4.2.3. 細(xì)胞—生物的基本單位
(一)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能
1.細(xì)胞的種類及其特點(diǎn)。
非細(xì)胞結(jié)構(gòu)生物主要是病毒等,它們的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單,往往是由蛋白質(zhì)和DNA(或RNA)構(gòu)成。原核細(xì)胞,沒有成形的細(xì)胞核,只有核區(qū),核區(qū)內(nèi)DNA分子上不含蛋白質(zhì)成分,所以它沒有染色體結(jié)構(gòu),沒有復(fù)雜的細(xì)胞器,只有分散的核糖體,主要有支原體、細(xì)菌、藍(lán)藻和放線菌等單細(xì)胞生物。真核細(xì)胞種類繁多,它們都有細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核等基本結(jié)構(gòu),有各種復(fù)雜的細(xì)胞器。
2.細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)。
細(xì)胞膜主要由脂類和蛋白質(zhì)組成。還有糖類和膜蛋白或膜脂結(jié)合成糖蛋白或糖脂,分布在膜的外表面,蛋白質(zhì)和脂類的比例不是固定不變的,一般來說,功能多而復(fù)雜的生物膜,蛋白質(zhì)含量比例大。各種蛋白質(zhì)在膜上的分布是不對(duì)稱的。這樣磷脂雙分子層構(gòu)成了膜的連續(xù)體,而蛋白質(zhì)分子不均勻地分布其間,磷脂和蛋白質(zhì)都是可運(yùn)動(dòng)的,表現(xiàn)出細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)具有一定的流動(dòng)性。細(xì)胞膜作為細(xì)胞與外界環(huán)境的一道屏障,當(dāng)外界物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞時(shí),不僅大分子物質(zhì)不能通過細(xì)胞膜,沒有被選擇的離子或小分子物質(zhì)也不能通過,因此細(xì)胞膜是一種選擇透過性膜。細(xì)胞膜的選擇性為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供了穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。
3.具有獨(dú)立遺傳系統(tǒng)的細(xì)胞器———線粒體和葉綠體。
線粒體普遍存在于動(dòng)植物細(xì)胞(哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞除外)中,具雙層膜,內(nèi)膜向內(nèi)腔折疊形成嵴(擴(kuò)大內(nèi)膜面積),嵴上有基粒。線粒體是細(xì)胞有氧呼吸的主要場(chǎng)所,葉綠體主要存在綠色植物的葉肉細(xì)胞中,也是雙層膜。葉綠體的內(nèi)部含有幾個(gè)到幾十個(gè)基粒,在基粒這種囊狀結(jié)構(gòu)的薄膜上分布著光合色素,主要進(jìn)行光反應(yīng),在基粒和基粒之間充滿基質(zhì),主要進(jìn)行暗反應(yīng)。線粒體和葉綠體都含少量遺傳物質(zhì),在遺傳上有相對(duì)的獨(dú)立性。
4.細(xì)胞膜系統(tǒng)。
細(xì)胞通過細(xì)胞膜把細(xì)胞與外界隔開,通過核膜把細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)分開,通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜把各個(gè)細(xì)胞器分隔開,通過高爾基體膜把要分泌的物質(zhì)進(jìn)行包裝運(yùn)輸(指動(dòng)物細(xì)胞,通過液泡膜創(chuàng)造植物細(xì)胞的生活環(huán)境,因此整個(gè)細(xì)胞的膜系統(tǒng)不僅化學(xué)組成大致相同,而且在功能上聯(lián)系緊密。如分泌蛋白往往是在附著于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體中合成,合成后經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(加工)→高爾基體(包裝和轉(zhuǎn)運(yùn))→細(xì)胞膜(分泌)出細(xì)胞體。因此一些科學(xué)工作者認(rèn)為,高爾基體是由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)變而來的,在活細(xì)胞中高爾基體膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、細(xì)胞膜三者可以相互轉(zhuǎn)化。
5.核糖體是由核糖體的核糖核酸(rRNA)和蛋白質(zhì)構(gòu)成的橢圓形的粒狀小體,其中rRNA和蛋白質(zhì)的比例為1∶1。蛋白質(zhì)分子基本上排列于核糖體的表面上,rRNA分子被包圍于中央。核糖體是細(xì)胞內(nèi)合成蛋白質(zhì)的場(chǎng)所,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)附著于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體所合成的主要是專供輸送到細(xì)胞外面的分泌物質(zhì)如抗體,酶或蛋白質(zhì)類激素等;游離于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的核糖體所合成的蛋白質(zhì)不同,多半是分布在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中或供細(xì)胞本身生長(zhǎng)所需要的蛋白質(zhì)分子(包括酶分子)。在分裂活動(dòng)旺盛的細(xì)胞中,游離核糖體的數(shù)目就比較多,而且分布比較均勻,這一點(diǎn)已被用來作為辨認(rèn)腫瘤細(xì)胞的標(biāo)志之一。核糖體是細(xì)胞不可缺少的基本結(jié)構(gòu),存在于所有細(xì)胞中。核糖體往往并不是單個(gè)獨(dú)立地執(zhí)行功能,而是由多個(gè)核糖體串連在一條mRNA分子上高效地進(jìn)行肽鏈的合成,這種具有特殊功能與形態(tài)的核糖體與mRNA的聚合體稱為多聚核糖體。
(二)細(xì)胞增殖
1.細(xì)胞增殖的意義和方式。
細(xì)胞增殖是生命的重要特征,細(xì)胞以分裂的方式進(jìn)行增殖。細(xì)胞增殖是生物體生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖和遺傳的基礎(chǔ),真核細(xì)胞的分裂方式主要有有絲分裂、無(wú)絲分裂、減數(shù)分裂三種,原核細(xì)胞的分裂方式一般為二分裂,不屬于無(wú)絲分裂。只有個(gè)別真核生物體的細(xì)胞可進(jìn)行無(wú)絲分裂,如蛙的紅細(xì)胞,增殖迅速的腫瘤細(xì)胞等。
2.細(xì)胞分裂的原因及細(xì)胞增殖周期。
生物生長(zhǎng)發(fā)育過程中,當(dāng)細(xì)胞的體積逐步增加時(shí),表現(xiàn)積和體積的比例就會(huì)愈來愈小,使細(xì)胞內(nèi)部和外界的物質(zhì)交換適應(yīng)不了細(xì)胞的生命活動(dòng)需要而引起細(xì)胞分裂,一般地說,一定量的原生質(zhì),如果分得愈小,它和外界接觸與交換物質(zhì)的機(jī)會(huì)就會(huì)越多。由于細(xì)胞質(zhì)中的一切生命功能都靠細(xì)胞核中的遺傳信息控制,當(dāng)細(xì)胞質(zhì)體積增長(zhǎng)太大時(shí),造成核質(zhì)調(diào)控不平衡,這樣引起細(xì)胞分裂,同時(shí),染色體的復(fù)制和蛋白質(zhì)的相互作用是引起細(xì)胞分裂的動(dòng)力。一個(gè)細(xì)胞周期可分為兩個(gè)階段,間期和分裂期,間期又分G1(DNA合成前期)、S(DNA合成期)、G2(DNA合成后期)。分裂期(M)又分前、中、后、末期。
3.植物細(xì)胞有絲分裂各個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)。
分裂間期是分裂的準(zhǔn)備期,主要變化是DNA的復(fù)制和有關(guān)蛋白質(zhì)的合成,結(jié)果核內(nèi)每個(gè)染色體都形成兩個(gè)完全一樣的姐妹染色單體,它們共用一個(gè)著絲點(diǎn),因此只能算是一條染色體,但含有兩個(gè)DNA分子。分裂期包括細(xì)胞核的連續(xù)變化,染色體和紡錘體的出現(xiàn),染色體平均分配到兩個(gè)子細(xì)胞中等一系列復(fù)雜變化,前期最主要的特征是“兩消失兩出現(xiàn)”———核膜、核仁消失,染色體出現(xiàn),紡錘絲形成的紡錘體出現(xiàn);中期染色體的著絲點(diǎn)排列在細(xì)胞赤道板上,染色體數(shù)目,形態(tài)最清晰,是辨認(rèn)染色體形態(tài)和數(shù)目的最佳時(shí)期;后期著絲點(diǎn)一分為二,姐妹染色單體分開,染色體暫時(shí)加倍,末期染色體解旋變成細(xì)絲狀的染色質(zhì)、核膜、核仁重現(xiàn),子細(xì)胞形成
4.動(dòng)、植物細(xì)胞有絲分裂過程的異同。
相同點(diǎn)
分裂過程基本相同;染色體變化規(guī)律相同;分裂間期染色體復(fù)制;分裂期實(shí)現(xiàn)染色體平均分配到兩個(gè)子細(xì)胞中去。
不同點(diǎn)
1.形成紡錘體的方式不同;植物細(xì)胞從細(xì)胞的兩極發(fā)出許多紡錘絲形成紡錘體,動(dòng)物細(xì)胞由中心體發(fā)出的星射線形成紡錘體。原來在動(dòng)物細(xì)胞分裂前,細(xì)胞中有兩組中心粒。細(xì)胞分裂時(shí),一組中心粒不動(dòng),另一組中心粒移向細(xì)胞的另一極,在這兩組中心粒之間發(fā)出無(wú)數(shù)條放射狀的星射線,形成了紡錘體。
2.末期形成兩個(gè)子細(xì)胞的方式不同。植物細(xì)胞在原來赤道板的位置出現(xiàn)細(xì)胞板,動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞膜從中部?jī)?nèi)陷,細(xì)胞質(zhì)分裂成兩部分。
5.無(wú)絲分裂。
無(wú)絲分裂是最簡(jiǎn)單的分裂方式,因在整個(gè)分裂過程中不經(jīng)歷紡錘絲和染色體的變化而得名。一般核先分裂,細(xì)胞核首先伸長(zhǎng)。核仁向核的兩端移動(dòng),同時(shí)在核的中部,從一側(cè)或兩側(cè)向內(nèi)凹陷橫縊,使核成腎形或“8”字形。然后從細(xì)胞中部收縮成兩個(gè)相似的子細(xì)胞。無(wú)絲分裂通常是單細(xì)胞生物的分裂方式,也可以說是它們的生殖方式。在高等生物中也比較普遍地存在,而且應(yīng)該看作是一種正常的細(xì)胞分裂方式。
(三)細(xì)胞的分化、癌變和衰老
1.細(xì)胞分化。
細(xì)胞分化是生物界中普遍存在的一種生命現(xiàn)象。一般多細(xì)胞生物體的發(fā)育起點(diǎn)是受精卵,受精卵經(jīng)過有絲分裂只能產(chǎn)生許多相同的細(xì)胞,只有在功能上分化才能形成不同類型的細(xì)胞,分化的細(xì)胞所呈現(xiàn)出的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能多源于細(xì)胞內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的變化。當(dāng)細(xì)胞開始分化時(shí),不同的細(xì)胞的不同基因會(huì)在不同時(shí)間內(nèi)被激活,活化一段時(shí)間后,一批基因的活動(dòng)可能停止而另一批基因還在活動(dòng),從而產(chǎn)生了特定的蛋白質(zhì),進(jìn)而產(chǎn)生了不同的組織。因此細(xì)胞的分化是生物體發(fā)育的基礎(chǔ)。
2.細(xì)胞的全能性。
細(xì)胞的全能性是指已經(jīng)分化的細(xì)胞,仍然具有發(fā)育的潛能。由于體細(xì)胞一般是通過有絲分裂繁殖而來的,一般已分化的細(xì)胞都有一整套的受精卵相同的染色體,攜帶有本物種相同的基因,因此分化的細(xì)胞具有發(fā)育成完整新個(gè)體的潛能。在合適的條件下,有些分化的細(xì)胞恢復(fù)分裂,如高度分化的植物細(xì)胞具有全能性。動(dòng)物細(xì)胞隨著胚胎的發(fā)育,有些細(xì)胞有分化出多種組織的潛能,但卻失去了發(fā)育成完整個(gè)體的能力,但是它的細(xì)胞核仍然保持著全能性,這是因?yàn)榧?xì)胞核內(nèi)含有保持物種遺傳性所需要的全套遺傳物質(zhì)。
3.細(xì)胞的癌變。
含義:在個(gè)體發(fā)育中,有的細(xì)胞由于受到致癌因子的作用,不能正常地完成細(xì)胞分化,而變成了不受有機(jī)體控制的,連續(xù)進(jìn)行分裂的惡性增殖細(xì)胞。
特征:能夠無(wú)限增殖;癌細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化;癌細(xì)胞的表面發(fā)生了變化,特別是細(xì)胞膜上糖脂、糖蛋白等物質(zhì)減少,細(xì)胞失去接觸抑制,因此可以“轉(zhuǎn)移”;癌細(xì)胞的分裂常有“多極分裂”的現(xiàn)象;癌細(xì)胞對(duì)不良的環(huán)境,一般都有較強(qiáng)的抵抗力。引起癌變的因子主要有外界因素和內(nèi)部因素兩方面,外界因素包括物理致癌因子(如輻射致癌),化學(xué)致癌因子(如砷、苯、煤焦油等)和病毒致癌因子。內(nèi)部因素是由于致癌基因激活,細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)化引起的。
4.細(xì)胞的衰老是正常的生理現(xiàn)象。
生物體內(nèi)的絕大多數(shù)細(xì)胞,都要經(jīng)過未分化、分化、衰老、死亡這幾個(gè)階段。細(xì)胞衰老的過程是細(xì)胞內(nèi)生理和生化復(fù)雜變化的過程,最終反映在細(xì)胞的形態(tài),結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生了變化,具體表現(xiàn)為:
1)在衰老的細(xì)胞內(nèi)水分減少,結(jié)果使細(xì)胞萎縮,體積變小,細(xì)胞新陳代謝的速度減慢;
2)衰老的細(xì)胞內(nèi),有些酶的活性降低;
3)細(xì)胞內(nèi)的色素會(huì)隨著細(xì)胞衰老而逐漸積累;
4)衰老的細(xì)胞內(nèi)呼吸速度減慢,細(xì)胞核體積增大,染色質(zhì)固縮染色加深;
5)細(xì)胞膜通透性功能改變,使物質(zhì)運(yùn)輸功能降低。細(xì)胞衰老的因素非常復(fù)雜,一方面是衰老因子的積累引起細(xì)胞衰老。另一方面來自于細(xì)胞內(nèi)“衰老鐘”的程序表達(dá)。衰老是發(fā)育的一個(gè)正常階段。
5.細(xì)胞工程。
細(xì)胞工程是指應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的方法,通過類似于工程學(xué)的步驟,在細(xì)胞整體水平或細(xì)胞器水平上,按照人們的意愿來改變細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)以獲得新型生物或一定細(xì)胞產(chǎn)品的一門綜合性科學(xué)技術(shù),主要包括細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)、細(xì)胞核移植技術(shù)、胚胎移植技術(shù)等方面。細(xì)胞培養(yǎng)就是把生物體內(nèi)的某一組織(或分散成單個(gè)細(xì)胞),接種在人工配制的適于細(xì)胞生長(zhǎng)的培養(yǎng)基上,然后在適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)條件下進(jìn)行培養(yǎng),使細(xì)胞在體外繼續(xù)生長(zhǎng)和增殖。動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)主要是從動(dòng)物胚胎或出生后不久的幼齡動(dòng)物的臟器,如腎、肺、肌肉等組織細(xì)胞,經(jīng)原代培養(yǎng)和傳代培養(yǎng)獲得細(xì)胞系。植物細(xì)胞具有“全能性”不同植物細(xì)胞或一種植物從不同部位培養(yǎng)的細(xì)胞發(fā)育成植株的能力是不同的。常用的植物細(xì)胞培養(yǎng)有花粉培養(yǎng)和原生質(zhì)培養(yǎng)。細(xì)胞融合技術(shù)是指在一定的條件下,將兩個(gè)或多個(gè)細(xì)胞(可以是同種細(xì)胞,也可以是異種細(xì)胞)在促融因子(如聚乙二醇或滅活的仙臺(tái)病毒)的作用下,融合成一個(gè)雜種細(xì)胞。細(xì)胞融合又稱細(xì)胞雜交。細(xì)胞核移植技術(shù)是將生物體細(xì)胞的細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)拆開,然后再把分離和細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)重新組合成一個(gè)新細(xì)胞。同時(shí)把從細(xì)胞中分離出來的染色體或基因轉(zhuǎn)入另一個(gè)細(xì)胞,以及把具有經(jīng)過修復(fù)的染色體的細(xì)胞核重新放回,賦予重建的細(xì)胞以某種新的功能的技術(shù)。胚胎移植是在高等脊椎動(dòng)物,特別是哺乳動(dòng)物的細(xì)胞,目前不能人工在體外培養(yǎng)成一個(gè)個(gè)體。只能在體外把受精卵(或具有分裂能力的細(xì)胞)培養(yǎng)成早期胚胎后再移植到母體子宮,生長(zhǎng)發(fā)育成子代的過程,如試管嬰兒。