細胞
並沒有統一的定義,近年來比較普遍的提法是:細胞是生命活動的基本單位。已知除病毒之外的所有生物均由細胞所組成,但病毒生命活動也必須在細胞中才能體現。一般來說,細菌等絕大部分微生物以及原生動物由一個細胞組成,即單細胞生物;高等植物與高等動物則是多細胞生物。細胞可分為兩類:原核細胞、真核細胞。但也有人提出應分為三類,即把原屬於原核細胞的古核細胞獨立出來作為與之並列的一類。研究細胞的學科稱為細胞生物學。
細胞的基本結構和功能
植物細胞結構
細胞是生物體的構造和生理的基本單位,卻不能因此認為所有的生物細胞都相同,即使在同一個個體內,也有因為分化而產生各式各樣外觀與功能不同的細胞,即使相同種類的細胞,也可能正在執行的生理工作也有差異,但是基本上彼此都有共同的基本構造。
細胞壁
分類在[[細菌]]、[[真菌]]、[[植物]]的生物,其組成的細胞都具有[[細胞壁]](cell wall),而[[原生生物]]則有一部分的生物體具有此構造,但是動物沒有。
細胞壁是由細胞質的分泌物構成,在[[電子顯微鏡]]的發明之後,有許多的研究因此可以讓人們知道,其成分與組成。而細胞壁可以保護細胞減少外界傷害、維持形狀,並且避免因為水分過多而脹破。
植物細胞壁主要成分是[[纖維素]],經過有系統的編織形成網狀的外壁。可分為'''中膠層'''、'''初生細胞壁'''、'''次生細胞壁'''。
中膠層是植物細胞剛分裂完成的子細胞之間,最先形成的間隔,主要成份是[[果膠質]](一種多糖類),隨後在中膠層兩側形成初生細胞壁,初生細胞壁主要由果膠質、木質素和少量的蛋白質構成。
次生細胞壁主要由纖維素組成的纖維排列而成,如同一條一條的線以接近直角的方式排列,再以木質素等多醣類黏接。
真菌細胞壁則是由[[幾丁質]]、纖維素等[[多醣]]類組成,其中幾丁質是含有[[氮]]的一類多糖*細菌細胞壁組成以[[肽聚糖]]為主。
細胞膜
細胞膜(cell membrane)為細胞與環境之間以及[[胞器]]與細胞質之間的分界,能夠調節物質的進出,而膜上的[[蛋白質]]有許多種類,有的可以適時協助物質進出,有的能夠傳遞訊息,有的則負責防禦([[免疫]]系統)的功能。
細胞質
細胞膜就像一個塑膠袋一樣,裝著滿滿的液狀、膠體狀的細胞質(cytoplasm),可粗略分為細胞質基質和胞器。細胞質含有維持生命現象所需要的基本物質,例如醣類、脂質、蛋白質、與蛋白質合成有關的核糖核酸,因此也是整個細胞運作的主要場所,透過細胞膜外接收的訊息、細胞內部的物質,共同調節基因的表現,影響生理活動。另外,細胞質內部也有多種網狀構造,稱為細胞骨架,可以協助維持細胞形狀,也能引導內部物質的移動,一些細胞骨架會於細胞分裂時,形成可以透過染色而觀察的紡錘絲,有一些骨架更能幫助細胞運動。
細胞核
具有雙層膜的胞器,主要攜帶遺傳物質(DNA),包括染色體(脫氧核糖核酸加上一些特殊的蛋白質)、核糖核酸等,核膜上有許多小孔稱做核孔,由數十種特殊的蛋白組成特別的構造,容許一些物質自由通過,但是分子量很大的核糖核酸、蛋白質就必須依賴這些蛋白輔助,以消耗能量的主動運輸,來往於細胞質跟細胞核之間。細胞分裂的期間可以看到細胞核中最顯著的構造——核仁,其組成為核糖體RNA,以及合成核糖體所需的蛋白質。除核仁外,細胞核中還有許多其它核細胞器,如柯浩體(Cajal body), PML體等。 有趣的是,有些細胞為了執行特別的工作而沒有細胞核:哺乳綱動物的紅血球,為了減少攜帶的氧氣,被紅血球本身消耗,而成熟後就沒有細胞核;植物則以篩管、導管、假導管為了運輸功能,成熟後沒有細胞核。
內質網
有一部分的細胞核核膜會向細胞質延伸,形成許多相通的小管與囊袋,構成迷宮狀的網路,稱為內質網,部分內質網上附著著核糖體,稱為粗糙內質網(粗面內質網),其他的部分則稱為平滑內質網(滑面內質網)。而平滑內質網上有特殊的酶系統,負責合成脂質和膽固醇,也能夠氧化有毒物質以減低毒性,在肝臟協助可調節血糖,在肌肉細胞可儲存許多鈣離子協助肌肉收縮;粗糙內質網則和蛋白質的合成有密切關聯,附著在粗糙內質網的核糖體所製造的蛋白質,主要運送到膜上,或是分泌出細胞之外。
核糖體
負責合成蛋白質的胞器,由大、小兩個次單元組成,次單元之中有核糖體RNA和核糖體特有的蛋白質,在細胞質中,接受細胞核的遺傳訊息、細胞外的刺激訊息,以合成蛋白質,可分為游離核糖體與附著核糖體,前者所製造之蛋白質專用於細胞質內部(不含胞器內部),後者則先經過內質網腔修飾,以小囊泡運輸到高基氏體做進一步的分類與修飾,完成的蛋白質主要包裝在胞器之中、運到膜上、或是運出細胞之外。
溶體
溶體,又稱「溶酶體」是單層膜的囊狀胞器,內部含有數十種從高基氏體送來的水解酶,這些酶(或是稱做酵素)在弱酸的環境之下(通常為PH值5.0)能有效分解生命所需的有機物質,許多透過細胞吞噬的物質,會先形成食泡,然後跟溶體融合並且進行消化。另外溶體也對老舊、損壞的胞器和細胞質進行分解,產生的小分子隨後可再次被細胞利用,一旦溶體破裂釋放出水解酶,細胞就會被分解,許多細胞凋亡的程序都與溶體有關,例如:蝌蚪變成青蛙尾巴的消失、人類胚胎手指的形成。
液胞(液泡)
這是另一種囊狀的單層膜胞器,在細胞中扮演不同角色,形狀可大可小。通常植物的液胞較大。在原生動物,例如草履蟲,液胞扮演伸縮泡的功能,將過多的水分收集並排出體外;大多數植物細胞液胞在細胞成熟後,佔有大部分的細胞體積,可以儲存水分、存放色素,有些種類植物的液胞更能夠協助光合作用的進行,另外液胞也有一個很大的功能:協助細胞往大體積的方向演化同時,能夠使得細胞質的表面積變大,有利物質交換。
葉綠體
葉綠體也是雙層膜狀的胞器,跟粒線體類似的地方是,它也有自己的遺傳物質,能夠自己分裂增殖,自製本身所需的一蛋白質。主要的功能是吸收光能,轉變成化學能,並藉此將無機物(二氧化碳和水)合成為有機物(糖類),這個藉由光能產生營養物質的過程稱為光合作用,光表示光能,合表示合成。
細胞的增殖及調控
細胞周期亦稱有絲分裂周期(mitosis cycle),細胞生長到一定程度,不是繁殖就是死亡。細胞分裂後產生的新細胞生長增大,隨後又平均地分裂成兩個和原來母細胞「一樣」的子細胞,細胞這種生長與分裂的循環稱細胞周期。
較為普遍的細胞分裂方式為有絲分裂和減數分裂,在生物的個體發生中,這兩種分裂方式交替發生,以保證生物種族的延續
細胞分化與基因表達
細胞分化(cell differentiation)是個體發育過程中細胞之間產生穩定差異的過程。所以,細胞分化是指同源細胞通過分裂,發生形態、結構與功能特徵穩定差異的過程。
細胞分化的實質是基因選擇性表達的結果,在個體發育過程中基因按照一定程序相繼活化的現象,稱為基因的差次表達(differential expression)或順序表達(Sequential expression) 。即在同一時間內不是所有的基因都具活性,而是有的有活性,有的無活性,有些細胞是這部分基因有活性,有些細胞則是另外一些基因有活性。
組織特異性基因和管家基因 一類是維持細胞最基本生命活動的基因,是所有一切細胞都需具備的,由此譯制基本生命活動所必需的結構和功能蛋白。這類基因稱「House-keeping gene」,譯為「管家基因」,它們與細胞分化關係不大。如編碼與細胞分裂、能量代謝、細胞基本建成有關的蛋白質的基因屬此類。另一類是譯制特異蛋白質的基因,與細胞的基本生存無直接關係,但與細胞分化關係密切,被稱為「Luxury gene」,譯為奢侈基因。
組合調控引發組織特異性基因的表達 弄清了細胞分化的實質,研究者們便把注意力集中到基因選擇表達的控制機理方面。除細胞核與細胞質的相互作用對細胞分化的影響外,包括環境在內的諸多因素均對細胞分化有重要的影響。
細胞分裂
生物體生長和繁殖的基礎,通常由一個母細胞產生兩個或若干子細胞。產生兩個不同子細胞的分裂被稱為不對稱細胞分裂,也稱為異裂。
根據類型常可區分為有絲分裂(mitosis)和無絲分裂,在真核生物中以有絲分裂尤為重要,它不改變染色體的倍數
細胞分裂的另外一種形式是減數分裂(meiosis)。減數分裂產生染色體倍數減半的生殖細胞,即配子,這是有性生殖的必要條件。
如果細胞分裂失去控制,常常導致特定細胞團的增生,異生或腫瘤。嚴重的情況下發生惡性腫瘤,其中上皮組織來源的被稱為癌症。
2008年11月8日 星期六
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