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第4章 微观漫游——细胞的剖析

你想知道细胞的内部结构吗?你想了解细胞内的各个细胞器分别执行什么功能吗?下面就让我们一起带上显微镜,一同进入细胞内部去看个究竟吧……

通过在光学显微镜下观察植物细胞,我们可以知道植物细胞的结构一般分为细胞壁、细胞膜、细胞质和细胞核四个部分。

1.透明外墙——细胞壁

如果我们在显微镜下观察植物细胞的话,最醒目的就是一个个小房间一样的细胞,这些房间的墙壁就是细胞壁。

细胞壁是植物细胞的最外层。细胞壁是一层透明的薄壁,它主要是由纤维素组成的,孔隙较大,物质分子可以自由透过。细胞壁坚韧而富有弹性。对细胞起着支持和保护的作用,常使植物细胞保持盒状外形,并与植物细胞的吸收、蒸腾和物质的运输有关。动物细胞没有细胞壁。

2.细胞卫士——细胞膜

细胞壁的内侧紧贴着一层极薄的膜,叫做细胞膜。当我们穿过苹果细胞的细胞壁后,我们马上就会遇上一层由蛋白质分子和脂类分子组成的薄膜——细胞膜。因此,它除了起着保护细胞内部的作用以外,同时还具有物质进出细胞的作用,即选择透过性:这样可以让细胞需要的物质进入,不让有用物质任意地渗出细胞;同时还注意防范,不让有害的物质轻易地进入细胞。

我们借助电子显微镜观察,可以知道细胞膜主要有两大类构成:既蛋白质分子和脂类分子。此外,在细胞膜的中间还有磷脂双分子层,这是细胞膜的基本骨架。在磷脂双分子层的外侧和内侧,还有有许多球形的蛋白质分子,它们以不同深度镶嵌在磷脂分子层中,或者覆盖在磷脂分子层的表面。而这些磷脂分子和蛋白质分子基本上是可以自由流动的,所以我们可以说,细胞膜是具有一定的流动性,细胞膜的这种结构特点,对于它完成各种分化功能是非常重要的。

3.包罗万象——细胞质

细胞膜包着的黏稠透明的物质,叫做细胞质。当我们穿过细胞膜后,发现这是一个非常黏稠透明的物质环境,这里的液经常处于流动的状态。

细胞质不是凝固静止的,而是缓缓地运动着的。在只有一个中央液泡的细胞内,细胞质往往围绕液泡循环流动,这样便促进了细胞内物质的转运,也加强了细胞器之间的相互联系。但细胞质运动是一种消耗能量的生命现象,所以当细胞的生命活动越旺盛,细胞质流动越快,反之则越慢。细胞死亡后,细胞质的流动也就停止了。

当我们观察细胞质的时候总会看到一些带折光性的小颗粒。这些颗粒多数具有一定的结构和功能,类似生物体的各种器官,因此我们叫做细胞器。细胞器是细胞质中具有一定结构和功能的微结构,在生理活动中起到重要的作用。

根据细胞器的不同结构和功能分为:线粒体;叶绿体;内质网;高尔基体;核糖体;溶酶体;液泡;中心体。

下面我们就分别介绍一下这几种细胞器。

(1)叶绿体

在我们生活的环境中,绿地是最活泼、最养眼的景观。唐人有诗:“绿树村边合,青山郭外斜”。在郁郁葱葱的大自然中,游人的身心能得到最舒适的放松。那么为什么大部分植物的叶子是绿色的,而不是其他颜色呢?

植物的绿色来自一种小颗粒。在绿色植物的叶肉细胞中,其实都能看到这样的许多绿色的颗粒。这就是一种细胞器,叫做叶绿体。绿色植物的光合作用就是在叶绿体中进行的。叶绿体只存在于植物细胞和某些也需要进行光合作用的生物的细胞中,但绝对不存在于动物细胞。

叶绿体里面主要含有叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素,其中叶绿素a和叶绿素b统称为叶绿素。胡萝卜素和叶黄素统称为类胡萝卜素。叶绿色呈绿色,类胡萝卜呈橙黄色。通常叶绿素和类胡萝卜素的比例约为3:1,叶绿素的含量较类胡萝卜素多,所以叶绿体常呈绿色。植物细胞常呈现绿色也正是因为含有大量的叶绿体的缘故。植物细胞可以进行神奇的光合作用,也可归功于它独特的细胞器——叶绿体。

那么你知道为什么秋天树叶会变黄吗?为什么枫树的叶子会变红呢?这同样是内叶绿素和胡萝卜素决定的。到秋天以后,温度会降低,叶绿素被破坏,而植物体内其余的色素不会被破坏。树叶变黄色是因为植物体内有叶黄素和胡萝卜素,树叶变红色是因为植物体内有花青素。

(2)线粒体

是细胞进行有氧呼吸的主要场所。又称“动力车间”。细胞生命活动所需的能量,大约95%来自线粒体。

在线粒体上,有很多种与呼吸作用有关的颗粒,即多种呼吸酶。它是细胞进行呼吸作用的场所,通过呼吸作用,将有机物氧化分解,并释放能量,供细胞的生命活动所需,所以有人称线粒体为细胞的“发电站”或“动力工厂”。就像人每天都需要喝水吃东西,有能量供给然后才可以保持活力一样,细胞也必须时刻有能量的供给才会有活性,线粒体就是细胞中制造能量的器官。

线粒体的结构相当复杂,它是内外两层膜包裹的囊状细胞器,在大多数细胞中,线粒体是均匀地分布在整个细胞质中的。但也有例外,在有些细胞中,线粒体分布不均一,常常喜欢聚集在细胞质的边缘。在一个细胞的细胞质中,含有线粒体的数目可以从十几个到数百个不等,不过线粒体总是集中在代谢活跃的区域,因为这些区域需要较多的能量,如肌细胞的肌纤维中有很多线粒体。同时越活跃的细胞含有的线粒体数目也越多,如时刻跳动的心脏细胞和经常思考问题的大脑细胞皮肤细胞含有线粒体的数目比较少。

有科学家发现农民皮肤细胞的线粒体因常年在室外,劳动受到损伤的程度远远高于其他室内职业者,线粒体如果受到了损伤,细胞就会因能量缺乏而死亡。细胞也可以进行呼吸作用,吸收营养气体并排除体内的废气。这大都归功于细胞中所含有的细胞器——线粒体。

液泡:在细胞质中,往往能看到一个或几个其中充满着液体的圆囊,这就是液泡,其中充满的液体叫做细胞液。幼小的植物细胞,具有许多小而分散的液泡,在电子显微镜下可以看到。不过随着细胞的生长,液泡也长大,而且会互相合并。在成熟的植物细胞里面,常常有一个中央大液泡。它就是一些液泡合并在一起形成的,它的体积可以占去整个细胞的一大半。

大部分的动物细胞中都是没有液泡的,不过,极少数的动物细胞里含有。这些动物细胞里面的液泡往往也是被用来储存食物、水以及参与一些代谢活动等。

液泡内有细胞液,里面常含有水分、无机盐、葡萄糖等成分。当我们吃苹果时流出的液体就是细胞液,苹果细胞的细胞液中含有丰富的糖分及营养物质,所以成熟的苹果总是那么香甜可口。

其实,大多液泡是由细胞液中的色素所产生,常见的是花青素。花瓣、果实和叶片上的一些红色或蓝色,常常是花青素所显示的颜色。花青素的颜色随着细胞液的酸碱性不同而不同,细胞液酸性时为红色,碱性时为蓝色。液泡中还常含有晶体,它是细胞液中含有盐类所致,常见的是草酸钙结晶。晶体的形状有三种,单晶体、复晶体和针晶体。液泡内的细胞液其中含有糖类、无机盐、色素、蛋白质等物质,可以达到很高的浓度。因此它对细胞内的环境起着调节作用,可以使细胞保持一定的渗透压和膨胀状态。

(3)内质网

1945年科学家在观察培养的小鼠成纤维细胞时,发现细胞质内部有一些结构像网一样的,故给其起名为内质网。

后来有科学家进一步发现其实内质网不仅仅存在于细胞的细胞质里面,有时还会和质膜及核膜相连。内质网是由膜围成的分支小管、小囊或扁平囊状结构连通而成的管道系统,其周缘常分离出一种小泡状结构,有些还会伴有许多线粒体。

内质网按形态结构的不同常被分为两种:一是粗面内质网又称颗粒型内质网,常见于蛋白质合成旺盛的细胞中,且大多为扁平的囊,少数为球形或管泡状的囊,膜上附着有核糖体;另一个是滑面内质网,形状基本上都是分支小管及小囊,有时小管排列得非常紧密,以同心圆形式围绕在分泌颗粒和线粒体的周围,膜上一般不附着核糖体,滑面内质网不仅在一定部位与粗面内质网相连通,而且有的与质膜或细胞核外膜相连。内质网的存在,扩大了细胞质内的膜面积,在内质网膜上附着多种酶,为生命活动的各种化学反应的正常进行创造了很多有利的条件。粗面内质网不仅是核糖体的支架,分泌蛋白的运输通道。滑面型内质网与蛋白质的合成无关,可是它的功能却更为复杂,它可能参与糖原和脂类的合成、固醇类激素的合成以及具有分泌等功能。

(4)核糖体

是蛋白质合成的场所,也是最小的细胞器,只有在电镜下才可以寻找到它微小的身影。核糖体是一种颗粒状物质,科学家在1953年用电镜观察植物细胞时发现的。1955年当帕拉德用电镜观察动物细胞时,同样也在细胞质中看到了这些小小的颗粒,他进一步研究了这些颗粒的化学成分和结构。直到1958年罗伯特斯根据前人的知识和经验以及自己对这些颗粒化学成分的观察和研究,命名其为核糖核蛋白体,简称核糖体,又称核蛋白体。

除哺乳类红细胞以外,一切活细胞中均有核糖体。它是一种非常重要的细胞器,负责细胞内蛋白质的合成。增殖快速、分泌功能旺盛的细胞中含有的核糖体尤其多。

(5)高尔基体

这里的“高尔基”不是我们所熟悉的苏联文学家,而是位是意大利人。高尔基于1898年在神经细胞中首先观察到的细胞器,是所有动、植物细胞中都有这一种细胞器。高尔基体是细胞分泌物的最后加工和包装的场所。从内质网断下来的分泌小泡移至高尔基区,与高尔基体融合。小泡中的分泌物在这里加工后,围以外膜而成分泌泡。分泌泡脱离高尔基体向细胞外周移动,最后分泌泡外膜与细胞膜愈合而将分泌物排出细胞之外。

动物细胞的高尔基体通常定位于细胞核的一侧。而植物细胞高尔基体分散于整个细胞中。高尔基体可以先将内质网合成的蛋白质拿过来进行加工、分类与包装,然后再分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。高尔基体还有其他功能,如在某些原生动物中,高尔基体与调节细胞的液体平衡有关系。

(6)溶酶体

其实是由高尔基体断裂产生的由单层膜包裹着的一种小泡状结构。溶酶体的主要作用是消化作用,是细胞内的消化器官,与细胞自溶、防御以及对某些物质的利用均与溶酶体的消化作用有关。溶酶体在消化过程中,一般先与食物泡融合,将细胞吞噬进的食物或致病菌等大颗粒物质消化成生物大分子,残渣等则通过外排作用排出细胞。

在细胞分化过程中,某些衰老的细胞器和生物大分子等陷入溶酶体内也会被消化掉,这是机体自身重新组织的一种需要。溶酶体里面的酶很有威力,不过它的膜和细胞膜一样都是选择透过性膜,所以不用担心它里面的化学物质会随意泄漏出来伤害细胞的其他部分。一般来说,溶酶体在植物细胞里比较少见。

细胞中还有一种和溶酶体很相似的小体,也成单层膜泡状,但所含的酶却和溶酶体不同。这种小体称为微体,一种微体称过氧化物酶体,是动、植物细胞都有的微体。

4.细胞的大脑——细胞核

当我们用显微镜观察细胞内部时,最显眼的是个又大又圆又亮的物体,它就是我们要介绍的细胞核。

细胞核可谓是细胞的控制中心,因为它可以指挥着细胞里的一切活动。细胞核一般是球形或者卵形,大小一般在7微米左右。细胞核的数目:大多数生物体的细胞中都是含有一个细胞核;人体内的成熟红细胞内则没有细胞核;植物在个体发育的过程中可能还会同时出现多个胚乳核的现象;人的骨骼肌细胞中的细胞核数目可以多达数百个。

细胞核在细胞的代谢、生长和分化中,都起着重要的作用。有人用变形虫做实验,去掉细胞核的变形虫虽然还能活几天,但不能取食,也不能生长,逃不脱死亡的命运。遗传物质(基因)主要是位于核中的,所以细胞核可说是细胞的控制中心。

通常细胞核还包括核膜、染色质和核仁等部分。

(1)核膜

核膜包裹着细胞核的表面,它是双层膜,是由基本平行的内层膜、外层膜所构成的。核膜上有很多的小孔,它们就是——核孔,物质进出细胞核都需要通过它。一般认为,水离子等小分子物质可直接通透核膜进出细胞核;而蛋白质等大分子则必须经过核孔才可以出入细胞核。核功能活跃的细胞核孔数量多。

(2)染色质

在细胞核中,有一种易被碱性染料染上颜色的物质,叫做染色质。细胞核如何指挥细胞,真正的答案还是在——染色质里。染色质包含着遗传信息,它是调节细胞生长、分裂、分化,以至于决定生物体新陈代谢、遗传和变异等一切活动的物质基础。

(3)核仁

它通常是单一的或者多个匀质的球形小体,呈中圆形或椭圆形的颗粒状结构,没有外膜。核仁是核中最明显的结构,是产生核糖体的地方。核糖体又是生产蛋白质的细胞器。核仁的大小、形状随生物的种类、细胞类型和细胞代谢状态而变化。蛋白质合成旺盛、活跃生长的细胞,如分泌细胞、卵母细胞的核仁大,可占总核体积的25%。不具蛋白质合成能力的细胞,如肌肉细胞、休眠的植物细胞,其核仁很小。在细胞周期过程中,核仁是一个高度动态的结构,在有丝分裂期间表现出周期性的消失与重建。细胞分裂时,核仁消失。分裂结束后,两个子细胞分别产生新的核仁。

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