您、我、萬事萬物:細胞解剖學之旅

1665這一年:印度泰姬陵在12年前完工;一年多以後,牛頓將看見蘋果從樹上落下並受到啟發;而在倫敦的某個角落,建築師兼自然哲學家Robert Hooke將一片薄木片放在顯微鏡的標本架上,而他透過顯微鏡觀察到了一個奇特的結構。

「我非常清楚地觀察到這個物體全身佈滿細孔,像一個蜂巢,但上面的細孔呈不規則形狀。」他寫道。「這些孔隙,或細胞……的確是我見過的第一個微觀細孔,也可能是人類見過的第一個微觀細孔,因為在此之前我從未見過任何提及這些細孔的撰稿人或人物。」

Hooke發現了細胞,確切地說是植物細胞。他其實創造了這個詞,他在記載中認為它們就像他曾經參觀過的一所修道院中基督教修道者的住所。但這些細胞已經死亡,而他的顯微鏡也不夠精密,不足以看到細胞內部。直到13年後,才有人近距離親眼目睹活細胞

荷蘭商人兼科學家Antonie van Leeuwenhoek使用自己設計的更精密的顯微鏡首次觀察到了細菌和原生動物。他將這些單細胞生物稱為微型動物,拉丁語意為「小動物。」

Hooke早已過世多年,埋葬在倫敦市公墓的某處。他朝著我們現今稱為細胞理論的領域 邁出了第一步。理論上,地球上每個生物體都由一個或多個細胞組成。

細胞是所有生物體結構和功能的關鍵單位。每個存在過的細胞都由曾經存在的細胞經過一次次分裂得來,直到37.2萬億個組成您身體的細胞。

兩種不同的細胞類型

細胞主要分為兩種類型——原核細胞和真核細胞。

原核細胞沒有細胞核。Leeuwenhoek觀察到的那些「小動物」就是原核細胞。細菌和另外一組稱為古細胞的細胞家族歸類為原核細胞。

存在於植物和動物中的細胞稱為真核細胞。這種類型的細胞可以是單細胞或多細胞。

認識細胞

但真核動物細胞是由什麼構成的呢?假設您縮小到一個真核動物細胞的大小,或甚至更小,那您會看到什麼呢?

想像您變得越來越小,您周圍的世界變得越來越大,最終逐漸模糊不清。在您縮小時,您開始聚焦一組結構,就像Hooke在很久以前觀察到的格子。

很快,您就來到了某一個細胞。現在,某些細胞外部更複雜,而且還有一些其它細胞缺少的附件。微絨毛就是其中一種特徵。

微絨毛像細胞表面的手指一樣向外延伸,對營養吸收非常重要。它們還極大地擴大了細胞的表面積,而無需影響其體積。纖毛甚至比微絨毛延伸得更遠,還可以將不同物質沿細胞表面推開。

然後就是鞭毛,它是一種細薄的尾狀結構,可以推動整個細胞,讓細胞能夠游動!

細胞膜

所有細胞都依賴於極為重要的細胞膜。它的作用就像圍欄,在保持細胞內物質的同時允許食物和營養素進入。

細胞膜由名為磷脂的雙層脂肪酸構成。這些脂肪酸分子分為頭部和尾部。頭部結構稱為「親水結構」,意思是可被水吸引。而頭部結構稱為「疏水結構」,意思是可被水排斥。這種頭部和尾部的組合造就了細胞膜的結構和功能。

隨著您變得越來越小,您會穿過細胞膜並開始探索細胞。簡單來說,您會看到磷脂的雙層結構像拉鍊一樣,以其尾部疏水結構的化學吸引力牢牢固定。

細胞質和細胞骨架

徹底進入細胞內部後,您會看到一種稱為細胞質的介質。細胞質含有一種富含氨基酸和鉀的物質,稱為胞質溶膠。這種液體物質也稱為細胞內液。

您還會發現看似網或架子的網路,這就是細胞骨架。它為細胞提供結構支撐並讓物質可以在細胞內移動。細胞骨架由三種不同類型的蛋白質纖維組成,它們分別是微絲、中間纖維和微管。

微絲是三者中最小的蛋白質纖維,由蛋白質扭曲鏈組成,可以壓縮在一起以縮短細胞直徑。這種壓縮經常出現在肌肉細胞中,以協助肌肉收縮。

中間纖維是提供細胞框架並協助整合蛋白質扭曲鏈。

微管呈螺旋形。當微管聚集在一起時,它們會形成一個空心圓柱體。這些圓柱體有助於維持細胞形狀並在細胞內移動細胞器(細胞構件的另一個名稱)。

它們形成的物質稱為中心體。中心體由稱為中心粒的結構組成,它組織微管並為細胞提供額外構架,而且它們還在細胞分裂過程中協助細胞分裂。

在細胞質和細胞骨架之間,您可以看到細胞的主要支撐框架。您還會看到一些很奇特的結構,它們是細胞器。這些重要的細胞構件均有其特定的功能。

內質網

您可以看到的第一個結構很像一系列細長的洞穴,它們是內質網(ER)。內質網分為兩種不同的類型。

一種類型是粗糙內質網,它從細胞核延伸出來,而且它薄膜的外部還附有核糖體,因此它的外觀比較粗糙。這些核醣體生成一種稱為多肽鏈的物質,但這只是蛋白質的一個花俏的名稱。核醣體生成的蛋白質會釋放進入ER,它們在這裡加工並準備釋放進入細胞。核醣體在釋放時會進入封閉的囊泡中運輸,從粗糙內質網中脫落,這被稱為囊泡轉運。

值得注意的是,核醣體不是細胞器,但它們對細胞至關重要。這是因為它們是蛋白質的生成地。它們可以漂浮在細胞質中到達細胞的其它位置,也可以附著在粗糙內質網上。核醣體由小亞基和大亞基兩個部分構成。小亞基負責讀取核糖核酸(RNA),它包含將氨基酸拼裝成多肽鏈的說明。大亞基則負責實際拼裝多肽鏈的繁重工作。

另一種類型是光面內質網,它是另一個帶有薄膜的細胞器。但由於它外部沒有核醣體,因此獲得了「光面」的綽號。光面內質網含有的酵素可修改多肽、生成油脂和碳水化合物並破壞毒素。大部分組成細胞膜的油脂和碳水化合物都在光面內質網中生成。

高爾基體

現在您需要將注意力轉移到高爾基體上,它絕對擁有所有細胞器中最酷的名稱。高爾基體是另一個修改、包裝及儲存蛋白質的細胞器。

它的外觀像是一組容器從中心不斷向外擴展,變得越來越大。囊泡轉運從ER向高爾基體輸送蛋白質。當蛋白質在高爾基體中的容器間通過時,它們會被修改。修改的方式可以是用不同的酶添加或重排分子,有時也會添加碳水化合物來生成糖蛋白。

在通過最後一個容器後,蛋白質會被扣留在另一個囊泡中,這個不同的囊泡稱為分泌囊泡。這些蛋白質中大多數的運送方向都是細胞膜。它們要不成為細胞膜的一部分,要不釋放到細胞外部。

溶酶體

高爾基體是溶酶體生成的基礎。這些囊泡從高爾基體器官脫落並承擔細胞的垃圾運輸工作。溶酶體包裹在一層薄膜中,它所含有的消化酶可吸收細胞垃圾,或將有缺陷的細胞器回收或轉化為垃圾。它們也對保護細胞免受細菌和病毒的攻擊至關重要。

蛋白酶體

經過高爾基體後,您會看到蛋白酶體。這些細胞器管理細胞中已有的蛋白質。它們分佈在細胞質各處。蛋白酶體分解異常或折疊錯誤的蛋白質,以及細胞不再需要的正常蛋白質。

在細胞質中另一種稱為泛素的蛋白質會放在由酶標記為需進行回收的蛋白質上。被標記的蛋白質隨後會被吸入蛋白酶體,並通過一種稱為蛋白酶解的過程分解。在這個過程中,蛋白質的肽鍵會斷裂,剩餘的肽鍊和氨基酸會釋放到細胞中得到回收

過氧化物酶體

在接下來的旅程中,您會看到一種稱為過氧化物酶體的奇異結構。嚴格來說,它雖然不是細胞器也不是酶,但最能描述過氧化物酶體的詞是蛋白質複合物。

它們有薄膜而且也從ER脫落出來。過氧化物酶體負責分解長鏈脂肪酸和氨基酸。在這個過程中,它們會生成過氧化氫這種副產物,過氧化氫對細胞來說是危險物質,因為它與很多物質發生反應。正因如此,過氧化物酶體還攜帶能將過氧化氫轉化為水和氧氣的酶,就像是清理自己的垃圾。

線粒體

經過了過氧化物酶體後,您會看到一顆豆子形狀的細胞器,它就是線粒體(統稱為線粒體)。它們是細胞的超高能發電廠。它們將進入細胞內的食物顆粒轉化為一種稱為三磷酸腺苷或ATP的分子,這就是細胞中的「能量流通」。ATP能夠儲存能量並將其轉移到細胞的其它部位

線粒體具有內膜和外膜,它們的數量因細胞類型而異。通常來講,越活躍的細胞中所含有的線粒體就越多。例如,肝臟細胞中含有數千個線粒體。其實,在組成肌肉的細胞中,有氧運動可以增加線粒體的數量。難怪您如果有規律地運動就會擁有更多能量。

細胞核

最後,您到達了細胞核。細胞核是細胞內最大的結構,它的兩個薄膜形成了核被膜。

核被膜連同薄膜表面的小孔包裹住核質。雖然核被膜起到阻擋作用,但小孔可以開放使某些分子出入細胞核。核質與細胞質十分相似,它是一種分隔核膜中所包含結構的漿質。

核膜中分隔出的是核仁,它由脫氧核糖核酸(DNA)、RNA和蛋白質組成。核仁是核醣體的生成地,上文中提到過核醣體生成的蛋白質對健康細胞的功能至關重要。

隨著您還在逐漸變小,您會開始注意到細胞DNA的扭曲雙螺旋結構。您想伸手摸一摸,在您變得越來越小,距離它越來越近的時候,終於摸到了。一瞬間,您回到了原來的體積,不確定您是否真正摸到了您想要觸摸的東西。

在倫敦市公墓某處如茵的草地上,新的一天照射出的第一縷陽光灑在剛發芽的嫩草上。那顆草種的細胞受到肥沃的土壤和陽光的滋養,不斷分裂,茁壯地在早晨涼爽的空氣中生長。