您、我、万事万物:细胞解剖学之旅

1665这一年:印度泰姬陵在12年前完工;一年多以后,牛顿将看见苹果从树上落下并受到启发;而在伦敦的某个角落,建筑师兼自然哲学家Robert Hooke将一片薄木片放在显微镜的标本架上,而他透过显微镜观察到了一个奇特的结构。

“我非常清楚地观察到这个物体全身布满细孔,像一个蜂巢,但上面的细孔呈不规则形状。 ”他写道。“这些孔隙,或细胞……的确是我见过的第一个微观细孔,也可能是人类见过的第一个微观细孔,因为在此之前我从未见过任何提及这些细孔的撰稿人或人物。”

Hooke发现了细胞,确切地说是植物细胞。他其实创造了这个词,他在记载中认为它们就像他曾经参观过的一所修道院中基督教修道者的住所。但这些细胞已经死亡,而他的显微镜也不够精密,不足以看到细胞内部。直到13年后,才有人近距离亲眼目睹活细胞。

荷兰商人兼科学家Antonie van Leeuwenhoek使用自己设计的更精密的显微镜首次观察到了细菌和原生动物。 他将这些单细胞生物称为微型动物,拉丁语意为“小动物。”

Hooke早已过世多年,埋葬在伦敦市公墓的某处。他朝着我们现今称为细胞理论的领域迈出了第一步。理论上,地球上每个生物体都由一个或多个细胞组成。

细胞是所有生物体结构和功能的关键单位。每个存在过的细胞都由曾经存在的细胞经过一次次分裂得来,直到37.2万亿个组成您身体的细胞。

两种不同的细胞类型

细胞主要分为两种类型——原核细胞和真核细胞。

原核细胞没有细胞核。Leeuwenhoek观察到的那些“小动物”就是原核细胞。细菌和另外一组称为古细胞的细胞家族归类为原核细胞。

存在于植物和动物中的细胞称为真核细胞。这种类型的细胞可以是单细胞或多细胞。

认识细胞

但真核动物细胞是由什么构成的呢?假设您缩小到一个真核动物细胞的大小,或甚至更小,那您会看到什么呢?

想象您变得越来越小,您周围的世界变得越来越大,最终逐渐模糊不清。在您缩小时,您开始聚焦一组结构,就像Hooke在很久以前观察到的格子。

很快,您就来到了某一个细胞。现在,某些细胞外部更复杂,而且还有一些其它细胞缺少的附件。微绒毛就是其中一种特征。

微绒毛像细胞表面的手指一样向外延伸,对营养吸收非常重要。它们还极大地扩大了细胞的表面积,而无需影响其体积。 纤毛甚至比微绒毛延伸得更远,还可以将不同物质沿细胞表面推开。

然后就是鞭毛,它是一种细薄的尾状结构,可以推动整个细胞,让细胞能够游动!

细胞膜

所有细胞都依赖于极为重要的细胞膜。它的作用就像围栏,在保持细胞内物质的同时允许食物和营养素进入。

细胞膜由名为磷脂的双层脂肪酸构成。这些脂肪酸分子分为头部和尾部。头部结构称为“亲水结构”,意思是可被水吸引。而头部结构称为“疏水结构”,意思是可被水排斥。这种头部和尾部的组合造就了细胞膜的结构和功能。

随着您变得越来越小,您会穿过细胞膜並开始探索细胞。简单来说,您会看到磷脂的双层结构像拉链一样,以其尾部疏水结构的化学吸引力牢牢固定。

细胞质和细胞骨架

彻底进入细胞内部后,您会看到一种称为细胞质的介质。细胞质含有一种富含氨基酸和钾的物质,称为胞质溶胶。 这种液体物质也称为细胞内液。

您还会发现看似网或架子的网络,这就是细胞骨架。它为细胞提供结构支撑并让物质可以在细胞内移动。细胞骨架由三种不同类型的蛋白质纤维组成,它们分别是微丝、中间纤维和微管。

微丝是三者中最小的蛋白质纤维,由蛋白质扭曲链组成,可以压缩在一起以缩短细胞直径。这种压缩经常出现在肌肉细胞中,以协助肌肉收缩。

中间纤维是提供细胞框架并协助整合蛋白质扭曲链。

微管呈螺旋形。当微管聚集在一起时,它们会形成一个空心圆柱体。这些圆柱体有助于维持细胞形状并在细胞内移动细胞器(细胞构件的另一个名称)。

它们形成的物质称为中心体。中心体由称为中心粒的结构组成,它组织微管并为细胞提供额外构架,而且它们还在细胞分裂过程中协助细胞分裂。

在细胞质和细胞骨架之间,您可以看到细胞的主要支撑框架。您还会看到一些很奇特的结构,它们是细胞器。这些重要的细胞构件均有其特定的功能。

内质网

您可以看到的第一个结构很像一系列细长的洞穴,它们是内质网(ER)。内质网分为两种不同的类型。

一种类型是粗糙内质网,它从细胞核延伸出来,而且它薄膜的外部还附有核糖体,因此它的外观比较粗糙。这些核醣体生成一种称为多肽链的物质,但这只是蛋白质的一个花俏的名称。核醣体生成的蛋白质会释放进入ER,它们在这里加工并准备释放进入细胞。核醣体在释放时会进入封闭的囊泡中运输,从粗糙内质网中脱落,这被称为囊泡转运。

值得注意的是,核醣体不是细胞器,但它们对细胞至关重要。这是因为它们是蛋白质的生成地。它们可以漂浮在细胞质中到达细胞的其它位置,也可以附着在粗糙内质网上。核醣体由小亚基和大亚基两个部分构成。小亚基负责读取核糖核酸(RNA),它包含将氨基酸拼装成多肽链的说明。大亚基则负责实际拼装多肽链的繁重工作。

另一种类型是光面内质网,它是另一个带有薄膜的细胞器。但由于它外部没有核醣体,因此获得了“光面”的绰号。光面内质网含有的酶可修改多肽、生成油脂和碳水化合物并破坏毒素。大部分组成细胞膜的油脂和碳水化合物都在光面内质网中生成。

高尔基体

现在您需要将注意力转移到高尔基体上,它绝对拥有所有细胞器中最酷的名称。高尔基体是另一个修改、包装及储存蛋白质的细胞器。

它的外观像是一组容器从中心不断向外扩展,变得越来越大。囊泡转运从ER向高尔基体输送蛋白质。当蛋白质在高尔基体中的容器间通过时,它们会被修改。修改的方式可以是用不同的酶添加或重排分子,有时也会添加碳水化合物来生成糖蛋白。

在通过最后一个容器后,蛋白质会被扣留在另一个囊泡中,这个不同的囊泡称为分泌囊泡。这些蛋白质中大多数的运送方向都是细胞膜。它们要不成为细胞膜的一部分,要不释放到细胞外部。

溶酶体

高尔基体是溶酶体生成的基础。这些囊泡从高尔基体器官脱落并承担细胞的垃圾运输工作。溶酶体包裹在一层薄膜中,它所含有的消化酶可吸收细胞垃圾,或将有缺陷的细胞器回收或转化为垃圾。它们也对保护细胞免受细菌和病毒的攻击至关重要。

蛋白酶体

经过高尔基体后,您会看到蛋白酶体。这些细胞器管理细胞中已有的蛋白质。它们分布在细胞质各处。蛋白酶体分解异常或折迭错误的蛋白质,以及细胞不再需要的正常蛋白质。

在细胞质中另一种称为泛素的蛋白质会放在由酶标记为需进行回收的蛋白质上。被标记的蛋白质随后会被吸入蛋白酶体,并通过一种称为蛋白酶解的过程分解。在这个过程中,蛋白质的肽键会断裂,剩余的肽炼和氨基酸会释放到细胞中得到回收

过氧化物酶体

在接下来的旅程中,您会看到一种称为过氧化物酶体的奇异结构。严格来说,它虽然不是

细胞器也不是酶,但最能描述过氧化物酶体的词是蛋白质复合物。

它们有薄膜而且也从ER脱落出来。过氧化物酶体负责分解长链脂肪酸和氨基酸。在这个过程中,它们会生成过氧化氢这种副产物,过氧化氢对细胞来说是危险物质,因为它与很多物质发生反应。正因如此,过氧化物酶体还携带能将过氧化氢转化为水和氧气的酶,就像是清理自己的垃圾。

线粒体

经过了过氧化物酶体后,您会看到一颗豆子形状的细胞器,它就是线粒体(统称为线粒体)。它们是细胞的超高能发电厂。它们将进入细胞内的食物颗粒转化为一种称为三磷酸腺苷或ATP的分子,这就是细胞中的“能量流通”。ATP能够储存能量并将其转移到细胞的其它部位

线粒体具有内膜和外膜,它们的数量因细胞类型而异。通常来讲,越活跃的细胞中所含有的线粒体就越多。例如,肝脏细胞中含有数千个线粒体。其实,在组成肌肉的细胞中,有氧运动可以增加线粒体的数量。难怪您如果有规律地运动就会拥有更多能量。

细胞核

最后,您到达了细胞核。细胞核是细胞内最大的结构,它的两个薄膜形成了核被膜。

核被膜连同薄膜表面的小孔包裹住核质。虽然核被膜起到阻挡作用,但小孔可以开放使某些分子出入细胞核。核质与细胞质十分相似,它是一种分隔核膜中所包含结构的浆质。

核膜中分隔出的是核仁,它由脱氧核糖核酸(DNA)、RNA和蛋白质组成。核仁是核醣体的生成地,上文中提到过核醣体生成的蛋白质对健康细胞的功能至关重要。

随着您还在逐渐变小,您会开始注意到细胞DNA的扭曲双螺旋结构。您想伸手摸一摸,在您变得越来越小,距离它越来越近的时候,终于摸到了。一瞬间,您回到了原来的体积,不确定您是否真正摸到了您想要触摸的东西。

在伦敦市公墓某处如茵的草地上,新的一天照射出的第一缕阳光洒在刚发芽的嫩草上。那颗草种的细胞受到肥沃的土壤和阳光的滋养,不断分裂,茁壮地在早晨凉爽的空气中生长。