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。
細胞膜為細胞與環境之間以及細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,有的則負責防御(免疫系統)的功能。細胞膜(又稱原生質膜)為細胞結構中分隔細胞內、外不同介質和組成成分的界面。原生質膜普遍認為由磷脂質雙層分子作為基本單位重復而成,其上鑲嵌有各種類型的膜蛋白以及與膜蛋白結合的糖和糖脂。 原生質膜是細胞與周圍環境和細胞與細胞間進行物質交換和信息傳遞的重要通道。原生質膜通過其上的孔隙和跨膜蛋白的某些性質,達到有選擇性的,可調控的物質運輸作用。
細胞膜就像一個塑料袋一樣,裝著滿滿的液狀、膠體狀的細胞質,可粗略分為細胞質基質和細胞器。細胞質含有維持生命現象所需要的基本物質,例如糖類、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(Cytoskeleton),可以協助維持細胞形狀,也能引導內部物質的移動,一些細胞骨架會于細胞分裂時,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 (nucleus) ——具有雙層膜的細胞器,細胞核是操控整個細胞的控制站,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,來往于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, 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:哺乳綱動物的紅細胞為了減少消耗攜帶的氧氣,所以成熟后沒有細胞核;植物的篩管、導管、假導管為了運輸功能,成熟后沒有細胞核。
核仁 (nucleolus) ——是真核細胞的細胞核中最巨大的結構,其主要功能是核糖體的合成與組裝。其他功能還包括組裝信號識別顆粒,同時也是細胞壓力反應的一部分。
內質網 (endoplasmic reticulum) ——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,構成迷宮狀的網絡,稱為內質網,部分內質網上附著著核糖體,稱為粗面內質網,其他的部分則稱為滑面內質網。而光面內質網上有特殊的酶系統,負責合成脂質,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;粗面內質網則和蛋白質的合成有密切關聯,附著在粗面內質網的核糖體所制造的蛋白質,主要運送到膜上,或是分泌出細胞之外。
核糖體(ribosomes) ——負責合成蛋白質的細胞器,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(Free ribosomes)與附著核糖體(Bound ribosomes),前者所制造之蛋白質專用于細胞質內部(不含細胞器內部),后者則先經過內質網腔修飾,以小囊泡運輸到高爾基體做進一步的分類與修飾,完成的蛋白質主要包裝在細胞器之中、運到膜上、或是運出細胞之外。
高爾基體 ——是好幾個扁平的囊袋相疊而成,而且有固定的方向性,彼此之間并不相通。主要負責蛋白質的修飾、分類與輸送,從粗面內質網合成的蛋白質被包在小囊泡中首先送到高爾基體,在這里一些酶會將蛋白質修飾,例如加上一段特別的糖類標記,而許多脂質、糖類也會在這里合成并且修飾,隨后再利用小囊泡(vesicles)往外運輸。
溶酶體 ——又稱“溶酶體”,是單層膜的囊狀細胞器,內部含有數十種從高爾基體送來的水解酶(hydrolytic enzymes),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(Food vacuole),然后跟溶酶體融合并且進行消化。另外溶酶體也對老舊、損壞的細胞器和細胞質進行分解,產生的小分子隨后可再次被細胞利用,一旦溶酶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酶體有關,例如:蝌蚪變成青蛙尾巴的消失、人類胚胎手指的形成。
液泡(液泡) ——是另一種囊狀的單層膜細胞器,在細胞中扮演不同角色,形狀可大可小。通常植物的液泡較大。在原生動物,例如草履蟲,液泡扮演伸縮泡的功能,將過多的水分收集并排出體外;大多數植物細胞液泡在細胞成熟后,占有大部分的細胞體積,可以儲存水分、存放色素,有些種類植物的液泡更能夠協助光合作用的進行,另外液泡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。
線粒體(mitochondrion) ——主要協助細胞呼吸,并且產生細胞使用能量最直接的形式,三磷酸腺苷。特別的是線粒體有自己的遺傳分子,與細胞核的遺傳物質不同,只遺傳到這個細胞器的子代細胞器,而不是子代細胞,能夠讓線粒體自我分裂增殖,制造本身需要的一些蛋白質,但是仍有一些調節控制的過程受到細胞核的影響,更重要的是,線粒體基因只在母系遺傳,不遵守孟德爾遺傳律,有助于研究人類演化的研究。必須特別注意的是,“線粒體”不應該誤寫為“腺粒體”。線粒體之所以如此稱呼,是因為在顯微鏡下有兩類主要的外觀,是一種雙層膜的細胞器,外膜平滑,內膜則朝內部形成皺折狀的構造稱為折襞,目的是為了增加生理作用的表面積,折襞之間充滿底物,其中有許多的代謝反應進行。
葉綠體 ——也是雙層膜狀的細胞器,與線粒體類似,有自己的遺傳物質,能夠自己分裂增殖,自制本身所需的一些蛋白質。主要功能是進行光合作用,借由光能產生營養物質,也就是吸收光能,轉變成化學能,并借此將無機物(二氧化碳和水)合成為有機物(糖類)。光表示光能,合表示合成。
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