人体生理学/细胞生理学

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细胞结构和功能

什么是细胞？

细胞是生命结构和功能的单位。所有生物都有细胞：细菌、原生动物、真菌、植物和动物是生物的主要类别。一些生物只由一个细胞组成，称为单细胞生物（例如细菌和原生动物），但包括人类在内的动物是多细胞生物。一个成年人的身体大约由100,000,000,000,000个细胞组成！每个细胞都有基本的生存需求，而人体的器官系统很大程度上是为了满足数万亿个细胞的这些基本需求而构建的（例如氧气、食物和废物清除）。

人体中大约有200种不同的特化细胞。当许多相同的细胞组织在一起时，就被称为组织（例如肌肉组织、神经组织等）。各种组织为了共同的目的而组织在一起，被称为器官（例如胃是一个器官，皮肤、大脑和子宫也是器官）。

关于细胞结构的认识随着时间的推移而发生了巨大的变化。早期的生物学家将细胞视为简单的膜囊，其中包含液体和一些漂浮的颗粒。现在的生物学家知道细胞比这复杂得多。因此，对各种细胞器及其功能的深刻了解对于任何生理学家来说都是重要的。如果一个人的细胞是健康的，那么这个人就是健康的。所有生理过程、疾病、生长和发育都可以从细胞水平上进行描述。

人体的特化细胞

虽然人体内存在着特化细胞（无论在结构还是功能上），但所有细胞在结构组织和代谢需求方面都具有相似性（例如通过将碳水化合物转化为ATP来维持能量水平，并使用基因来创建和维持蛋白质）。

以下是一些人体内的不同类型特化细胞。

神经细胞：也被称为神经元，这些细胞存在于神经系统中，负责处理和传递信息（假设）。它们是大脑、脊髓和周围神经的核心组成部分。它们使用可以引发称为动作电位的电信号的化学突触来传递信号到全身。
上皮细胞：上皮细胞的功能包括分泌、吸收、保护、跨细胞运输、感觉检测和选择性渗透。上皮组织覆盖着身体的外部（皮肤）和内部腔体和管腔。
外分泌细胞：这些细胞通过导管分泌产物，例如粘液、汗液或消化酶。这些细胞的产物通过导管直接到达靶器官。例如，胆囊中的胆汁通过胆管直接输送到十二指肠。
内分泌细胞：这些细胞与外分泌细胞类似，但它们将产物直接分泌到血液中，而不是通过导管。内分泌细胞遍布全身，但集中在分泌激素的腺体中，例如垂体。内分泌细胞的产物通过血液输送到全身，但通过靶器官细胞上的受体作用于特定的器官。例如，雌激素激素专门作用于女性的子宫和乳房，因为这些靶器官细胞中存在雌激素受体。
血细胞：最常见的血细胞类型是
- 红血球。红血球的主要功能是在肺部收集氧气，并通过血液输送到身体组织。气体交换通过简单的扩散进行。
- 各种类型的白血球。它们是在骨髓中产生的，帮助身体在免疫系统中抵抗传染病和异物。白细胞存在于循环系统、淋巴系统、脾脏和其他身体组织中。

细胞大小

细胞是人体内最小的结构和功能单位，但在使我们的身体正常运作方面起着重要作用。许多细胞，例如卵细胞，在从亲代细胞形成后，大小不会大幅增加。典型的干细胞会繁殖、体积加倍，然后再次繁殖。大多数细胞质内容物，例如内膜系统和细胞质，在较大的细胞中很容易扩展到更大的尺寸。如果细胞变得太大，正常的细胞 DNA 量可能不足以维持细胞的 RNA 供应。大细胞通常会将染色体复制到异常高的数量，或变成多核细胞。主要用于储存营养物质的大细胞可能具有光滑的表面膜，但代谢活跃的大细胞通常会对细胞表面膜进行某种折叠，以增加可用于运输功能的表面积。

细胞组织

多种不同的分子相互作用，在我们的身体内形成细胞器。每种类型的细胞器都有特定的功能。细胞器执行维持细胞存活的必要功能。

细胞膜

细胞的边界，有时称为质膜，将内部代谢事件与外部环境隔开，并控制物质进出细胞的运动。这种膜对允许通过的物质非常有选择性；这种特性被称为“选择性渗透”。例如，它允许氧气和营养物质进入细胞，同时阻止毒素和废物进入。质膜是双磷脂膜，或称为脂质双层，非极性疏水尾部指向膜的内部，而极性亲水头部形成膜的内表面和外表面。

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蛋白质和胆固醇

蛋白质和胆固醇分子散布在灵活的磷脂膜中。外周蛋白松散地附着在质膜的内表面或外表面。整合蛋白横跨膜，从内部延伸到外部。各种蛋白质散布在灵活的磷脂分子基质中，有点像海洋中漂浮的冰山，这就是细胞膜的液态镶嵌模型。

磷脂双层具有选择性渗透性。只有小的、不带电荷的极性分子才能自由穿过膜。其中一些分子是 H₂O 和 CO₂，疏水性（非极性）分子如 O₂，以及脂溶性分子如碳氢化合物。其他分子需要膜蛋白的帮助才能穿过。有各种膜蛋白执行各种功能

通道蛋白：在膜中提供通道，使某些亲水性或水溶性物质（例如极性和带电荷的分子）可以通过。运输过程中不使用能量，因此这种类型的运动称为易化扩散。
转运蛋白：消耗能量（ATP）将物质转运穿过膜的蛋白质。当使用能量为物质提供通道时，该过程称为主动运输。
识别蛋白：区分相邻细胞身份的蛋白质。这些蛋白质在其细胞表面延伸出寡糖或短多糖链。
粘附蛋白：将细胞附着到相邻细胞或为内部细丝和微管提供锚点的蛋白质，这些细丝和微管为细胞提供稳定性。
受体蛋白：当激素或其他触发分子与之结合时，启动特定细胞反应的蛋白质。
电子传递蛋白：参与化学反应过程中将电子从一个分子转移到另一个分子的蛋白质。

跨细胞膜的被动运输

被动运输描述物质沿着浓度梯度移动的过程，不需要能量消耗。

整体流动是指物质响应压力等力的集体运动，以相同方向移动。血液通过血管流动是整体流动的例子。
简单扩散或扩散，是指物质从高浓度区域向低浓度区域的净运动。这种运动是由于所有分子（原子或离子）的随机和恒定运动而发生的，与其他分子的运动无关。由于在任何时刻，一些分子可能沿着梯度移动，而另一些分子可能逆着梯度移动，尽管运动是随机的，但“净”一词用于表示运动的整体、最终结果。
易化扩散是指溶质通过质膜中的通道蛋白进行扩散。水可以自由地穿过质膜，无需专门蛋白质的帮助（尽管受水通道蛋白的帮助）。
渗透是指水分子穿过半透膜的扩散。当水通过渗透进入人体时，体内可能会积聚静水压力或渗透压。
透析是指溶质穿过半透膜的扩散。

跨细胞膜的主动运输

主动运输是指溶质逆着梯度移动的过程，需要消耗能量，通常以 ATP 的形式。主动运输通过以下两种机制之一实现

蛋白泵

质膜中的转运蛋白转运溶质，例如小离子（Na⁺、K⁺、Cl^-、H⁺）、氨基酸和单糖。
参与主动运输的蛋白质也称为离子泵。
该蛋白质在膜的一侧与要转运的物质分子结合，然后它利用释放的能量（ATP）改变其形状，并在另一侧释放它。
蛋白质泵是特异性的，每种要转运的分子都有一个不同的泵。
蛋白质泵是 ATP → ADP + 磷酸盐裂解的催化剂，因此被称为ATP 酶。
- 钠钾泵（也称为 Na⁺/K⁺-ATP 酶）主动将钠移出细胞，并将钾移入细胞。这些泵存在于几乎每个细胞的膜中，对神经冲动的传递和肌肉收缩至关重要。

囊性纤维化是一种遗传性疾病，会导致氯离子通道发生突变。由于不能正确调节氯离子的分泌，导致跨气道表面的水流减少，粘液脱水变稠。

囊泡运输

细胞质中的囊泡或其他小体将大分子或大颗粒转运穿过质膜。囊泡运输的类型包括

胞吐作用，是指囊泡与质膜融合并将内容物释放到细胞外部的过程。这种过程在细胞产生用于输出的物质时很常见。
胞吞作用，是指当质膜融合吞噬细胞外的物质时，捕获该物质的过程。该物质随后被包裹在囊泡内进入细胞质。

胞吞作用有三种

吞噬作用或细胞吞噬，是指溶解的物质进入细胞时发生的现象。质膜吞噬固体物质，形成吞噬囊泡。
胞饮作用或细胞饮用，是指质膜向内折叠形成通道，使溶解的物质进入细胞的过程。当通道关闭时，液体被包围在一个胞饮囊泡内。
受体介导的胞吞作用是指细胞周围液体的特定分子与质膜中专门的受体结合的过程。与胞饮作用一样，质膜向内折叠，并形成囊泡。

注意：某些激素可以通过受体介导的胞吞作用靶向特定细胞。

细胞的组成部分

细胞质

细胞膜内的凝胶状物质称为细胞质。它是一种液体基质，即细胞溶质，由 80% 到 90% 的水、盐、有机分子和许多催化反应的酶组成，以及溶解的物质，例如蛋白质和营养物质。细胞质在细胞中起着重要作用，作为细胞器悬浮和通过脂肪膜结合在一起的“分子汤”。

在细胞的质膜内，细胞质包围着核膜和细胞质细胞器。它通过在膜内移动和推挤细胞膜，在机械方面发挥作用，帮助维持细胞的形状和一致性，并再次为细胞器提供悬浮。它也是细胞生命所必需的化学物质的储存空间，这些化学物质参与重要的代谢反应，例如无氧糖酵解和蛋白质合成。

细胞膜防止细胞质泄漏。它包含许多不同的细胞器，这些细胞器被认为是细胞质的不溶性成分，例如线粒体、溶酶体、过氧化物酶体、核糖体、多个液泡和细胞骨架，以及复杂的细胞膜结构，例如内质网和高尔基体，它们在细胞内各有特定的功能。

细胞骨架

构成细胞骨架的丝状蛋白不断地重构，以适应细胞不断变化的需求。它帮助细胞维持其形状，并使细胞及其内容物移动。细胞骨架使某些细胞（例如中性粒细胞和巨噬细胞）能够进行变形运动。

细胞网络由三种元素组成：微管、肌动蛋白丝和中间纤维。

微管

微管作为细胞器和囊泡在细胞内移动的骨架。它们是细胞骨架结构中最粗的。它们是长的空心圆柱体，由称为微管蛋白的蛋白质亚基组成。微管形成有丝分裂纺锤体，这是在细胞分裂过程中将染色体分配到两个细胞的机制。如果没有有丝分裂纺锤体，细胞就无法繁殖。

微管、中间丝和微丝是三种蛋白质纤维，它们的直径依次减小。它们都参与建立细胞骨架的形状或运动，细胞骨架是细胞的内部结构。

微丝

微丝为细胞提供机械支撑，决定细胞形状，在某些情况下，使细胞运动。它们具有箭头状外观，具有快速生长的正极或刺状端和缓慢生长的负极或尖端。它们由肌动蛋白蛋白组成，参与细胞运动。它们几乎存在于所有细胞中，但在肌肉细胞和通过改变形状而移动的细胞中占主导地位，例如吞噬细胞（在体内寻找细菌和其他外来入侵者的白细胞）。

细胞器

细胞器是嵌入细胞质中的结构，其作用是物理隔离发生在细胞内的各种代谢活动。细胞器就像独立的小工厂，每个细胞器负责生产一种特定产品，这种产品将在细胞或机体的其他地方使用。

所有生物的细胞都分为两大类：原核生物和真核生物。细菌（和古细菌）是原核生物，这意味着它们缺乏细胞核或其他膜结合细胞器。真核生物包括所有原生生物、真菌、植物和动物（包括人类），这些细胞的特点是具有细胞核（包含染色体）以及各种其他细胞器。人类细胞差异很大（考虑骨细胞、血细胞和神经细胞之间的差异），但大多数细胞具有以下描述的特征。

细胞核

控制细胞；包含遗传物质（DNA）。细胞核是细胞器中最大的。细胞可以拥有不止一个细胞核，或者根本没有细胞核。骨骼肌细胞包含不止一个细胞核，而红血细胞则根本没有细胞核。细胞核被核膜包围，核膜是一种类似于质膜的磷脂双层。这两层之间的空间是核周间隙。

如上所述，细胞核包含 DNA，即细胞的遗传信息。通常，DNA 在细胞核内以称为染色质的线状基质形式散开。当细胞开始分裂时，染色质会浓缩成称为染色体的杆状结构，每个染色体在分裂之前由两个长的 DNA 分子和各种组蛋白分子组成。组蛋白的作用是组织长长的 DNA，将其盘绕成称为核小体的束。在细胞核内还可以看到一个或多个核仁，每个核仁都包含正在制造核糖体组成的 DNA。核糖体被运送到细胞质中，在那里它们将氨基酸组装成蛋白质。细胞核也是细胞分裂过程中染色体分离的场所。

染色体

每个细胞核内都有染色体。染色体由染色质组成，染色质由蛋白质和脱氧核糖核酸链组成。脱氧核糖核酸是 DNA，即遗传物质，形状像扭曲的梯子，也称为双螺旋。人类有 23 对染色体。唐氏综合征和猫叫综合征是由于染色体数量异常引起的。

中心体

中心体是棒状结构，由 9 个束组成，每个束包含 3 个微管。两个垂直放置的中心体被蛋白质包围，构成中心体。中心体在细胞分裂中非常重要，它们排列有丝分裂纺锤体，将染色体拉开。

中心体和基体充当微管组织中心。位于核膜外的一对中心体（包裹在中心体中）产生构成细胞分裂过程中使用的纺锤体的微管。基体位于每个鞭毛和纤毛的底部，似乎组织了它们的形成。

核糖体

核糖体在复杂的蛋白质合成过程中起着积极作用，它们充当促进氨基酸连接的结构。每个核糖体都由一个大亚基和小亚基组成，这两个亚基由核糖体蛋白和核糖体 RNA 组成。它们可以在细胞质中以称为多核糖体的群体形式存在，也可以单独存在。偶尔，它们会附着在内质网上。

线粒体

线粒体是充当细胞“动力源”的细胞器，产生 ATP，ATP 是所有细胞使用的通用能量形式。它将葡萄糖等食物营养素转化为细胞可以使用的燃料（ATP）。线粒体是位于细胞核附近的小型囊状结构。称为嵴的小架子是由内膜的褶皱形成的。代谢活跃的细胞，例如肌肉、肝脏和肾脏细胞，具有很高的能量需求，因此拥有更多的线粒体。

线粒体是独特的，因为它们拥有自己的线粒体 DNA（与细胞核中的 DNA 分开）。据信真核生物是从一个细胞生活在另一个细胞内而进化而来的，线粒体与自由生活的细菌有很多共同的特征（相似的染色体、相似的核糖体等）。

内质网

内质是指“在质体内”，网是指“网络”。

一个复杂的三维内部膜系统，由扁平的片状、囊状和管状结构组成，在制造蛋白质和穿梭细胞产物中发挥着重要作用；也参与脂肪的代谢，以及各种材料的生产。在横截面上，它们看起来像一系列迷宫般的通道，通常与细胞核紧密相连。当存在核糖体时，粗面内质网会将多糖基团连接到多肽链上，因为这些多肽链是由核糖体组装的。光面内质网，没有核糖体，负责各种活动，包括脂类和激素的合成，特别是在产生这些物质以从细胞中输出的细胞中。

粗面内质网由于覆盖着大量的核糖体，因此具有典型的凹凸不平的外观。它是合成不是注定要进入细胞质的蛋白质的场所。

光面内质网提供多种功能，包括脂类合成和降解以及钙离子的储存。在肝脏细胞中，光面内质网参与分解毒素、药物和细胞反应的有毒副产物。

高尔基体

将细胞产物“包装”到称为囊泡的囊中，以便这些产物可以穿过细胞膜并离开细胞。高尔基体是细胞的中央配送系统。它是一组扁平的囊，排列得像一堆碗一样。它们的功能是修饰和包装蛋白质和脂类，形成囊泡，囊泡是从高尔基体的末端芽生的、形状像球的小囊。囊泡通常会迁移到质膜并与质膜融合，释放其内容物到细胞外部。高尔基体还转运脂类，并产生溶酶体和参与消化的细胞器。

液泡

细胞质中的空间，有时用作将物质运送到细胞膜以排出到细胞外部的载体。液泡是在胞吞作用过程中形成的，此时细胞膜的一部分被捏断。

溶酶体

溶酶体是含有许多强大降解酶的囊状结构，它们在高尔基体中形成。它们分解有害的细胞产物和废物、细胞碎片以及细菌等外来入侵者，然后将它们排出细胞。泰-萨克斯病和庞贝氏病只是溶酶体或其消化蛋白功能障碍的两种疾病。

过氧化物酶体

在过氧化物酶体中，氧气被用来氧化物质，分解脂类并解毒某些化学物质。过氧化物酶体通过增大和分裂进行自我复制。它们在肝脏和肾脏细胞中很常见，这些细胞分解潜在有害物质。过氧化物酶体可以将过氧化氢（一种由 H₂O₂ 组成的毒素）转化为 H₂O。

细胞外结构

细胞外基质

人类细胞与其他动物细胞一样，没有坚硬的细胞壁。人类细胞在细胞膜外有一个重要且可变的结构，称为细胞外基质。有时这种基质可以是广泛的且坚固的（例如，钙化的骨基质，软骨基质），而有时它由一层细胞外蛋白和碳水化合物组成。这种基质负责细胞相互结合，在细胞如何物理和生理相互作用方面非常重要。

鞭毛

许多原核生物都有鞭毛，例如，大肠杆菌细菌可以借助鞭毛沿尿道向上移动，从而引起尿路感染 (UTI)。然而，人类细胞（实际上大多数真核细胞）缺乏鞭毛。这是有道理的，因为人类是多细胞生物，单个细胞不需要游动。对此的明显例外是精子，事实上，每个精子都被一个鞭毛推动。精子的鞭毛由微管组成。

纤毛

纤毛在单细胞原生动物中尤其显著，它们同步跳动，使细胞灵活地在水中移动。它们由包含微管的细胞膜延伸组成。当它们存在于人类体内时，它们通常大量存在于细胞的单个表面上，在那里，它们不移动细胞，而是移动物质。呼吸系统的粘膜纤毛电梯由排列在气管和支气管中的分泌粘液的细胞以及移动粘液的纤毛上皮细胞组成。以这种方式，霉菌孢子、细菌和碎屑被粘液捕获，从气管中去除，并推入食道（被吞入酸坑中）。在输卵管中，纤毛将卵子从卵巢移动到子宫，这需要几天的时间。

细胞连接

相邻细胞的质膜通常被细胞外液隔开，这些液体会使营养物质和废物从血液中进出。然而，在某些组织中，相邻细胞的膜可能结合在一起形成一个连接。三种类型的细胞连接被识别出来

桥粒是相邻细胞之间的蛋白质附着点。在质膜内部，桥粒带有盘状结构，蛋白质纤维从该结构延伸到细胞质中。桥粒就像点焊一样，将经历相当大压力的组织（如我们的皮肤或心肌）连接在一起。

紧密连接是细胞之间的紧密缝合线。该连接完全包围每个细胞，阻止材料在细胞之间移动。紧密连接是消化道衬里细胞的特征，在这些细胞中，物质需要通过细胞（而不是细胞间隙）才能渗透到血液中。

间隙连接是直接连接两个相邻细胞的细胞质的狭窄通道，由称为连接蛋白的蛋白质组成。这些蛋白质只允许离子和小分子通过。以这种方式，间隙连接通过交换物质或传递电脉冲来允许细胞之间通信。

细胞代谢

细胞代谢是细胞释放和消耗的总能量。代谢描述了发生在体内的所有化学反应。一些反应（称为合成代谢反应）会产生所需的产物。其他反应（称为分解代谢反应）会分解产物。你的身体同时执行合成代谢和分解代谢反应，全天候不间断地进行，以维持你的身体存活和运作。即使在你睡觉的时候，你的细胞也忙于代谢。

分解代谢：释放能量的过程，其中通过降解或分解，化学物质或食物被使用（分解）成更小的片段。

合成代谢：合成代谢与分解代谢正好相反。在代谢的这一部分中，细胞消耗能量，通过较小的分子产生较大的分子。

富含能量的分子

三磷酸腺苷 (ATP)

ATP 是细胞的货币。当细胞需要使用能量时，例如当它需要通过主动运输系统将物质跨细胞膜移动时，它会用 ATP 分子“支付”。人体在任何时候的 ATP 总量约为 0.1 摩尔。人体细胞使用的能量需要每天水解 200 到 300 摩尔的 ATP。这意味着每个 ATP 分子在一天内会循环利用 2000 到 3000 次。ATP 无法储存，因此它的消耗必须紧随其合成。按小时计算，人体每小时会产生、处理和循环利用 1 公斤 ATP。换句话说，单个细胞每秒钟使用大约 1000 万个 ATP 分子来满足其代谢需求，并在大约每 20 到 30 秒内循环利用所有 ATP 分子。

黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)

当两个氢原子键合时，FAD 被还原为 FADH₂ 并转化为能量载体分子。FAD 可以容纳两个氢当量；包括氢化物和质子离子。这被生物体用来进行需要能量的过程。FAD 在有氧呼吸的柠檬酸循环中被还原。

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH)

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD⁺) 和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADP) 是细胞中发现的两种重要的辅因子。NADH 是 NAD⁺ 的还原形式，而 NAD⁺ 是 NADH 的氧化形式。通过在腺苷核苷酸的 2' 位置添加磷酸基团，并通过酯键连接，它会形成 NADP。

NAD 在细胞呼吸的糖酵解和柠檬酸循环中广泛使用。存储在 NADH 中的还原电势可以通过电子传递链转化为 ATP，或者用于合成代谢。生物体生存需要 ATP“能量”。绿色植物通过光合作用获得 ATP，而其他生物通过细胞呼吸获得 ATP。

NADP 用于需要 NADPH 作为还原剂的合成代谢反应，例如脂肪酸和核酸合成。在叶绿体中，NADP 是光合作用的初步反应中重要的氧化剂。光合作用产生的 NADPH 然后用作光合作用的卡尔文循环中生物合成反应的还原力。

MH₂ + NAD⁺ → NADH + H⁺ + M：+ 能量，其中 M 是代谢物。两个氢离子（一个氢化物离子和一个 H⁺ 离子）从代谢物中转移。一个电子被转移到带正电的氮上，一个氢原子连接到与氮原子相对的碳原子上。

人体从维生素烟酸（以烟酸或烟酰胺的形式）中合成 NAD。

细胞呼吸

细胞呼吸是糖分子通过一系列反应分解并释放能量的过程，其中化学能被转化为储存在ATP分子中的能量。将燃料（葡萄糖）转化为可利用的细胞能量（ATP）的反应有糖酵解、克雷伯循环（有时称为柠檬酸循环）和电子传递链。所有这些反应统称为“细胞呼吸”或“有氧呼吸”。氧气作为最终电子受体是必要的，我们呼吸和进食的根本原因就是进行细胞呼吸。

糖酵解

糖酵解途径（糖酵解）是葡萄糖（在消化过程中碳水化合物可以分解成的最小分子）被氧化并分解成两个3碳分子（丙酮酸）的地方，然后被送入克雷伯循环。糖酵解是细胞呼吸的开始，发生在细胞质中。糖酵解需要两个ATP分子，但会产生四个ATP分子，因此每个葡萄糖分子净增两个ATP分子。两个NADH分子将电子（以氢离子形式）转移到线粒体中的电子传递链，在那里它们将被用来产生额外的ATP。在身体剧烈运动时，线粒体已经利用可用氧气产生最大限度的ATP，糖酵解可以继续产生每个葡萄糖分子额外的2个ATP，而无需将电子送入线粒体。然而，在无氧呼吸期间，会产生乳酸，乳酸可能会积累并导致暂时性肌肉痉挛。

克雷伯循环

克雷伯循环以汉斯·阿道夫·克雷布斯爵士（1900-1981）的名字命名，他于1937年提出了这条途径的关键要素，并于1953年因发现这条途径而获得了诺贝尔生理学或医学奖。

两个丙酮酸分子进入克雷伯循环，克雷伯循环被称为有氧途径，因为它需要氧气的存在才能发生。这个循环是人类以及所有植物和动物体内发生的重要生物途径。

糖酵解发生在细胞的细胞质中后，丙酮酸分子进入线粒体的内部。一旦丙酮酸进入线粒体，每个三碳丙酮酸分子都会被酶促地去除一个二氧化碳分子，形成乙酸。然后，酶将乙酸与辅酶A结合，生成乙酰辅酶A，也称为乙酰CoA。

乙酰CoA形成后，克雷伯循环开始。循环分为八个步骤，每个步骤将在下面解释。

步骤1：乙酰CoA的乙酸亚基与草酰乙酸结合，形成一个柠檬酸分子。乙酰辅酶A只充当乙酸从一个酶到另一个酶的转运工具。步骤1之后，辅酶通过水解释放，以便它可以与另一个乙酸分子结合，再次开始克雷伯循环。
步骤2：柠檬酸分子发生异构化。一个羟基和一个氢分子以水的形式从柠檬酸结构中去除。两个碳形成双键，直到水分子被添加回来。只有现在，羟基和氢分子相对于柠檬酸分子原始结构被反转。因此，形成了异柠檬酸。
步骤3：在这一步中，异柠檬酸分子被一个NAD分子氧化。NAD分子被氢原子和羟基还原。NAD与一个氢原子结合，带走另一个氢原子，留下一个羰基。这种结构非常不稳定，因此释放出一个CO₂分子，生成α-酮戊二酸。
步骤4：在这一步中，我们的朋友，辅酶A，又回来氧化α-酮戊二酸分子。一个NAD分子再次被还原形成NADH，并带走了另一个氢。这种不稳定性导致一个羰基以二氧化碳的形式释放，并在其位置形成一个硫酯键，连接前α-酮戊二酸和辅酶A，生成一个琥珀酰辅酶A复合物。
步骤5：一个水分子将其氢原子脱去，形成辅酶A。然后，一个游离的磷酸基团取代辅酶A，并与琥珀酰复合物形成键。然后，磷酸被转移到一个GDP分子上，产生一个GTP能量分子。它留下一个琥珀酸分子。
步骤6：在这一步中，琥珀酸被一个FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）分子氧化。FAD从琥珀酸中去除两个氢原子，并迫使两个碳原子之间形成双键，从而生成延胡索酸。
步骤7：酶在延胡索酸分子中加入水，形成苹果酸。苹果酸是通过在一个碳原子中加入一个氢原子，然后在末端羰基的相邻碳原子中加入一个羟基而产生的。
步骤8：在最后一步中，苹果酸分子被一个NAD分子氧化。携带羟基的碳现在被转化为一个羰基。最终产物是草酰乙酸，它可以与乙酰辅酶A结合，并再次开始克雷伯循环。
总结：总之，克雷伯循环中发生了三个主要事件。产生了一个GTP（三磷酸鸟苷），它最终将一个磷酸基团捐赠给ADP，形成一个ATP；三个NAD分子被还原；一个FAD分子被还原。虽然一个GTP分子导致产生一个ATP分子，但NADH和FADH₂的产生在细胞的能量产生过程中更为重要。这是因为NADH和FADH₂将它们的电子捐赠给一个电子传递系统，该系统通过形成大量ATP分子来产生大量的能量。

要查看“克雷伯循环”的视觉总结，请点击此处。

电子传递系统

最复杂的系统。在呼吸链中，氧化还原反应反复发生，作为运输能量的一种方式。呼吸链也被称为电子传递链。在链的末端，氧气接受电子，产生水。

氧化还原反应

这是一个同时发生的氧化还原过程，通过它发生细胞代谢，例如人体中糖的氧化，通过一系列非常复杂的电子传递过程。

从化学角度来看氧化还原过程，被氧化物质将电子转移到被还原物质。因此，在反应中，被氧化物质（也称为还原剂）失去电子，而被还原物质（也称为氧化剂）获得电子。记住：LEO（Losing Electrons is Oxidation）狮子说GER（Gaining Electrons is Reduction）；或者换句话说：OIL（Oxidation is Loss）RIG（Reduction is Gain）。

术语氧化还原状态通常用于描述生物系统（如细胞或器官）中NAD⁺/NADH和NADP⁺/NADPH的平衡。氧化还原状态反映在几组代谢物（例如，乳酸和丙酮酸、β-羟丁酸和乙酰乙酸）的平衡中，这些代谢物的相互转化取决于这些比率。在多种有害情况下，例如缺氧、休克和败血症，可能会发生异常的氧化还原状态。

细胞构成要素

细胞中存在哪些主要类别的分子？

脂类

该术语更具体地用于指脂肪酸及其衍生物（包括三、二和单甘油酯和磷脂）以及其他脂溶性含甾醇的代谢物，例如胆固醇。脂类在生物体中发挥着许多功能，包括能量储存、作为细胞膜的结构成分，以及构成重要的信号分子。虽然脂类有时被用作脂肪的同义词，但脂肪实际上是脂类的一个亚组，称为甘油三酯，不应与脂肪酸术语混淆。

碳水化合物

碳水化合物分子由碳、氢和氧原子组成。它们的通式为C_n(H₂O)_n。根据分子大小，有几个亚家族。

碳水化合物是包含氧、氢和碳原子以及其他元素的化学化合物。它们由不同链长的单糖组成。

某些碳水化合物是大多数生物体（包括植物和动物）中重要的能量储存和运输形式。碳水化合物按其糖单位数量进行分类：单糖（如葡萄糖和果糖）、二糖（如蔗糖和乳糖）、寡糖和多糖（如淀粉、糖原和纤维素）。

最简单的碳水化合物是单糖，它们是具有许多羟基的小直链醛和酮，通常每个碳原子都有一个羟基，除了官能团。其他碳水化合物由单糖单位组成，在水解作用下分解。根据它们具有两个、几个或许多单糖单位，它们可以被分类为二糖、寡糖或多糖。

蛋白质

所有蛋白质都含有碳、氢、氧和氮。有些还含有磷和硫。蛋白质的构成单位是氨基酸。人体使用20种不同的氨基酸。它们通过肽键结合形成长分子，称为多肽。多肽组装成蛋白质。蛋白质有四个结构层次。

一级结构

一级结构是多肽中氨基酸的顺序。

二级结构

二级结构是由氨基酸之间的氢键形成的。多肽可以盘绕成螺旋状或形成折叠的片层。

三级结构

三级结构是指螺旋或折叠片的三维折叠。

四级结构

四级结构是指蛋白质中多肽之间的空间关系。

六边形

六边形结构是指人体中双肽之间的腕骨关系。

酶

一种催化化学反应的生物分子。酶对于生命至关重要，因为如果没有酶，大多数活细胞中的化学反应将进行得太慢或会导致不同的产物。大多数酶是蛋白质，而“酶”一词通常用来指蛋白质酶。一些RNA分子也具有催化活性，为了区别于蛋白质酶，它们被称为RNA酶或核酶。

复习问题

这些问题的答案可以在这里找到

1. 列出细胞膜的 2 种功能

问题 2 - 6 将以下细胞器与其功能匹配：2. 线粒体 3. 液泡 4. 纤毛 5. 光面内质网 6. 高尔基体

A. 细胞的运动

B. 脂类合成和运输

C. 细胞的“动力室”，制造 ATP

D. 储存区域，主要存在于植物细胞中

E. 包装和分配细胞产物

7. H₂O 穿过半透膜或选择性透膜的扩散称为

A. 主动运输

B. 扩散

C. 渗透

D. 内吞作用

8. 氧气通过什么进入细胞？

a. 扩散

b. 过滤

c. 渗透

d. 主动运输

9. 用于描述“细胞吞噬”的术语是？

a. 外排作用

b. 吞噬作用

c. 胞饮作用

d. 扩散

10. 以下哪个需要能量？

a. 扩散

b. 渗透

c. 主动运输

d. 易化扩散

11. 蛋白质合成发生在

a. 线粒体

b. 溶酶体

c. 核内

d. 核糖体

12. 以下哪一项不在细胞膜中？

a. 胆固醇

b. 磷脂

c. 蛋白质

d. 半乳糖

e. 核酸

13. 什么是细胞？

a. 我们体内最大的生命单位。

b. “吃”细菌的酶

c. 所有生物的微观基本单位。

d. 以上所有。

词汇表

主动运输：溶质逆着浓度梯度移动，需要消耗能量

三磷酸腺苷 (ATP)：细胞的能量来源

整体流动：物质在响应力的作用下以相同的方向集体移动

细胞：构成所有生物的微观基本单位

细胞膜：细胞的边界，有时称为质膜

细胞质：充满细胞的类似水的物质。细胞质由胞质溶胶和细胞器组成，除了细胞核。胞质溶胶由水、盐、有机分子和许多催化反应的酶组成。细胞质包含细胞核之外的所有细胞器，保持细胞的形状和一致性，并作为化学物质的储存场所。

细胞骨架：由丝状蛋白构成，帮助细胞保持其形状并允许细胞及其内容物移动

透析：溶质穿过选择性透膜的扩散。最常在肾功能衰竭的患者中听到。在医学上，透析是一种肾脏替代治疗，用于为因肾功能衰竭而丧失的肾功能提供人工替代。这是一种生命支持治疗，不治疗任何肾脏疾病。

内分泌细胞：类似于外分泌细胞，但将其产物直接分泌到血液中，而不是通过导管分泌

内吞作用：当质膜融合以吞噬它时，捕获细胞外部的物质

内质网：在制造蛋白质和转运细胞产物方面发挥重要作用的细胞器；也参与脂肪的代谢和各种材料的生产

上皮细胞：有助于分泌、吸收、保护、跨细胞运输、感觉检测和选择性通透性的细胞

外分泌细胞：通过导管分泌产物的细胞，例如粘液、汗液或消化酶

外排作用：囊泡与质膜融合并将其内容物释放到细胞外部的过程

易化扩散：溶质通过质膜中的通道蛋白的扩散

高尔基体：将细胞产物“包装”到称为囊泡的囊中，以便产物可以穿过细胞膜并退出细胞

糖酵解：糖（葡萄糖）转化为酸的过程

溶酶体：含有许多强大的降解酶的囊状隔室

微丝：为细胞提供机械支撑，决定细胞形状，在某些情况下使细胞运动成为可能

微管：作为细胞器和囊泡在细胞内移动的框架

线粒体：作为细胞“动力室”的细胞器，产生 ATP

细胞核：控制细胞；容纳遗传物质

细胞器：嵌入细胞质中的细胞器，用于物理隔离发生在细胞内的各种代谢活动

渗透：水分子穿过选择性透膜从高溶质浓度区域扩散到低溶质浓度区域。

被动运输：物质顺浓度梯度移动，不需要能量消耗

过氧化物酶体：利用氧气氧化物质的细胞器，分解脂类并解毒某些化学物质

吞噬作用：一种内吞作用形式，其中大颗粒被（通常较大）细胞的细胞膜包裹并内化以形成吞噬体或“食物泡”。在动物中，吞噬作用是由称为吞噬细胞的专门细胞执行的，这些细胞负责清除异物，从而抵抗感染。在脊椎动物中，这些包括较大的巨噬细胞和较小的粒细胞，它们是血液细胞的类型。细菌、死亡的组织细胞和小的矿物质颗粒都是可能被吞噬的物体。

胞饮作用：也称为细胞饮用，是一种内吞作用形式，在这个过程中，小颗粒被细胞吸收，分裂成更小的颗粒。然后，颗粒形成小的囊泡，随后与溶酶体融合以水解或分解颗粒。此过程需要三磷酸腺苷 (ATP)。

受体介导的内吞作用：当细胞周围液中的特定分子与质膜中的特化受体结合时发生

红细胞（红细胞）：在肺部收集氧气并将其通过血液输送到身体组织的细胞

核糖体：在复杂的蛋白质合成过程中发挥积极作用，它们充当促进氨基酸连接的结构

简单扩散：物质从高浓度区域到低浓度区域的净移动

液泡：细胞质中的空间，有时用来将物质带到细胞膜，以便排出到细胞外部

白细胞（白细胞）：在骨髓中产生，帮助身体抵抗免疫系统中的传染病和异物