普通生物学/细胞/细胞结构
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什么是细胞？“细胞”一词来源于拉丁语“cella”，意思是“小房间”，最初是由显微镜观察者在观察软木塞结构时命名的。细胞是所有生物体的基本单位，所有生物都由一个或多个细胞组成。事实上，细胞是生命研究中如此基础和关键的一部分，以至于它们经常被称为“生命的积木”。例如，细菌、变形虫和酵母菌等生物体可能只由一个细胞组成，而一个典型的成年人则包含大约一万亿个细胞。
根据细胞理论，该理论最早由施莱登和施旺在1839年提出，所有生命都由细胞组成。该理论还指出，所有细胞都来自先前存在的活细胞，生物体的所有重要功能（化学反应）都在细胞内进行，并且细胞包含必要遗传信息来执行必要的功能并自我复制。它是人类生命的基石。
所有细胞都包含
- 脂质双层边界（质膜）
- 细胞质
- DNA（遗传信息）
- 蛋白质合成的核糖体
真核细胞还包含
- 至少一个细胞核
- 细胞呼吸和能量的线粒体
细胞还可能包含
- 溶酶体
- 过氧化物酶体
- 液泡
- 细胞壁
- 质膜
- 磷脂双层，含有大量的蛋白质，最重要的功能如下
- 它选择性地隔离了细胞内容物和外部大气。
- 它调节细胞质和环境之间物质的交换。
- 与其他细胞交流。
- 流体镶嵌模型
- 描述了质膜的结构，该模型由细胞生物学家 J. Singer 和 L. Nicholson 于 1972 年提出。
- 磷脂双层
- 存在于质膜中，产生膜的流体部分。
- 蛋白质
- 长链氨基酸。
- 糖蛋白
- 质膜中的蛋白质与碳水化合物一起，主要位于细胞的外部。
- 蛋白质的功能
- 运输氧气，它们是头发和指甲的组成部分，并使细胞能够与其环境相互作用。
- 转运蛋白
- 调节水溶性分子通过质膜的运动。一些称为通道蛋白的转运蛋白在膜中形成孔或通道，以便水溶性分子通过。
- 载体蛋白
- 具有可以结合特定分子的结合位点。
- 受体蛋白
- 当特定分子结合时，它们会激活细胞反应。
- 识别蛋白
- 它们作为识别标志和细胞表面结合位点。
- 流体
- 任何可以移动或改变形状的物质。
- 浓度
- 特定体积内分子的数量。
- 梯度
- 两个空间区域之间的物理差异，以至于分子趋向于响应梯度而移动。
- 扩散
- 分子在流体中的运动，从高浓度区域到低浓度区域。
- 被动运输
- 物质通过膜的运动，不需要使用能量。
- 简单扩散
- 水、气体或分子通过膜的扩散。
- 协助扩散
- 分子在蛋白质参与下通过膜的扩散。
- 渗透
- 水通过具有差异渗透性的膜的扩散。
- 需要能量的运输
- 物质通常在浓度梯度相反方向上通过膜的运动，需要能量。
- 主动运输
- 使用能量（ATP）移动小分子。
- 胞吞作用
- 使用能量将大颗粒移动到细胞内部。细胞包围颗粒或液体。
- 胞饮作用
- （字面意思是细胞饮用）细胞摄入液体的形式。
- 吞噬作用
- 细胞的吞噬方式。在这种情况下，它以大颗粒或整个微生物为食。
- 伪足
- 假足（变形虫）。
- 胞吐作用
- 使用能量将物质从细胞中移出。它排出废物。
- 等渗
- 细胞内部的细胞质流体与外部相同。
- 高渗溶液
- 溶液中溶解的颗粒浓度高于细胞质，因此细胞中的水通过渗透作用流出。
- 低渗
- 溶解的颗粒浓度低于细胞质的溶液，因此水通过渗透作用进入细胞。
- 膨胀
- 液泡内水的压力。
- 内质网
- 它是细胞膜合成的场所。
- 鲁道夫·维尔肖
- 动物学家，他提出了细胞理论的假设，他观察到活细胞可以生长并在同一时间出现在两个地方，他提出所有细胞都来自其他相同的细胞，并提出了 3 个假设
- 每个生物体都是由一个或多个细胞组成的
- 最小的生物体是单细胞的，而这些生物体又是多细胞生物体的功能单位。
- 所有细胞都来自先前存在的细胞。
- 分子成分
- 蛋白质、氨基酸、脂质、糖类、DNA、RNA。
- 结构成分
- 质膜、细胞质、核糖体。
- 罗伯特·胡克
- 他首次提出“细胞”一词。
- 原核生物
- 它们的遗传物质没有被膜包裹，例如细菌。
- 真核生物
- 它们的遗传物质包含在由膜包围的细胞核中。
光学显微镜最早发明于 17 世纪。此后不久，科学家们开始检查活体和死亡的生物组织，以便更好地了解生命科学。那个时期一些最相关的发现里程碑包括
- 显微镜的发明，使科学家们首次能够看到生物细胞
- 罗伯特·胡克在 1665 年用显微镜观察软木塞，并描述了他称为软木塞“细胞”的东西
- 安东尼·范·列文虎克称他在显微镜下看到的单细胞生物为“微生物”
- 植物学家马蒂亚斯·雅各布·施莱登在 1838 年确定所有植物都由细胞组成
- 动物学家西奥多·施旺在 1839 年确定所有动物都由细胞组成
- 鲁道夫·维尔肖提出了所有细胞都来自先前存在的细胞的理论
1838 年，植物学家马蒂亚斯·雅各布·施莱登和生理学家西奥多·施旺发现植物细胞和动物细胞都有细胞核。基于他们的观察，两位科学家提出了一个假设，即所有生物体都是由细胞组成的。1839 年，施旺出版了“关于植物和动物结构和生长一致性的显微镜研究”，其中包含了他们共同的细胞理论的第一个声明。
施莱登和施旺最初提出细胞起源于自然发生，但自然发生后来被证伪。鲁道夫·维尔肖（Rudolf Virchow）提出了著名的“Omnis cellula e cellula”——“所有细胞都来自先前存在的细胞”。然而，该理论中与细胞起源无关的部分经受住了科学检验，并得到当今科学界的普遍认可。
现代细胞理论中普遍接受的部分如下：（1）细胞是生物体结构和功能的基本单位。（2）所有生物体都是由一个或多个细胞组成的。（3）细胞通过细胞分裂从其他细胞产生。（4）细胞携带遗传物质，在细胞分裂过程中传递给子细胞。（5）所有细胞在化学成分上基本相同。（6）能量流动（代谢和生物化学）发生在细胞内。
- 允许更高的分辨率，可以看到更精细的细节
- 眼睛：分辨率约为 100 μm
- 光学显微镜：分辨率约为 200 nm
- 仅限于细胞或细胞内较大的细胞器
- 共聚焦显微镜：二维视图
- 电子显微镜：分辨率约为 0.2 nm
- 激光镊：移动细胞内容物
人们可能会好奇为什么所有细胞都如此小。如果能够储存营养物质对细胞有利，为什么自然界中不存在拥有巨大细胞的动物？物理限制阻止了这种情况发生。细胞必须能够将气体和营养物质扩散进出细胞。细胞的表面积增长速度没有体积增长速度快，因此，一个大细胞可能需要比它能够合理地执行的更多的物质输入或物质输出。更糟糕的是，细胞内两点之间的距离可能足够大，以至于细胞的某些区域难以相互交流，并且物质需要相当长的时间才能穿过细胞。
这并不是说不存在大细胞。它们在自身内部及其环境之间交换物质的效率再次较低，但它们仍然可以正常运作。这些细胞通常有多个遗传信息的副本，因此它们可以在细胞的不同部位局部制造蛋白质。
关键概念：细胞大小
真核细胞具有膜包围的核，包含两个或多个线性 染色体；许多膜结合的细胞质细胞器：线粒体、粗面内质网、光面内质网、溶酶体、液泡、叶绿体；核糖体和 细胞骨架。此外，植物、真菌和一些原生生物具有细胞壁。
细胞核是细胞中圆形的物体，包含细胞的遗传信息（DNA）。它被核膜包围，内部有一个核仁。
核膜
[细胞膜]核膜是双层 细胞膜，类似于细胞膜，但没有膜蛋白。为了允许某些化学物质进入细胞核，核膜具有称为 核孔 的结构。核膜与内质网相连。
核仁在显微镜下看起来像细胞核内的一个小而暗的区域。核仁是 DNA转录 活动高的地方。
染色体由 染色质 组成。染色质是由DNA链组成的，如果伸展开来，通常可以达到几厘米长。这个DNA缠绕在一个 组蛋白 核心上，并组织成 核小体。
为了进行 基因表达 和 复制，染色质 必须解开。染色体显微照片
内质网 是一种细胞 细胞器，由一系列延伸的折叠的细胞内膜组成。它与核膜相连。
内质网主要有两种类型
蛋白质由核糖体上生长中的 多肽 的信号序列引导到粗面内质网。这种信号序列被信号识别颗粒识别，信号识别颗粒将核糖体/多肽复合体带到粗面内质网上的一个称为转运子的通道上。在转运子处，信号序列和核糖体/多肽复合体与转运子相互作用，打开它。信号序列会附着到转运子上。核糖体可以继续将多肽翻译到粗面内质网的腔内。随着合成的继续，会发生两个过程。
- 如果蛋白质注定要成为一个膜结合蛋白，那么蛋白质合成将持续到终止。然后核糖体可以解离，允许蛋白质在粗面内质网腔内折叠，并继续到高尔基体进行多肽的加工。
- 如果蛋白质注定要储存起来，以便在刺激后分泌，或者持续分泌，那么蛋白酶——一种在肽键处切割蛋白质的酶——可以将信号序列从生长中的多肽上切割下来。然后可以继续到高尔基体等。
蛋白质合成完成后，会转运到几个位置中的一个。蛋白质要么被修饰用于细胞外膜插入，要么被分泌。请注意，这与不与粗面内质网相关的核糖体形成对比，例如，不与粗面内质网相关的核糖体合成将成为细胞溶质酶的蛋白质。
光面内质网产生用于脂类和碳水化合物生物合成以及解毒的 酶 粗面内质网
肌浆网是某些类型肌肉细胞（尤其是横纹肌、骨骼肌）中特化的内质网形式。它的主要功能与其他两种类型不同，主要充当钙的储存库。这种网状结构具有电压门控通道，这些通道响应来自“运动神经元”的信号，从而打开并释放钙进入细胞质。这可以引发肌肉收缩的下一阶段。
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图 1 : 细胞核、内质网和高尔基体的图像。
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高尔基体由多个双脂膜堆叠而成。
- 在 RER 上合成的蛋白质被修饰然后分类。
- 分泌囊泡的形成。
- 溶酶体的形成（细胞内消化）。
其他膜结合的细胞质细胞器包括
核糖体是蛋白质合成的场所。核糖体本身是在细胞核仁中合成的，结构为两个亚基，即大亚基和小亚基。这些部分由 RNA 和蛋白质组成。
原核生物和真核生物的核糖体不同，真核生物的核糖体更大、更复杂。
线粒体
- 双层膜。
- 有氧代谢，内膜。
- DNA，核糖体。
- 产生新的线粒体。
- 双层膜。
- 光合作用，内膜。
- DNA，核糖体。
- 产生新的叶绿体。
细胞骨架是不同蛋白质丝的总称，这些蛋白质丝可以赋予细胞内部物理形状，并负责细胞器可以沿着其移动的“道路”。
- 赋予细胞形状。
- 锚定其他细胞器。
- 对细胞内大分子运输至关重要。
细胞骨架由 3 种主要类型的丝组成。
肌动蛋白和微管都可能与相关的马达蛋白有关联。
这些是绳状丝，直径 8-10 nm，往往赋予细胞结构稳定性。例如，波形蛋白、神经丝和角蛋白。角蛋白是构成头发、指甲和角的主要成分。
这些丝是双链的，由称为 G-肌动蛋白的二聚体亚基组成。为了结合（聚合），它们含有 GTP 分子。当 GTP 水解时，结构变得不稳定，并发生解聚。肌动蛋白丝的生长与浓度相关 - 也就是说，游离 G-肌动蛋白的浓度越高，聚合作用就越快。它们也是极性的，具有 + 和 - 末端（与电荷无关），并且聚合作用往往在 + 末端发生得更快。
纤毛和鞭毛是延伸出细胞外部的微管丝，用于移动单细胞生物，以及从细胞表面移动物质。马达蛋白 - 移动，波动运动