细胞内的溶液具有相同的浓度。置于这种溶液中的细胞既不会膨胀也不会收缩（参见图 3.9）。这种溶液被称为**等渗溶液**。这种浓度的盐溶液通常被称为**生理盐水**，用于补充动物的体液，或当红细胞等细胞需要悬浮在液体中时。

**记住** - 渗透是一种特殊的扩散。它是水分子穿过半透膜的扩散。这是一个完全被动的过程，不需要能量。

有时很难记住水分子向哪个方向移动。虽然在生物学意义上并非严格正确，但许多学生使用短语**“盐吸水”**来帮助他们记住当半透膜两侧存在两种不同盐浓度的溶液时，水向哪个方向移动。

正如我们所见，水通过渗透作用进出细胞。所有从肠道进入血液系统以及从血液毛细血管到细胞周围的液体（组织液或细胞外液）的水分移动都通过渗透作用发生。渗透作用在肾脏产生浓缩尿液中也很重要。

c) 主动运输

当物质从低浓度运输到高浓度，即逆着浓度梯度向上运输时，需要使用能量。这称为**主动运输**。

主动运输在维持神经细胞膜两侧钠离子和钾离子的不同浓度中很重要。它对从尿液中去除有价值的分子（如葡萄糖、氨基酸和钠离子）也很重要。

d) 吞噬作用

吞噬作用有时被称为“细胞吞噬”。它是一个需要能量的过程，由细胞用来将固体颗粒（如细菌）穿过细胞膜。来自细胞膜的指状突起包围细菌并将其吞噬，如图 3.10 所示。一旦进入细胞，细胞溶酶体（稍后描述）产生的酶就会破坏细菌。

白细胞通过吞噬作用破坏细菌和其他外来物质是机体防御机制的重要组成部分。

e) 胞饮作用

胞饮作用或“细胞饮用”与吞噬作用非常相似，但由细胞用来将液体穿过细胞膜。大多数细胞进行胞饮作用（注意图 3.3 中的胞饮小泡）。

f) 胞吐作用

胞吐作用是细胞中形成的物质通过细胞膜移动到细胞外部的液体（或细胞外液）的过程。它发生在所有细胞中，但在分泌细胞（例如产生消化酶的细胞）和神经细胞中最为重要。

细胞质

在细胞膜内是**细胞质**。它由一种叫做 a) **胞质溶胶**或**细胞内液**的透明胶状液体组成，其中含有 b) **细胞内含物**、c) **细胞器**以及 d) **微丝**和**微管**。

a) 胞质溶胶

胞质溶胶主要由水组成，其中溶解或悬浮着各种分子。这些分子包括蛋白质、脂肪和碳水化合物，以及钠、钾、钙和氯离子。细胞中发生的许多反应都在胞质溶胶中进行。

b) 细胞内含物

这些是细胞产生的脂肪、糖原和黑色素的大颗粒。它们通常大到可以用光学显微镜观察。例如，脂肪组织（如皮肤下的绝缘脂肪层）的细胞含有占细胞大部分体积的脂肪。

c) 细胞器

**细胞器**是细胞的“小器官” - 就像心脏、肾脏和肝脏是身体的器官一样。它们是具有特征性外观和特定“工作”的结构。大多数细胞器在光学显微镜下无法看到，因此只有在电子显微镜被发明后才被发现。细胞中的主要细胞器是**核糖体、内质网、线粒体、高尔基体**和**溶酶体**。如图 3.3 所示，在电子显微镜下观察到的含有这些细胞器的细胞。

核糖体

**核糖体**是微小的球形细胞器，通过将氨基酸连接在一起来制造蛋白质。许多核糖体游离于胞质溶胶中，而另一些则附着在粗面内质网上。核糖体是无膜细胞器（它们没有膜包围）。

内质网

**内质网 (ER)** 是一种膜网络，从细胞核到细胞膜在整个细胞质中形成通道。各种分子在内质网中合成，并在其通道中被运输到细胞的各个部位。内质网有两种类型：光面内质网和粗面内质网。

**光面内质网**是细胞中脂肪合成的场所，在某些细胞中，还参与失活酒精、杀虫剂和致癌分子等化学物质。

**粗面内质网**在其表面附着有核糖体。因此，粗面内质网的功能是制造蛋白质，这些蛋白质会被内质网修改、储存和运输（图 3.11）。

线粒体

**线粒体**（单数：线粒体）是散布在整个细胞质中的卵形或杆状细胞器。它们由两层膜组成，其中内膜折叠以增加其表面积。（图 3.12）

线粒体是细胞的“发电站”。它们通过“燃烧”葡萄糖等食物分子来产生能量。这个过程被称为**细胞呼吸**。该反应需要氧气并产生二氧化碳作为废物。这个过程非常复杂，涉及大量的步骤，但细胞呼吸的总字词方程式为 -

葡萄糖 + 氧气 = 二氧化碳 + 水 + 能量

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

**注意**，细胞呼吸不同于呼吸或呼吸。呼吸是空气吸入和呼出肺部的过程。呼吸对于为线粒体提供所需的氧气和去除细胞呼吸产生的二氧化碳废物至关重要。

肌肉、肝脏、肾脏和精子等活跃细胞含有大量的线粒体。

高尔基体

细胞中的**高尔基体**共同构成了**高尔基体**。高尔基体位于细胞核附近，由扁平的膜组成，这些膜像一堆盘子一样堆叠在一起（参见图 3.13）。高尔基体修改和分类内质网产生的蛋白质和脂肪，然后用膜将其包裹起来形成**小泡**，以便将其移动到细胞的其他部位。

溶酶体

**溶酶体**是含有消化酶的大型小泡。它们分解细菌和其他通过吞噬作用或胞饮作用进入细胞的物质。它们还会消化磨损或受损的细胞器，这些细胞器的成分可以被细胞回收以制造新的结构。

d) 微丝和微管

一些细胞可以移动并改变形状，细胞器和化学物质会在细胞内移动。称为 **微丝** 和 **微管** 的线状结构可以收缩，它们负责这种运动。

这些结构也形成了从质膜突出的称为 **鞭毛**（单数鞭毛），例如精子尾巴，以及 **纤毛**，它们位于呼吸道内壁，用于去除捕获灰尘颗粒的粘液（见第 4 章）。

微管还形成一对称为 **中心体** 的圆柱形结构，位于细胞核附近。它们有助于组织细胞分裂中使用的纺锤体。

细胞核

**细胞核** 是细胞中最大的结构，可以用光学显微镜观察到。它是一个球形或椭圆形结构，包含 **染色体**。细胞核控制细胞的发育和活动。大多数细胞都包含一个细胞核，尽管成熟的红细胞在发育过程中失去了它们的细胞核，一些肌肉细胞有多个细胞核。

与质膜结构相似的双层膜包围着细胞核（现在称为核膜）。核膜中的孔隙允许细胞核和细胞质之间进行通信。

在细胞核内，可以用光学显微镜观察到一个或多个更深色物质的球形结构。这些被称为 **核仁**，由 RNA 组成。它们的作用是制造新的核糖体。

染色体

细胞核内部是染色体，它们

包含 DNA；
控制细胞的活动；
在细胞分裂时从一个细胞传递到另一个细胞；
在有性生殖时，性细胞融合在一起传递给新个体。

在未分裂的细胞中，染色体非常长和细，呈深色颗粒状物质。当细胞即将分裂时，它们会变短变粗，这时就可以计数（见图 3.14）。

不同物种细胞中的染色体数量各不相同，但在任何一种物种的细胞中都是恒定的（例如，马有 64 条染色体，猫有 38 条，人类有 46 条）。染色体成对出现（即，马核中 32 对，猫核中 19 对）。每对中的成员在长度和形状上是相同的，如果你仔细观察图 3.15，你可能会看到人类染色体集中的一些对。

细胞分裂

**图 3.16**: 有丝分裂导致产生 2 个新的细胞，它们彼此相同，也与母细胞相同

动物生长、身体修复损伤以及产生精子和卵子（或卵细胞）时，细胞就会分裂。细胞分裂有两种类型：**有丝分裂** 和 **减数分裂**。

**有丝分裂**。这是动物生长以及组织修复或替换时发生的细胞分裂。它产生两个新的细胞（子细胞），每个子细胞都具有一套完整的染色体，这些染色体彼此相同，也与母细胞相同。因此，动物体内所有细胞都包含相同的 DNA。

**减数分裂**。这是产生有性生殖所需的卵子和精子的细胞分裂。它只发生在卵巢和睾丸中。

减数分裂最重要的功能是将染色体数量减半，这样当精子受精卵子时，染色体数量就会恢复正常。具有完整染色体组的体细胞称为 **二倍体** 细胞，而具有半数染色体的 **配子**（精子和卵子）称为 **单倍体** 细胞。

减数分裂比有丝分裂更复杂，因为它涉及两个连续的分裂，产生的四个细胞在基因上彼此不同，也与母细胞不同。

减数分裂形成的细胞在基因上彼此不同，也与母细胞不同，这一点可以从猫仔的一窝中看到，一窝中的所有猫仔彼此之间都不同，也与父母不同，尽管它们都表现出父母双方的特征。

细胞作为工厂

为了使细胞各部分的功能更容易理解和记忆，你可以将它们比作工厂。例如

细胞核 (1) 是工厂的总经理，参考蓝图（染色体）(2)；
线粒体 (3) 提供能量
核糖体 (4) 制造产品；
植物细胞中的叶绿体 (5) 提供燃料（食物）
高尔基体 (6) 将产品包装好，准备发货；
内质网 (7) 修改、储存和运输产品在工厂内；
质膜是工厂的围墙和大门 (8)；
溶酶体处理废物和磨损的机器。

细胞与工厂的比较

总结

细胞由三个部分组成：**质膜、细胞质** 和 **细胞核**。
物质通过 **扩散**（气体、脂类）、**渗透**（水）、**主动运输**（葡萄糖、离子）、**吞噬作用**（颗粒）、**胞饮作用**（液体）和 **胞吐作用**（颗粒和液体）穿过质膜。
**渗透** 是 **水** 通过 **半透膜** 的扩散。水从高水“浓度”向低水“浓度”扩散。
细胞质由 **胞质溶胶** 组成，其中悬浮着 **细胞内含物** 和 **细胞器**。
细胞器包括 **核糖体、内质网、线粒体、高尔基体** 和 **溶酶体**。
**细胞核** 控制细胞的活动。它包含由 **DNA** 组成的 **染色体**。
细胞通过 **有丝分裂** 和 **减数分裂** 分裂

练习题

有几个练习题可以帮助你理解和学习细胞知识。

自测

然后，你可以自测一下，看看你记住了多少内容。

1. 完成下面的表格

	需要能量	需要半透膜吗？	是否只移动水分子？	分子从高浓度到低浓度移动？	分子从低浓度到高浓度移动？
扩散	?	?	?	是	?
渗透	?	?	?	?	?
主动运输	?	是	?	?	是

2. 将红细胞置于 5% 的盐溶液中，它们会

膨胀/保持不变/收缩？

3. 将红细胞置于 0.9% 的盐溶液中，它们处于

低渗/等渗/高渗溶液中？

4. 白细胞通过吞噬细菌等异物来清除它们。这个过程被称为 …………………………

5. 将下面表格左侧的细胞器与其右侧的功能匹配起来。

细胞器	功能
a. 细胞核	1. 修改蛋白质和脂肪
b. 线粒体	2. 制造、修改和储存蛋白质
c. 高尔基体	3. 消化磨损的细胞器
d. 粗面内质网	4. 制造脂肪
e. 溶酶体	5. 控制细胞蛋白质的活动
f. 光面内质网	6. 产生能量

6. 导致生物体生长和修复组织的细胞分裂被称为

7. 产生精子和卵子的细胞分裂被称为

8. 你上面提到的两种细胞分裂类型之间有两个重要的区别，它们是

a.

b.

自测答案

网站

http://www.cellsalive.com/ 活细胞
活细胞提供了动物细胞的良好动画。
细胞维基百科
维基百科几乎可以满足你对细胞的所有需求。只需注意，这里的内容远远超出你的需要。
http://personal.tmlp.com/Jimr57/textbook/chapter3/chapter3.htm 虚拟细胞
虚拟细胞提供了许多（虚拟？）细胞器的精美图片。
http://www.wisc-online.com/objects/index_tj.asp?objid=AP11403 典型的动物细胞
很棒的互动式动物细胞。
http://www.wiley.com/college/apcentral/anatomydrill/ 解剖学练习
通过拖动标签来测试你的细胞知识。
http://www.maxanim.com/physiology/index.htm Max Animations
这里提供了扩散、渗透、协助扩散、内吞作用和外排作用以及溶酶体的发育和作用的精彩动画。比你需要的级别略高，但仍然不可错过。
http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/transport/diffusion.swf 扩散
扩散动画 - 良好清晰。
http://www.tvdsb.on.ca/westmin/science/sbi3a1/Cells/Osmosis.htm 渗透
一个简单易懂的渗透动画。
http://zoology.okstate.edu/zoo_lrc/biol1114/tutorials/Flash/Osmosis_Animation.htm 渗透
扩散和渗透。观察水和溶质分子的变化。
http://www.wisc-online.com/objects/index_tj.asp?objid=NUR4004 渗透压
进行一个在线实验来演示渗透和渗透压。
http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/transport/osmosis.swf 渗透
更好的渗透演示 - 你可以添加盐。

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