第三节 细胞的结构

学习要求

知识要点

  一、 原核细胞的结构 

     原核细胞相对于真核细胞来说结构较为简单。原核细胞，没有细胞核和其他膜性细胞器 (membrane boundorganelle)，其基因组 DNA 为单一环状分子，存在于拟核 (Nucleoid)中，无质膜包围，不与细胞质分离。部分细菌除了基因组 DNA以外，还 存在一些能独立进行复制的较小的 DNA 分子，称为质粒 (plasmid)。天然的质粒绝大 部分为环状。质粒非细菌生长所必需的，但通常带有额外的基因，能给细菌赋予像抗 生素抗性等新的特性，有利于细菌的生存。有的质粒还可以通过接合和转导作用将有 关性状传递给另一个细菌。 原核细胞质中有 RNA 和蛋白组成的核糖体 (ribosome)，呈颗粒状，含有50S和 30S一大一小两个亚基，是蛋白质的合成场所。位于细胞结构最外层的是相对坚硬的细 胞壁，由多糖和多肽组成，具有通透性，能使不同分子通过。有的细菌在细胞壁之外 还有一层由糖和蛋白质组成的荚膜 (capsule)，起保护作用。细胞壁内有一层细胞膜， 也称为质膜 (cytoplasmic membrane)，由磷脂双分子层和一些相关蛋白质组成，具有 选择透过性，其重要功能是在细胞内外环境之间起到选择性分离作用。某些细菌或古 菌具有从细胞体表面伸出的鞭子样细长结构的丝状物，称为鞭毛，以运动为主要功能。 有些细菌表面具有比鞭毛更细更短的丝状物，称为菌毛，可以帮助其附着于物体的表 面 (图１)。

                                  图1 细菌细胞结构示意

二、 真核细胞的结构 

    真核细胞与原核细胞同样被磷脂双分子层细胞膜所包围，并在细胞质中含有核糖 体。但相对于后者来说，真核细胞更为复杂和精细，最明显的区别在于真核细胞具有 细胞内膜系统 (cellendocardialsystem)，形成了细胞的区室化 (cellco mpartmental  ization)，并且具有细胞核、线粒体、内质网等膜性细胞器 (图２)。这些膜性细胞 器将细胞分隔成许多互不干扰的空间，让各种反应能在独立的部位顺利进行，同时也 增加了反应的表面积，能有效提升细胞的代谢速率，帮助合成的蛋白质和脂类等物质 的运输。另一个重要的区别是，真核细胞具有细胞骨架。

       (一) 细胞膜 细胞膜 (也称质膜或细胞质膜，plasmamembrane)是一种生物膜，将所有细胞的 内部与细胞外空间分离开来。它由双层脂质组成，含有内嵌蛋白，其基本功能是保护 细胞不受周围环境的影响，控制物质进出细胞和细胞器的运动。细胞膜对离子和有机 分子具有选择透过性。此外，细胞膜参与各种各样的细胞过程，如细胞黏附、细胞识 别、信号转导等。 

      (二) 细胞核 核膜包被细胞核的出现，是原核细胞进化到真核细胞最为重要的一步。细胞核 是真核细胞内最大和最重要的细胞器，是其区别于原核细胞的基本结构之一。

                                                 图2 真核细胞的结构

１ 核仁;２ 细胞核;３ 核糖体;４ 囊泡;５ 粗面内质网; ６ 高尔基体;７ 细胞骨架;８ 光滑型内网;９ 线粒体;１０ 液泡; １１ 细胞质;１２ 溶酶体;１３ 中心体;１４ 细胞膜

 核中的遗传物质被核膜 (nuclearenvelope)包围，与细胞质分离，是 DNA和 RNA合成的场所，有核仁 (nucleolus)。核仁是细胞核内的一个或多个球状均匀结构，其位 置不固定，数量及大小与细胞的功能有关，其重要的功能是rRNA 的转录及核糖体 的组装。 有别于原核细胞中裸露的环状基因组 DNA，真核细胞的细胞核中的基因组 DNA 是多个线性的分子，并与组蛋白等蛋白质组成染色质 (chromatin)，到分裂中期时进一 步形成更加紧密的染色体 (chromosome)。

(三) 细胞质内的细胞器 

     真核细胞结构的另一个关键特征是膜包围的细胞器 (organelle)。与原核细胞相比，真核细胞具有多种细胞器，特别是膜性细胞器，是区别于原核细胞的一个重要特 征。这些细胞器提供了不同代谢活动局部化的区室。真核细胞通常比原核细胞大得多， 膜性细胞器提供的划分使得真核细胞生物学过程的有效性得到保障。 

１ 线粒体 

  线粒体 (mitochondria)是进行氧化代谢的场所，在几乎所有的真核细 胞中都存在，其关键作用是产生能量，并以三磷酸腺苷 (ATP)的形式释放。线粒体 由双层磷脂膜所包围，内含线粒体DNA，为类似于原核生物的环状DNA，能进行自我 复制，并在线粒体内进行转录和翻译。但线粒体所必需的蛋白质和 RNA 并非全部都来 源于线粒体自身的DNA，而是有一部分来源于核基因DNA。本书后面将以专门的章节 对线粒体作进一步的介绍。 

２ 叶绿体 

 叶绿体 (chloroplast)是质体 (plastid)的一种，是进行光合作用的场 所，所以它与线粒体相似，都在细胞能量代谢中起关键作用，但只存在于植物和绿藻 细胞中。与线粒体相似，叶绿体也由双层磷脂膜所包被，内含环状 DNA，能进行自我 复制，并在叶绿体内进行转录和翻译。

３ 内质网 内质网 (endoplasmicreticulum)是细胞质内膜系统的重要组成部分， 是一个由磷脂双分子层组成、广泛分布、细胞内膜性的网状结构，从外核膜一直延伸 到整个细胞质，并且内质网空腔与核周腔 (perinuclearspace)相通，形成一个独立于 细胞质基质封闭的空间。它不仅在蛋白质的合成、加工和运输中起作用，而且还在脂 类和糖类的合成中起作用。内质网和高尔基体这两种细胞质细胞器，在分泌蛋白的分 拣 (sorting)和运输，以及其与质膜、溶酶体的整合过程中起特别重要的作用。 

４ 高尔基体 

高尔基体 (Golgiapparatus)也是细胞质内膜系统的一部分，具有 单层磷脂膜，是蛋白质加工的场所。在内质网合成的蛋白质通过内质网的膜性小囊泡 运输到高尔基体，经过糖基化或磷酸化加工后，被分拣、运输到质膜和溶酶体等最终 目的地。在植物细胞中，高尔基体除了运输蛋白质的作用外，还是合成脂类和组成细 胞壁成分多糖的场所。 

５ 核糖体 

 真核细胞的核糖体 (Ribosome)含有６０S和４０S一大一小两个亚基。 每个亚基都由一个或多个rRNA 和大量的核糖体蛋白组成，是蛋白质合成的场所，根 据由核转录出的 mRNA 进行翻译，将tRNA 转运的氨基酸合成蛋白质。真核细胞有游 离态核糖体，也有膜结合态核糖体，后者位于内质网上。 

 ６ 溶酶体 

 溶酶体 (lysosome)是具有单层磷脂膜的球形囊状细胞器，是细胞质 内膜系统的一部分。溶酶体内含多种水解酶，能为消化多余的或是需要回收的细胞器 以及生物大分子提供特定代谢区域。 

 ７ 过氧化物酶体 

 过氧化物酶体 (peroxisome)具有单层磷脂膜，是细胞质内膜 系统的一部分。它为氧化反应提供了特定代谢区域，参与脂质等的代谢途径。 

８ 中心体 

 中心体 (centrosome)由两个相互垂直的中心粒构成，不具有膜结构。 每个中心粒由9组三联管组成，呈圆柱状排列，成分为微管蛋白。中心粒与细胞中微 管的组织有关，参与细胞分裂过程中纺锤体的、动物的鞭毛和纤毛的形成，主要存在 于动物细胞。 

 ９ 液泡 

液泡 (vacuole)是一种囊状的单层膜细胞器，在其中有细胞液，为酸性 环境。液泡的作用是存储并降解细胞中的废物和有害物质。液泡也可以参与自体吞噬， 以维持许多细胞内结构的生成和降解平衡。液泡占据了植物细胞体积的90％以上。

  (四) 内膜系统 

 内膜系统 (endomembranesystem)由真核细胞，细胞质中的一组磷脂膜组成，它 们相互联系，形成一个整体的功能和结构单位，磷脂膜之间直接连接或者通过囊泡传 递交换物质。内膜系统将细胞分隔成功能和结构的区室或细胞器。这些细胞器包括核 膜、内质网、高尔基体、溶酶体、小泡和内质体等。但是，内膜系统不包括线粒体或 叶绿体在内的质体的膜。 

 (五) 细胞骨架 细胞骨架 (cytoskeleton)是分散在整个细胞质内的蛋白纤维网状结构，属于广义上的细胞器的一种，是真核细胞重要的结构特征。细胞骨架包括微管、微丝和中间纤 维 (中间丝)。细胞骨架具有多方面的功能，包括：①维持细胞形态，为细胞提供结构 框架，决定了细胞的形状和细胞的大致结构；②负责细胞的运动，例如，肌肉的收缩 和精子的游动；③参与细胞内物质运输，例如，神经元中神经营养因子由胞体向轴突 的运输；④参与细胞器和其他结构的定位，如参与细胞分裂过程中的染色体运动。 

(六) 原核细胞和真核细胞在结构及分子机制上的共性 尽管原核细胞与真核细胞在大小、形态和功能等方面有着许多差异，但两者之间 仍然在结构及功能上存在一些共性:①都有非常相似的细胞膜结构，由磷脂双分子层 组成；②都以 DNA 和 RNA 为遗传物质，有几乎完全一样的遗传密码；③都通过细胞 分裂进行增殖；④相同的遗传信息转录及翻译机制，有类似的核糖体结构；⑤部分代 谢机制相同，如糖酵解和三羧酸循环；⑥都有相同的化学能储存机制，都以 ATP为直 接的能量来源。

 

思考题目

１.细胞有哪些分类方法? 

２.真核细胞与原核细胞的主要异同点有哪些? 它们之间在进化上有什么关系? 

３.DNA 的遗传信息在细胞中是如何复制,并传递给其他生物大分子的? 

４. 核酸和蛋白质的组成和结构是怎样的?