4.2.3. 細胞—生物的基本單位
（一）細胞的結(jié)構(gòu)與功能
1.細胞的種類及其特點。
非細胞結(jié)構(gòu)生物主要是病毒等，它們的結(jié)構(gòu)很簡單，往往是由蛋白質(zhì)和DNA（或RNA）構(gòu)成。原核細胞，沒有成形的細胞核，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)雜的細胞器，只有分散的核糖體，主要有支原體、細菌、藍藻和放線菌等單細胞生物。真核細胞種類繁多，它們都有細胞膜、細胞質(zhì)、細胞核等基本結(jié)構(gòu)，有各種復(fù)雜的細胞器。
2.細胞膜的結(jié)構(gòu)及功能特點。
細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)都是可運動的，表現(xiàn)出細胞膜的結(jié)構(gòu)特點具有一定的流動性。細胞膜作為細胞與外界環(huán)境的一道屏障，當外界物質(zhì)進入細胞時，不僅大分子物質(zhì)不能通過細胞膜，沒有被選擇的離子或小分子物質(zhì)也不能通過，因此細胞膜是一種選擇透過性膜。細胞膜的選擇性為細胞的生命活動提供了穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。
3.具有獨立遺傳系統(tǒng)的細胞器———線粒體和葉綠體。
線粒體普遍存在于動植物細胞（哺乳動物成熟紅細胞除外）中，具雙層膜，內(nèi)膜向內(nèi)腔折疊形成嵴（擴大內(nèi)膜面積），嵴上有基粒。線粒體是細胞有氧呼吸的主要場所，葉綠體主要存在綠色植物的葉肉細胞中，也是雙層膜。葉綠體的內(nèi)部含有幾個到幾十個基粒，在基粒這種囊狀結(jié)構(gòu)的薄膜上分布著光合色素，主要進行光反應(yīng)，在基粒和基粒之間充滿基質(zhì)，主要進行暗反應(yīng)。線粒體和葉綠體都含少量遺傳物質(zhì)，在遺傳上有相對的獨立性。
4.細胞膜系統(tǒng)。
細胞通過細胞膜把細胞與外界隔開，通過核膜把細胞核和細胞質(zhì)分開，通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜把各個細胞器分隔開，通過高爾基體膜把要分泌的物質(zhì)進行包裝運輸（指動物細胞，通過液泡膜創(chuàng)造植物細胞的生活環(huán)境，因此整個細胞的膜系統(tǒng)不僅化學組成大致相同，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）→細胞膜（分泌）出細胞體。因此一些科學工作者認為，高爾基體是由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)變而來的，在活細胞中高爾基體膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、細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。核糖體是細胞內(nèi)合成蛋白質(zhì)的場所，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，多半是分布在細胞質(zhì)基質(zhì)中或供細胞本身生長所需要的蛋白質(zhì)分子（包括酶分子）。在分裂活動旺盛的細胞中，游離核糖體的數(shù)目就比較多，而且分布比較均勻，這一點已被用來作為辨認腫瘤細胞的標志之一。核糖體是細胞不可缺少的基本結(jié)構(gòu)，存在于所有細胞中。核糖體往往并不是單個獨立地執(zhí)行功能，而是由多個核糖體串連在一條mRNA分子上高效地進行肽鏈的合成，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）細胞增殖
1.細胞增殖的意義和方式。
細胞增殖是生命的重要特征，細胞以分裂的方式進行增殖。細胞增殖是生物體生長、發(fā)育、繁殖和遺傳的基礎(chǔ)，真核細胞的分裂方式主要有有絲分裂、無絲分裂、減數(shù)分裂三種，原核細胞的分裂方式一般為二分裂，不屬于無絲分裂。只有個別真核生物體的細胞可進行無絲分裂，如蛙的紅細胞，增殖迅速的腫瘤細胞等。
2.細胞分裂的原因及細胞增殖周期。
生物生長發(fā)育過程中，當細胞的體積逐步增加時，表現(xiàn)積和體積的比例就會愈來愈小，使細胞內(nèi)部和外界的物質(zhì)交換適應(yīng)不了細胞的生命活動需要而引起細胞分裂，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)的機會就會越多。由于細胞質(zhì)中的一切生命功能都靠細胞核中的遺傳信息控制，當細胞質(zhì)體積增長太大時，造成核質(zhì)調(diào)控不平衡，這樣引起細胞分裂，同時，染色體的復(fù)制和蛋白質(zhì)的相互作用是引起細胞分裂的動力。一個細胞周期可分為兩個階段，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.植物細胞有絲分裂各個時期的特點。
分裂間期是分裂的準備期，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)每個染色體都形成兩個完全一樣的姐妹染色單體，它們共用一個著絲點，因此只能算是一條染色體，但含有兩個DNA分子。分裂期包括細胞核的連續(xù)變化，染色體和紡錘體的出現(xiàn)，染色體平均分配到兩個子細胞中等一系列復(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排列在細胞赤道板上，染色體數(shù)目，形態(tài)最清晰，是辨認染色體形態(tài)和數(shù)目的最佳時期;后期著絲點一分為二，姐妹染色單體分開，染色體暫時加倍，末期染色體解旋變成細絲狀的染色質(zhì)、核膜、核仁重現(xiàn)，子細胞形成
4.動、植物細胞有絲分裂過程的異同。
相同點
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;分裂期實現(xiàn)染色體平均分配到兩個子細胞中去。
不同點
1.形成紡錘體的方式不同;植物細胞從細胞的兩極發(fā)出許多紡錘絲形成紡錘體，動物細胞由中心體發(fā)出的星射線形成紡錘體。原來在動物細胞分裂前，細胞中有兩組中心粒。細胞分裂時，一組中心粒不動，另一組中心粒移向細胞的另一極，在這兩組中心粒之間發(fā)出無數(shù)條放射狀的星射線，形成了紡錘體。
2.末期形成兩個子細胞的方式不同。植物細胞在原來赤道板的位置出現(xiàn)細胞板，動物細胞的細胞膜從中部內(nèi)陷，細胞質(zhì)分裂成兩部分。
5.無絲分裂。
無絲分裂是最簡單的分裂方式，因在整個分裂過程中不經(jīng)歷紡錘絲和染色體的變化而得名。一般核先分裂，細胞核首先伸長。核仁向核的兩端移動，同時在核的中部，從一側(cè)或兩側(cè)向內(nèi)凹陷橫縊，使核成腎形或“8”字形。然后從細胞中部收縮成兩個相似的子細胞。無絲分裂通常是單細胞生物的分裂方式，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胞分裂方式。
（三）細胞的分化、癌變和衰老
1.細胞分化。
細胞分化是生物界中普遍存在的一種生命現(xiàn)象。一般多細胞生物體的發(fā)育起點是受精卵，受精卵經(jīng)過有絲分裂只能產(chǎn)生許多相同的細胞，只有在功能上分化才能形成不同類型的細胞，分化的細胞所呈現(xiàn)出的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理功能多源于細胞內(nèi)化學物質(zhì)的變化。當細胞開始分化時，不同的細胞的不同基因會在不同時間內(nèi)被激活，活化一段時間后，一批基因的活動可能停止而另一批基因還在活動，從而產(chǎn)生了特定的蛋白質(zhì)，進而產(chǎn)生了不同的組織。因此細胞的分化是生物體發(fā)育的基礎(chǔ)。
2.細胞的全能性。
細胞的全能性是指已經(jīng)分化的細胞，仍然具有發(fā)育的潛能。由于體細胞一般是通過有絲分裂繁殖而來的，一般已分化的細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，因此分化的細胞具有發(fā)育成完整新個體的潛能。在合適的條件下，有些分化的細胞恢復(fù)分裂，如高度分化的植物細胞具有全能性。動物細胞隨著胚胎的發(fā)育，有些細胞有分化出多種組織的潛能，但卻失去了發(fā)育成完整個體的能力，但是它的細胞核仍然保持著全能性，這是因為細胞核內(nèi)含有保持物種遺傳性所需要的全套遺傳物質(zhì)。
3.細胞的癌變。
含義:在個體發(fā)育中，有的細胞由于受到致癌因子的作用，不能正常地完成細胞分化，而變成了不受有機體控制的，連續(xù)進行分裂的惡性增殖細胞。
特征:能夠無限增殖;癌細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化;癌細胞的表面發(fā)生了變化，特別是細胞膜上糖脂、糖蛋白等物質(zhì)減少，細胞失去接觸抑制，因此可以“轉(zhuǎn)移”;癌細胞的分裂常有“多極分裂”的現(xiàn)象;癌細胞對不良的環(huán)境，一般都有較強的抵抗力。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，細胞發(fā)生轉(zhuǎn)化引起的。
4.細胞的衰老是正常的生理現(xiàn)象。
生物體內(nèi)的絕大多數(shù)細胞，都要經(jīng)過未分化、分化、衰老、死亡這幾個階段。細胞衰老的過程是細胞內(nèi)生理和生化復(fù)雜變化的過程，最終反映在細胞的形態(tài)，結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生了變化，具體表現(xiàn)為:
1）在衰老的細胞內(nèi)水分減少，結(jié)果使細胞萎縮，體積變小，細胞新陳代謝的速度減慢;
2）衰老的細胞內(nèi)，有些酶的活性降低;
3）細胞內(nèi)的色素會隨著細胞衰老而逐漸積累;
4）衰老的細胞內(nèi)呼吸速度減慢，細胞核體積增大，染色質(zhì)固縮染色加深;
5）細胞膜通透性功能改變，使物質(zhì)運輸功能降低。細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胞衰老。另一方面來自于細胞內(nèi)“衰老鐘”的程序表達。衰老是發(fā)育的一個正常階段。
5.細胞工程。
細胞工程是指應(yīng)用細胞生物學和分子生物學的方法，通過類似于工程學的步驟，在細胞整體水平或細胞器水平上，按照人們的意愿來改變細胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)以獲得新型生物或一定細胞產(chǎn)品的一門綜合性科學技術(shù)，主要包括細胞培養(yǎng)技術(shù)、細胞融合技術(shù)、細胞核移植技術(shù)、胚胎移植技術(shù)等方面。細胞培養(yǎng)就是把生物體內(nèi)的某一組織（或分散成單個細胞），接種在人工配制的適于細胞生長的培養(yǎng)基上，然后在適當?shù)纳L條件下進行培養(yǎng)，使細胞在體外繼續(xù)生長和增殖。動物細胞的培養(yǎng)主要是從動物胚胎或出生后不久的幼齡動物的臟器，如腎、肺、肌肉等組織細胞，經(jīng)原代培養(yǎng)和傳代培養(yǎng)獲得細胞系。植物細胞具有“全能性”不同植物細胞或一種植物從不同部位培養(yǎng)的細胞發(fā)育成植株的能力是不同的。常用的植物細胞培養(yǎng)有花粉培養(yǎng)和原生質(zhì)培養(yǎng)。細胞融合技術(shù)是指在一定的條件下，將兩個或多個細胞（可以是同種細胞，也可以是異種細胞）在促融因子（如聚乙二醇或滅活的仙臺病毒）的作用下，融合成一個雜種細胞。細胞融合又稱細胞雜交。細胞核移植技術(shù)是將生物體細胞的細胞核和細胞質(zhì)拆開，然后再把分離和細胞核和細胞質(zhì)重新組合成一個新細胞。同時把從細胞中分離出來的染色體或基因轉(zhuǎn)入另一個細胞，以及把具有經(jīng)過修復(fù)的染色體的細胞核重新放回，賦予重建的細胞以某種新的功能的技術(shù)。胚胎移植是在高等脊椎動物，特別是哺乳動物的細胞，目前不能人工在體外培養(yǎng)成一個個體。只能在體外把受精卵（或具有分裂能力的細胞）培養(yǎng)成早期胚胎后再移植到母體子宮，生長發(fā)育成子代的過程，如試管嬰兒。
