Content #
细胞的特性 The Nature of Cells #
究竟哪些化学物质能够满足如此极致的物质合成，使得简单细胞在几分钟内，以及复杂细胞在一天之内，能实现自我复制呢？从根本上讲，构成生命的基本元素仅涵盖了117种已知元素中的6种，包括碳、氢、氮、氧、磷和硫。细胞中99%的分子是由氢、氧结合所形成的水分子构成的。这看起来似乎会导致生命体变得如稀汤寡水一般，但事实上，部分水分子并不以液体的形态存在，而是被牢牢地锁在某些大分子结构中。在分子水平上，所有细胞均以一组数量有限的碳基分子为物质基础，包括提供化学能的糖，构成细胞膜的脂肪酸，作为蛋白质基本单位的氨基酸，以及RNA、DNA等信息分子亚单位的核苷酸。所有蛋白质均由20种不同的氨基酸组成，而这些氨基酸也是所有生物所共有的。如同单词是由字母所组成一般，氨基酸的“字母”也以各种不同的方式组合在一起，形成了大量的蛋白质“词汇”。蛋白质具有极其多样的形态，可以作为结构材料、化学催化剂与分子马达，支撑并驱动着生命的进程。每一个蛋白质的密码源于我们DNA中的另一组密码，即由四个字母所组成的基因密码。基因在每次细胞分裂过程中，不断地从母细胞传递至子细胞中。我们的DNA中含有大约24 000个基因，其中每一个基因仅仅对应一种蛋白质。但有趣的是，我们体内可能存在着远超这一数量的蛋白质，多出来的蛋白质是通过修改原始遗传信息而产生的。蛋白质可以相互结合形成多蛋白复合物，它们作为“齿轮”与“轴承”，驱动细胞内负责生产与维修的“电机”正常运行。这种复杂的活动在细菌等较为简单的细胞中可以有效地运行，而在更大、更复杂的细胞（如人类细胞）中，特定的细胞活动将在独立的区域——细胞器中进行。细胞器具有独立的膜结构，可与细胞内的其他组分相隔开。除此之外，我们的身体内还含有200多种不同的细胞类型，这也使机体更为复杂。
细胞的基本特征
◆ 作为生命的基本单位，细胞必须满足三个条件：（1）细胞必须是一个独立的实体，并具有表面的膜结构；（2）细胞可通过与周围环境相互作用，以某种方式获取能量，维持自身活动并实现生长；（3）细胞可进行自我复制。
细胞的内部
◆ 在动物细胞中，线粒体通过分解食物分子为所有细胞活动提供能量。植物细胞具有独特的叶绿体，可以将阳光与二氧化碳转化为糖，作为线粒体的能量原料。在进化早期，线粒体与叶绿体本身可能曾是自由活动的生命体，之后才稳定地存在于一个更大、更复杂的细胞中。
◆ 在任一特定的生命体中，不同类型细胞（无论大脑、肠道还是皮肤细胞）的DNA信息都是一样的。大多数细胞（指体细胞）包含DNA分子中的两个拷贝，因此被称为二倍体（diploid），而生殖细胞（包括卵细胞和精子）中仅有单一拷贝的DNA，因此生殖细胞又被称为单倍体（haploid）。当卵细胞与精子融合产生第一个胚胎细胞（受精卵）时，两个拷贝的DNA又重新出现了。
组织与分化
◆ 作为细胞分化的一个典型例子，不妨来简单了解一下构成我们体表屏障的细胞——角质细胞。角质细胞是皮肤表面的细胞在经历重大“重构”（分化）后形成的特殊细胞，其形状呈扁平多边形，主要由角蛋白（与构成指甲、头发与鸟类羽毛的蛋白质相同）构成。每个角质细胞将在体表停留大约一天的时间，随后脱落，并被下面的皮肤细胞取代。因此，我们每天都会以全新的皮肤细胞来面对这个世界。脱落的角质细胞由位于其下侧的原始细胞补充，原始细胞在跨越由24层细胞所构成的皮肤层的这一过程中不断进行细胞分化，直到到达顶端。顶层的角质细胞在脱落的同时可以有效地除去堆积在体表的细胞碎片、细菌（每平方厘米高达750万个），以及各种试图定植于我们体表的真菌。一个成年人皮肤的表面积大约为2平方米，而在每平方毫米的皮肤上有1000个角质细胞。因此，人体每天损失（及替换）的细胞数量大约在2000万个。家庭灰尘的60%来源于我们所脱落的皮肤细胞，而那些刚好脱落在床上的细胞则成为生活在床垫中的100万个尘螨每天的食物。尽管人类身体其他部分的新陈代谢并不都是以如此快的速度进行的，但皮肤作为人体最大的器官，可以为我们理解细胞的基本特性提供一个很好的例子——复制、分裂、分化、作为组织的一部分发挥其正常的生理功能，并最终走向死亡。
单细胞生物简单吗
◆ 。在光学显微镜下，单细胞植物（如绿藻门的衣藻）的叶绿体中，可以观察到一种被称为“眼点”的结构。眼点是一种复杂的三明治状膜结构，其上有多排颗粒，每个颗粒中含有大约200种不同的蛋白质。在这当中，有一种被称为视紫红质的物质，它与在人类视网膜中所发现的视紫红质结构完全相同。因此，眼点具有感光的特性，可在受到刺激后产生相应信号并促使鞭毛以不同的方式摆动，因此，藻类细胞可游向相对明亮而又不被强光照射的区域。虽然眼点可以被看作是一个原始的眼睛，但它并不具有成像功能。即便如此，眼点已足以为生物体提供其所需要的所有信息，帮助其控制昼夜节律，并优化光合作用活动。
组织培养
◆ 当切下一小块组织块并投入培养时，最先开始生长的细胞是生物体内可对损伤做出响应的细胞类型，即成纤维细胞（fibroblast）。成纤维细胞是组成我们身体结构框架的结缔组织（如韧带和筋腱）中的重要成员。当机体受到损伤后，成纤维细胞可以将伤口的边缘聚拢，同时分泌出胶原蛋白以形成疤痕组织。在体外培养时，成纤维细胞呈现出长而薄的形状，当其在培养器皿表面移动时，细胞的前部会伸出并呈扇形展开（如图3c所示）
◆ 2024/08/12发表想法
永生的海拉。
原文：亨丽埃塔的细胞培养成功的消息很快传遍了整个细胞生物学界。为了满足全世界对第一个永生人类细胞系的需求，塔斯基吉研究所开始批量生产海拉细胞，每周运送20 000管细胞（6万亿个细胞）至世界各地。也就是说，每隔几个月，就有多达可以形成亨丽埃塔本人数量的细胞离开生产线。
细胞膜
◆ 几乎所有的细胞内活动均受到细胞膜上近500种脂质分子及多达10 000种的膜蛋白的影响，又或者主动参与了对这些分子活性的调控过程
脂质的生产过程
◆ 在细胞内，脂肪以微小的单液滴形式生成于内质网表面，这一过程称为脂肪生成（lipogenesis）。虽然我们所熟悉的脂肪，如牛排边缘及我们腰身周围的脂肪，看起来似乎是均匀的固体肿块，但事实上它们均以被膜脂肪滴的形式储存于脂肪细胞中（如图3d所示）。如果持续地摄入营养，脂肪细胞中便会有越来越多的脂滴积累。这些脂滴与邻近的脂滴相融合，变得越来越大并占据了细胞的绝大部分体积，最终使得细胞达到其“正常”体积的100倍以上。因此，肥胖是脂肪细胞内脂滴持续积聚所引起的能量平衡紊乱的结果。在这一点上，我们可能会懊恼内质网如此优秀的脂质合成效率。除了提供脂肪储存，光面内质网中还存在一些特殊的酶类以分解脂肪，这一过程被称为细胞内脂质水解或脂解。因此，影响体重的一个主要因素便是内质网中脂质合成与分解之间的平衡。众所周知，超重将对健康产生重大影响。但令人遗憾的是，细胞水平的脂肪代谢却受到了相对较少的关注，脂滴也仅仅被认为是简单的脂肪储存库。新近研究表明，脂滴其实是一种特殊的细胞器而非“脂肪块”。所有的真核细胞都具有合成脂质的能力，而这些脂质还可以进一步形成天然油脂产物，如来自植物细胞的菜籽油、橄榄油，以及来自动物细胞的乳脂、羊毛脂与猪油。脂质分子在内质网表面聚集，随后形成了单个液滴（由一层脂质单层膜包裹着），并保持在富含脂质合成酶的区域处。线粒体与脂质合成密切相关，可为脂质合成提供能量。事实上，负责脂质合成的线粒体由一组膜蛋白连接至内质网表面。随着越来越多的脂质积聚，单个脂滴通过膜融合与相邻脂滴相融，进而形成更大的脂滴（如图3d所示）。与此过程相反的是，在脂肪分解过程中，大的脂滴被分解成小的脂滴，来自光面内质网的酶可将脂质分子进行分解，从而缩减了脂滴的大小。
细胞骨架
◆ 尽管在某些细菌中存在与真核细胞的细胞骨架相类似的原始蛋白，但高度组织化的细胞骨架仍是真核生物的独有特性。真核细胞的细胞骨架被定义为三种大型蛋白所构成的网络，其中包括：微管（由更小的蛋白——微管蛋白所构成）、中间丝（一组具有类似性质的纤维蛋白）以及微丝（由更小的蛋白——肌动蛋白所构成）（如图6a、6b所示）。
◆ 除了全细胞反应，细胞骨架在细胞内的物质运输中也起着至关重要的作用。其中，微管可以与动力蛋白等分子马达相互作用，从而为细胞内装载着货物的液泡或细胞器的移动提供一条“铁路干线”。[插图]
细胞核的遗传组分
◆ “DNA产生RNA， RNA产生蛋白质”这一基本“法则”。
我们有许多DNA
◆ 。DNA携带的遗传信息储存于胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）、腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）这四个核苷酸碱基的排列顺序之中。其中每三个碱基对应编码一个氨基酸（例如TTA编码亮氨酸，而TTT则编码苯丙氨酸）。
◆ 人类23 600个基因仅占用了DNA大约2厘米的长度，而我们仍不清楚DNA剩余98.5%的功能。
◆ “非编码”（不编码基因）是一个更合适的描述。由于细胞不太可能在每次分裂时无缘无故地复制超过十分之九的多余DNA，因此我们应考虑这些大量的DNA可能具有未知的功能，而非没有功能。一些非编码DNA对细胞十分重要，与编码区一样，非编码区的DNA损伤也可引起细胞死亡。此外，非编码DNA中还包含有假基因，即不再用于制造蛋白质的序列。这可能是进化过程中积累下来的信息。尽管这些信息可能沉寂了数百万年的时光，但也可以被重新激活并积极地发生转录。几乎可以肯定的是，一些非编码DNA源于细胞遭受感染后与病毒DNA的结合。一旦遭受感染，人体很难完全清除病毒DNA。随着进化的进行，这一部分DNA可以达到相当大的数量，估计可以达到人类基因组的8%。
◆ 基因本身具有复杂的结构，其起始端含有一个起始密码子，即启动子，末端含有一个终止密码子，即终止子。在基因的编码序列即外显子（exon）中，存在嵌入其中的非编码序列，即内含子（intron），这些非编码序列在翻译前须被去除。一般来说，如果一个原始的生命体含有某一个特定的基因，那么那些更为复杂的生命体中会含有大量该特定基因相关的基因，其数量与进化时间密切相关。这表明，随着时间的推移，基因通常会被复制，并进一步实现其序列的进化。
DNA是如何包装的
◆ 在细胞分裂的过程中，原本弥散分布于细胞核内无法直接观察到的DNA分子经过卷曲与超螺旋凝缩（condensation）过程形成了清晰可见的染色体，这是我们在遗传学书籍中可以常常看到的图像（如图8c、8d、8e所示）。
◆ 人类的DNA首先与一组被称为组蛋白的结构蛋白相结合。在包装的第一阶段，八个组蛋白分子将DNA进行两次包裹，呈现出“串珠”状的外观，这一结构被称为核小体（如图8a所示）。随后，相邻的核小体通过与另一种H1组蛋白以锯齿状相互连接，形成了直径为10纳米的纤维。最后，该纤维进一步被扭成直径为30纳米的中空螺线管结构，即染色质。
核仁
◆ 。电子显微镜照片显示，核仁具有“三重成分”的内部结构，包括一个纤维状中心、致密纤维成分，以及颗粒成分（如图7c所示）。核仁的主要功能在于核糖体的生产，其三组分结构即反映了发生在核仁中的三个事件：核糖体RNA的转录（请参阅第4章），核糖体RNA的加工以及核糖体的组装。与这一过程相关的DNA位于人类的五个不同的染色体上，定位在核仁组织区处。这些区域在细胞分裂后将汇聚在一起，形成三个或四个核仁。随后，核糖体基因得以转录，核糖体亚基也被部分组装，以准备从细胞核中运送出去。可以说，细胞将基因、转录机器、加工与组装集中在一个位点的行为使其生产速度达到了令人惊叹的水平——处于分裂中的人类细胞可以在一天之内产生1000万个核糖体，因此，核仁本质上就是一个核糖体工厂，其效率甚至让亨利·福特（Henry Ford）都羡慕不已。
减数分裂
◆ 减数分裂是一种生殖分裂。通过减数分裂，多细胞生物可以产生具有单份DNA（单倍体）的特殊细胞——配子（gametes），并通过与另一配子融合的方式产生具有正常的双份DNA（二倍体）的细胞（合子），进而形成胚胎并进一步发育成为一个新的个体。配子在大多数动物中是精子与卵细胞，在植物中是花粉与胚珠，在真菌等其他生命形式中则是孢子。通过两种不同个体配子间互相融合而产生新生物的行为被定义为有性生殖。动物大都依赖于有性生殖，但植物还保留着无性生殖的方式。本书不就有性生殖的遗传重要性作过多展开，但可以说，有性生殖带来的基因不断融合，为自然选择下的进化提供了更多生物多样化的可能性。
◆ 减数分裂的机制相对较为简单：在减数分裂的过程中，细胞经历了两轮染色体分离，而在两者之间却缺少了一轮DNA复制。二倍体细胞分裂两次，将产生四个单倍体配子。减数分裂起始于二倍体细胞中两个相匹配的（同源）染色体（一个母本，一个父本）联会，此时DNA可能会发生“交换”，这一过程被称为交叉互换。第一次分裂将使得每一对染色体中的其中一个染色体分配至两个新的子细胞中，然后直接分裂产生四个配子。此时，这些配子将含有原始DNA中的一半（单倍体）。在减数分裂过程中，通过纺锤体微管进行染色体分离的分子机制与有丝分裂过程几乎完全相同。从数字上讲，精子的产量大大超过了卵细胞，这是因为一个有生育能力的男性在每次心脏跳动的同时便可以生产1000个精子，而女性在一生当中只能产生大约500个卵细胞。
我们的细胞寿数几何
◆ 斯德哥尔摩卡罗林斯卡研究所（Karolinska Institute）的乔纳斯·弗里森（Jonas Frisen）认为，我们体内的大多数细胞在整个生命周期中均会被替换，其平均替换时间为7~10年。然而，有三种细胞将陪伴我们一生，它们是大脑皮层的神经元、晶状体内部的细胞，以及可能令人惊讶的——心肌细胞。
对外界进行响应
◆ 。在30亿~40亿年前，地球表面逐渐冷却，此时水生细菌可以利用二氧化碳，在阳光照射的海洋中产生氧气与复杂的碳水化合物。大气中氧气含量的提升经历了数个阶段，起始于大约25亿年前的“大氧化事件”。然而，只有当“雪球地球”的冰川融化之后，氧气浓度进一步提高之时，大气的含氧量才足以维持多细胞动物的生存。适合大多数复杂生命体生存的地化条件大约在6亿年前才成功建立，这或许是改变地球的最为重要的事件。
神经系统
◆ 我们不能在单个细胞水平上理解视觉、意识和记忆的复杂功能，只能通过数十亿个细胞之间的相互联系来进行了解，这或许是生物学中最极端的涌现性案例。
06 干细胞 Stem Cells
◆ 在动植物体内，有一类未分化的细胞可以产生机体从出生到死亡所需要的每一种细胞。一旦生物体走向成熟，这些未分化细胞便可以产生功能器官或组织所需要的一系列特化细胞。这一类未分化细胞便被称为干细胞。随着科技的发展与组织显微解剖技术的崛起，有证据显示人体内大多数器官与组织都具有自己的干细胞，可以分裂分化形成成熟的功能细胞。从某种程度上来说，我们可以将干细胞想象成一张空白的画布，其上印着许多隐藏起来的细胞图片。不同的蛋白质组合（生长因子）或其他刺激物（如接触到细胞的脂质或糖）可以刺激干细胞分裂，并使子细胞的特征发生变化。
干细胞特性
◆ 为了对骨髓中的类似现象进行解释，雷·斯科菲尔德（Ray Schofield）提出了一个假设，即干细胞聚集在一个特化的部位或龛中。干细胞龛由一组细胞所构成，可以为干细胞提供适宜的微环境（如图17所示），类似于“大本营”的作用。干细胞龛可以将干细胞很好地保护起来，成为机体持续性组织再生的储存库，并通过调控干细胞自我更新与分化之间的平衡，在其命运控制与数量维系等方面起到至关重要的作用。在大多数情况下，位于干细胞龛中的成体干细胞处于休眠状态，只有当细胞从微环境中接收到刺激信号时才会进行分裂。但目前关于这一信号的具体分子基础仍不清楚。当干细胞进行分裂后，子细胞中的其中一个将作为干细胞继续留在干细胞龛中，而另一个子细胞将离开干细胞龛并快速分裂分化形成成熟细胞。如果微环境受到进一步刺激，例如施加生长促进蛋白，则可以大大加快该过程的速度。干细胞龛模型已经在部分系统（例如果蝇卵巢、植物子房以及哺乳动物的结肠隐窝）的干细胞相关研究中得到了证实，但其是否适用于所有干细胞仍不清楚。[插图]图17 干细胞龛的一个简单模型
◆ 所有动物细胞都有内在的衰老时钟。在每个染色体的末端，有一种被称为端粒的保护结构，该结构由TTAGGG的DNA重复序列组成。端粒可防止染色体末端融合，抑制环状染色体的形成。细胞在每次进行分裂时，此序列的一或两个拷贝将无法完成复制。因此，在经过多次分裂后，端粒的保护作用将开始消失。此时染色体末端将出现“磨损”，细胞也无法再次分裂。胚胎干细胞通过产生端粒酶以对端粒的损伤进行修复，从而保证胚胎干细胞在早期发育可以进行多次分裂而不受分裂次数的限制。在成年组织中，需要持续分裂的细胞（例如免疫细胞与器官特异性干细胞）也存在表达水平较高的端粒酶，而在大多数其他类型细胞中，端粒酶的表达水平往往较低。此外，在迅速分裂的肿瘤细胞中，通常也可以检测到高表达的端粒酶。
◆ ，许多哺乳动物组织中成体干细胞的数量会随着时间推移而减少，这可能是低水平DNA损伤所引起的。这将促使干细胞进入休眠状态，从而影响高龄动物的细胞分裂能力。干细胞龛的数量也可能会随着年龄增加而减少。而我们之所以会变老，一部分原因也正是因为在年轻时我们的干细胞参与抑制了癌细胞的生长，这导致了干细胞的衰老。
07 细胞疗法 Cellular Therapy
◆ 还有许多疾病虽然不会直接威胁人类生命，但由于具有复杂的生化性质，因此无法通过药物治疗使患者痊愈。此时理想的解决方案或许是通过替换缺陷细胞来对此类疾病进行根治。这一过程便称为细胞疗法。细胞疗法可以分为不同形式，其中最为人们所熟悉的包括成熟的功能细胞移植（如输血），以及干细胞移植（如骨髓移植）。目前我们仍需要研发出一种标准疗法，用于引入改良的人类或动物细胞来取代相应缺陷细胞（例如对糖尿病患者进行胰岛素生成细胞的接种与替换）。
血细胞移植
直到20世纪初，卡尔·兰德斯坦纳（Karl Landsteiner）发现了人类血型的存在（A、B、AB、O型），并因此获得了1930年的诺贝尔奖。兰德斯坦纳发现，将不同血型的人的血液混合在一起将会导致血液的凝集，而这正是由不同血型之间的免疫反应所引起的。血型分类的依据在于红细胞表面上是否存在特定的遗传性抗原，这些抗原包括了蛋白、碳水化合物以及脂质。如果输入了不同血型的血液，接受者血浆中的抗体便会对这些新的红细胞进行攻击，将其破坏，该反应又被称为溶血反应，可导致肾功能衰竭与循环性休克。
From #
《牛津通识课：细胞》 特伦斯·艾伦 格雷厄姆·考林