一、细胞

人体细胞约有200多种类型，形态各异，大小差异较大，以适应机体的各种特定功能（图2-1）。细胞内的所有生命物质统称原生质，基本化学成分包括无机化合物（水、无机盐等）和有机化合物（糖类、脂类、蛋白质及核酸等）。细胞均由细胞膜、细胞质和细胞核构成。细胞内部的超微结构则需借助电子显微镜观察（图2-2）。

（一）细胞膜

细胞膜（cell membrane）是细胞最外层的膜状结构，又称质膜（plasma membrane），将细胞质与外环境分隔，构成一种屏障，使细胞具有一个相对稳定的内环境。细胞膜甚薄，厚7.5～10nm，光镜下不能分辨。电镜下，呈现三层结构，内外各有一条厚约2.5nm的电子致密带，中间夹有厚约2.5nm透明带，称单位膜（unit membrane），细胞内有膜细胞器均具有单位膜结构，细胞膜和细胞内膜系统，统称生物膜（biomembrane）。

1.细胞膜的化学组成

（1）膜脂：

生物膜上的脂类统称膜脂（membrane lipid），主要有磷脂、胆固醇和糖脂。膜脂分子的两端分别形成极性头部和非极性尾部，头部有亲水性，朝向细胞膜内外表面，尾部有疏水性，伸向细胞膜中央（图2-3）。

（2）膜蛋白：

执行着细胞膜的众多重要功能。根据膜蛋白与膜脂的结合方式不同，分为内在蛋白和外在蛋白。内在蛋白是膜蛋白的主要存在形式，占膜蛋白总量的70%～80%，其主体部分穿越脂质双分子层，亲水端位于膜的内、外两侧；外在蛋白通过非共价键附于膜的内、外表面（见图2-3）。

（3）膜糖类：

生物膜含糖量较少，仅占细胞膜重的2%～10%。膜糖类大多是低聚寡糖链，与蛋白质或脂类分子相结合形成糖蛋白或糖脂，分布于质膜外表面，形成糖萼或细胞衣（cell coat）（见图2-3）。细胞衣与细胞间的识别、细胞信息交换、细胞免疫、细胞粘附、细胞癌变以及对药物和激素的反应等密切相关。

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细胞识别 ER-2-1

ER-2-1　细胞识别

2.细胞膜的特性

细胞膜有两个显著的特性，即膜脂和膜蛋白分布的不对称性，以及膜脂和膜蛋白的流动性。膜蛋白的运动速度较膜脂慢，常局限于某一特定区域。

3.细胞膜的分子结构

在众多细胞膜分子结构模型学说中，比较公认的是Singer和Nicolson（1972）提出的液态镶嵌模型（fluid mosaic model）（见图2-3），即液态的脂质双分子层构成膜的主体支架，它既有固体分子排列的有序性，又有液态分子的流动性，膜蛋白分子以不同形式与脂质双分子层结合。

4.细胞膜的功能

细胞膜除具有维持细胞一定构型、构成细胞屏障、限制外界某些物质进入及防止细胞内某些物质流失外，还在细胞内外物质转运、信息传递、膜抗原属性、细胞防御、细胞黏合及细胞连接等方面起重要作用。

理论与实践

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ER-2-2　横纹肌溶解综合征

（二）细胞质

细胞质（cytoplasm）简称胞质，由基质、细胞器和内涵物组成。

1.基质（cytoplasmic matrix）

是细胞质的基本成分，呈溶胶样，填充于细胞质的有形结构之间，构成细胞的内环境。基质有一定的弹性和黏滞性。基质中含有与糖类、脂类代谢及蛋白质合成等重要生命活动有关的反应物和产物。

2.细胞器（organelle）

是细胞质内有一定形态和特殊功能的有形成分，各种细胞器在机体统一协调下完成各自功能。

（1）核糖体（ribosome）：

又称为核蛋白体，是细胞内最小的细胞器。核糖体呈颗粒状，无单位膜包裹，由核糖体核糖核酸（rRNA）和蛋白质共同组成。电镜下，核糖体由大亚基和小亚基组成（图2-4）。大、小亚基在细胞内常呈游离状态。当小亚基与mRNA结合后，大亚基才能与小亚基结合形成完整的核糖体。单个核糖体无功能活性，当一定数量的核糖体附着在信使核糖核酸（mRNA）分子上，成为多聚核糖体（polysome），为合成蛋白质的结构单位。

核糖体有两种存在形式，游离于细胞质内的称游离核糖体（free ribosome），附着于内质网膜及外核膜上的称附着核糖体（attached ribosome）。游离核糖体主要合成结构蛋白，供细胞自身代谢及生长增殖需要；附着核糖体主要合成分泌蛋白，经高尔基复合体加工后形成分泌颗粒排出细胞外。

（2）内质网（endoplasmic reticulum，ER）：

以单层生物膜围成的封闭式小管、小泡或扁囊结构，其分支相互吻合构成连续的膜性三维网状系统。根据内质网表面有无核糖体附着，分粗面内质网和滑面内质网，两者相互通连（图2-5）。

粗面内质网（rough endoplasmic reticulum，RER）大多为扁平囊状，表面附有核糖体。它们相互延续，并与部分外核膜相连，网腔和核周间隙相通。粗面内质网的主要功能是合成分泌蛋白质和膜结构蛋白质。

滑面内质网（smooth endoplasmic reticulum，SER）通常为分支管泡状结构，表面光滑，无核糖体附着。滑面内质网膜上有多种酶系，与类固醇激素的生成、脂类代谢、糖原代谢、肌收缩、药物代谢和解毒功能等密切相关。

问题与思考

合成蛋白质的结构单位是什么？核糖体存在形式与蛋白质类型有何关系？

（3）高尔基复合体（Golgi complex）：

位于细胞核一侧，中心体附近。电镜下，由多层扁平囊、小泡和大泡组成（图2-6）。高尔基中间膜囊是主体，常以3～8个扁平状囊泡平行排列而成，并向一侧弯曲呈弓形。弓形的凸面称生成面（未成熟面或顺面），朝向细胞核，表面可见许多由粗面内质网形成的运输小泡；凹面称分泌面（成熟面或反面），可见由扁平囊芽生而来的大囊泡，数量较少。

高尔基复合体的主要功能：①参与细胞内物质运输，内质网合成的蛋白质和脂类，经高尔基复合体加工、修饰后形成糖蛋白、糖脂、蛋白多糖和溶酶体酶等，再经高尔基复合体分选后运送到细胞的各个部位；②参与细胞内膜的更新。

（4）线粒体（mitochondria）：

除了成熟红细胞外，存在于人体所有细胞中，含有多种与生物氧化有关的酶，为细胞提供能量。线粒体呈长椭圆形，由内、外两层单位膜构成（图2-7）。外膜光滑，较内膜稍厚；内膜向内折叠形成板状或管状结构，称线粒体嵴（mitochondrial crista），内膜内表面附着球形小体，称基粒（elementary particle），又称ATP合成酶复合体（ATP synthase complex），是催化ADP磷酸化生成ATP的部位。内、外膜之间的间隙，称外腔。内膜包围的空间，称内腔，内腔充满基质，是三羧酸循环进行的部位。基质内含有线粒体基因组（mtDNA）和细胞氧化代谢中必需的酶和蛋白质，说明线粒体能独立合成蛋白质，并进行自我复制，但由于线粒体中大多数酶或蛋白质仍由核基因编码指导合成，因此，线粒体只有半自主性。

线粒体是细胞有氧呼吸和供能的场所，细胞生命活动能量的95%来自线粒体的ATP。线粒体也与信号转导、细胞凋亡和多种离子跨膜转运有关。

（5）溶酶体（lysosome）：

由单位膜包裹、内含60多种酸性水解酶的致密小体，其大小不等、形状多样（图2-8）。

初级溶酶体（primary lysosome）由高尔基复合体的成熟面出芽脱落形成，内含溶酶体酶。内含的酶因没有活性，所以又称非活动性溶酶体。

当初级溶酶体与细胞内自身产物或由细胞摄入的外来物质相互融合并消化底物，称次级溶酶体（secondary lysosome）。根据其融合底物来源的不同而分为自噬性溶酶体和异噬性溶酶体：前者融合内源性物质，如衰老或崩解的细胞器等，在细胞结构的更新和细胞正常功能的维持中起重要作用；后者融合外源性物质，如细菌及衰老坏死的细胞碎片等。次级溶酶体中的酶有活性，可以分解蛋白质、核酸、脂类和糖类等，因此又称活动性溶酶体。分解后的营养物质如氨基酸、单糖等透过溶酶体膜扩散到细胞基质中，参加正常细胞代谢被重新利用。次级溶酶体对被消化的底物进行消化分解后，常剩余一些不能消化的残余物，这时的溶酶体称残余体（residual body）。残余体可以排出细胞外也可积累在细胞内，如神经细胞、心肌纤维及肝细胞中的脂褐素就是一种长期积累在细胞内的残余体。溶酶体除了有吞噬及消化作用外，还参与受精及激素分泌过程等。

正常情况下，溶酶体的消化作用对细胞本身并不损害，但在机体缺氧、中毒、创伤等情况下，溶酶体膜破裂，水解酶流散到细胞质内，致使整个细胞被消化而死亡。研究发现，肿瘤、休克、发热、肝炎和硅沉着病等疾病的发生，均与溶酶体有密切关系。

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溶酶体对自身结构的吞噬降解作用称自噬作用，是一种高度调节、异化的过程，能使细胞自己吃掉自己。自噬还能为细胞提供在不能进行凋亡时的一种替代形式的自我毁灭。细胞可以通过自噬作用清除降解细胞内受损伤的细胞结构、衰老的细胞器以及不再需要的生物大分子等。自噬作用在消化的同时，也为细胞内细胞器的构建提供原料，即细胞结构的再循环。了解自噬细胞死亡途径，对研究和治疗癌症、阿尔茨海默病和帕金森病等具有重要意义。

理论与实践

硅沉着病 ER-2-3

ER-2-3　硅沉着病

（6）过氧化物酶体（peroxisome）：

又称微体（microbody），由一层单位膜包裹的圆形小体，内含均质细小颗粒组成的基质，其内存在40多种酶，主要为过氧化氢酶、过氧化物酶和氧化酶。过氧化物酶体能清除血液中各种毒素，通过过氧化氢酶的作用消除对细胞有害的H2O2。同时，又利用H2O2氧化其他各种底物，将H2O2还原成水，防止过量的H2O2对细胞产生毒性作用。

（7）中心体（centrosome）：

多位于细胞核的周围，光镜下为球形小体。电镜下，由一对呈圆筒状、彼此互相垂直排列的中心粒和周围电子密度高的细胞基质构成。中心粒管壁由9组三联管构成，每一组又包括A、B、C三个微管，9组微管相互之间呈斜向排列，略似风车的旋翼。中心体形成微管并参与细胞的有丝分裂。

（8）细胞骨架（cytoskeleton）：

由蛋白质纤维组成的三维网架结构，包括微管、微丝和中间丝。胞质中各种细胞器、酶和蛋白质均固定于细胞骨架，有条不紊地执行各自的功能。

微管（microtubule）：由微管蛋白装配成细长中空的圆柱形小管，粗细均匀、无分支，直径约22nm，管壁厚约5nm，直行或略弯曲。微管蛋白为球形的二聚体，许多微管蛋白分子彼此首尾相接形成微管蛋白原纤维，再由13根原纤维围成微管。微管是一种不稳定的细胞器，不断地解聚为微管蛋白，又不断地聚合成新微管。微管可装配成单管、二联管（纤毛和鞭毛）和三联管（中心粒、基体）（图2-9）。微管除参与构成细胞支架外，还与细胞收缩、细胞运动、细胞分裂、细胞内物质运输及细胞分化等相关。

微丝（microfilament）：实心的丝状结构，普遍存在于各种细胞内，直径5～8nm（见图2-9）。主要化学成分为肌动蛋白，故又称肌动蛋白丝。微丝多分布在细胞的周边，常在质膜下形成网。微丝除对细胞有支持作用外，还与细胞的吞噬、微绒毛的收缩、细胞伪足的伸缩、变形运动、胞质流动及细胞器的移动等有关。

中间丝（intermediate filament）：直径介于微丝与微管之间，为8～10nm，比微管和微丝稳定，中间丝可分为角蛋白、结蛋白、波形蛋白、神经纤丝蛋白和胶质原纤维蛋白5种，具有组织特异性。中间丝在胞质内形成一个完整的网架支持系统，它与微管、微丝及其他细胞器关系密切，并与质膜和细胞外基质直接联系。中间丝参与构成细胞连接，还与细胞分化、细胞内信息传递及核内基因表达等重要生命活动过程有关。

理论与实践

微丝和微管在进化上具有高度保守性，各种细胞中微丝和微管蛋白基本是相同的，中间丝来源于同一基因家族，分为5种蛋白，大部分细胞中仅含有一种中间纤维蛋白，具有组织特异性。因此，中间纤维蛋白是肿瘤鉴别诊断的有用工具，即使发生转移的肿瘤细胞仍保留有源细胞的中间纤维蛋白。如角蛋白可作为上皮源性肿瘤的标记物，结蛋白可作为肌源性肿瘤的标志物，波形蛋白可作为结缔组织肿瘤的标志物，胶质原纤维蛋白作为胶质肿瘤的标志物等。

3.内涵物

为细胞内的一些代谢产物或细胞的贮存物质，如糖原、脂类和色素颗粒等。

（三）细胞核

细胞核（nucleus）在真核细胞中体积最大、功能最重要，是细胞遗传、变异、代谢、生长和分化繁殖的控制中心，是DNA复制和RNA转录的基地，在细胞生命活动中起决定性作用。细胞核的数量、位置、大小和形态常因细胞类型不同而异。多数细胞只有一个核，少数细胞无核（如成熟红细胞）、双核（如肝细胞、软骨细胞等）或多核（如骨骼肌纤维、破骨细胞等）。细胞核的位置多居于细胞中央，也有偏于细胞一侧的（如上皮细胞、浆细胞等），有的甚至被挤向细胞的边缘（如脂肪细胞）。细胞核的大小差异较大，与胞质的体积有关。细胞核的形态常与细胞的形态相适应，如球形细胞、立方细胞和多边形细胞的细胞核为圆形；柱状细胞和梭形细胞的细胞核多呈卵圆形；扁平细胞的细胞核为扁圆形；也有其他特殊形状的细胞核，如白细胞核呈杆状核及分叶、浆细胞核呈车轮状核等。存在于间期的细胞核，称间期核，由核膜、染色质、核仁及核基质组成（图2-10）。

1.核膜（nuclear membrane）

即包围在核表面的界膜，由内、外两层生物膜构成，分别称内核膜和外核膜，两层膜之间的腔隙称核周隙（perinuclear space），内核膜、外核膜及核周隙三者合称核被膜（nuclear envelope）。外核膜的胞质面有核糖体附着，在某些部位与内质网膜相连续；核周隙与内质网腔相通，因此，核膜也参与蛋白质的合成。内核膜有核纤层贴附，核纤层（nuclear lamina）是一层由细丝交织形成的致密网状结构，维系着核的形状及染色质的高度有序性。核膜包围染色质及核仁，构成核内微环境，保证遗传物质的稳定性并利于细胞核各种生理功能的完成。细胞核内进行DNA复制、RNA转录与加工，而在细胞质内进行蛋白质的翻译，这样避免了互相干扰，使细胞的生命活动秩序井然。

内核膜和外核膜常在某些部位融合形成环状开口，称核孔（nuclear pore），是由蛋白质构成的复杂结构，又称核孔复合体（nuclear pore complex），核孔复合体有效直径为9～10nm，一般认为，水、离子、单糖、双糖、氨基酸和核苷酸等小分子物质可直接透过核被膜，而RNA与蛋白质等大分子物质则经核孔出入核。核孔是胞核与胞质间进行物质交换的通道，并对物质交换具有选择性运输作用。

2.染色质与染色体

都是遗传物质在细胞中的贮存形式，它们是同一物质在不同细胞时相表现的不同形态，主要成分均是核酸和蛋白质。

染色质（chromatin）指细胞间期核内分布不均匀、易被碱性染料着色的物质，光镜下呈细丝状、颗粒状或小块状，核膜下分布较多。其主要化学成分是DNA和组蛋白，另外还有非组蛋白和少量RNA，这些成分组成串珠状结构，称核小体（nucleosome）。核小体是构成染色质的基本结构单位，呈圆盘状，直径约10nm，核心由组蛋白八聚体（H2A、H2B、H3、H4各两个分子）构成，DNA链缠绕核心1.75圈，组蛋白H1结合在双链进出端，相邻核小体之间由DNA链连接（ER-2-4）。核小体链为染色质的一级结构，在DNA转录的部位呈伸展状态，表现为常染色质，光镜下着色浅；功能不活跃的部位呈高度螺旋化，即光镜下可见的异染色质，HE染色呈强嗜碱性。因此，细胞核染色深浅也反映细胞的代谢活跃程度。电镜下，染色质由颗粒和细丝组成，在常染色质部分呈稀疏状，在异染色质部分则极为浓密（图2-10）。

ER-2-4　染色质及染色体结构模式图

染色体（chromosome）是细胞在有丝分裂或减数分裂过程中由染色质（主要是DNA分子）超螺旋聚缩而成的棒状结构，分裂结束后，染色体解除螺旋化，分散于核内重新形成染色质。在细胞分裂中期由两条姐妹染色单体组成，它们仅在着丝粒处相连。着丝粒把染色单体分为长臂和短臂，两臂的长度是鉴别染色体的主要依据。着丝粒是染色体的一个重要组成部分，它在不同染色体上的位置是恒定的。染色体成对存在，它们分别来自双亲的对应染色体，故又称同源染色体。

每种生物染色体数目、形态、大小和内部结构都是相对恒定的。人体细胞有46条（23对）染色体，称二倍体，其中常染色体44条，性染色体2条。常染色体男、女相同，性染色体男性为XY，女性为XX。在成熟的生殖细胞中，染色体数目是体细胞中的一半，只有23条，称单倍体。分裂中期的染色体，按其形态特征顺序排列组成的图形，称染色体核型。染色体的数目和形态是生物物种的特征之一，可用染色体作为物种分类并探索物种之间亲缘关系的指标。

3.核仁（nucleolus）

是真核细胞区别于原核细胞的标志之一，光镜下呈圆形，强嗜碱性。多数细胞核仁的数量为1～4个，其大小及数量随细胞类型及功能状态而异。蛋白质合成旺盛的细胞核仁大而多，细胞静息时，核仁萎缩或消失。在细胞进行有丝分裂时，核仁同核膜一样，先消失以后又重建。电镜下，核仁无膜包绕，由纤维中心、致密纤维组分及颗粒组分构成。核仁的主要化学成分是RNA和蛋白质，主要功能是加工和装配核糖体亚单位，因此是形成核糖体前身的部位。

4.核基质（nuclear matrix）

由核液和核骨架组成。核液是黏稠的液体，含水、蛋白质及无机盐等成分；核骨架（nuclear skeleton）是由多种蛋白质形成的三维细丝网架结构，其功能除具有保持细胞核的一定形状外，还为细胞核内的化学反应提供空间支架。核内骨架与胞质骨架关系密切，胞质骨架纤维可直接穿越核孔成为核内骨架的组成部分。

（四）细胞增殖

细胞增殖指细胞通过分裂，增加细胞数量，以补充和更新细胞。细胞增殖有一个复杂的周期性变化过程。

1.细胞增殖周期

细胞从前一次分裂结束开始到下一次分裂结束为止经历的全过程，称细胞增殖周期，简称细胞周期（cell cycle），包括分裂间期和分裂期（图2-11）。分裂间期以DNA合成为依据，分为DNA合成前期（G1期）、DNA合成期（S期）和DNA合成后期（G2期）；分裂期（M期）以染色体的形成变化过程为主要依据，分为前、中、后、末4个时期。

2.间期细胞各期特点

G1期：细胞周期的第一阶段，此期长短因细胞种类而异。历时几小时到几天。主要特点是细胞体积显著增大，物质代谢活跃，迅速合成RNA和蛋白质。主要意义是为下阶段的DNA复制作好物质准备。细胞进入G1期后，会出现3种前途的细胞：①增殖细胞：能及时进入S期，并保持旺盛的分裂能力，如造血干细胞、表皮与胃肠黏膜上皮的干细胞等；②暂不增殖细胞或休止期（G0期）细胞：这类细胞是分化的、并执行特定功能的细胞，进入G1期后不转入S期，在需要时（如损伤、手术等）才进入S期继续增殖，如肝细胞及肾小管上皮细胞等；③不增殖细胞：此种细胞进入G1期后，失去分裂能力，终身处于G1期，最后衰老死亡，又称终末细胞，如高度分化的神经细胞、心肌纤维及成熟的红细胞等。

S期：是DNA合成期，是细胞周期的关键时刻。DNA经过复制而含量增加一倍，每条染色质丝都转变为由着丝粒相连接的两条染色质丝。只要DNA的复制一开始，细胞增殖活动就会进行下去，直到分裂形成两个子细胞。S期一般需数小时。

G2期：主要为M期做准备。这一时期DNA合成终止，中心粒已复制完毕，形成两个中心体。G2期比较恒定，此期历时2～4小时。在细胞周期中，分裂间期的主要生理意义是合成DNA，复制两套遗传信息。

3.分裂期（M期）细胞的特点

细胞分裂可分为三种形式，即无丝分裂、有丝分裂和减数分裂（成熟分裂）。

（1）无丝分裂：

由亲代细胞直接断裂形成子代细胞，分裂过程简单、迅速，无染色体、纺锤体形成等变化，低等生物中较常见。

（2）有丝分裂（mitosis）：

是细胞分裂的主要形式，以染色体的形态变化及运动为主要特征。根据形态变化将其分为4期：前期、中期、后期和末期。各期之间没有截然的界限。各期特点如下：

前期：染色质丝高度螺旋化，逐渐形成染色体。染色体短而粗，中心粒复制成双，向细胞两极移动，开始合成微管，形成纺锤体，核膜、核仁逐渐消失。

中期：两组中心粒分别移到细胞两极，纺锤体完全形成。纺锤体由微管组成，纺锤体发出的微管附着于每一个染色体的着丝点上。在微管牵引下，染色体整齐排列于细胞赤道板上，每条染色体的两条染色单体借着丝粒相连。

后期：由于纺锤体微管的活动，着丝粒纵裂，两条染色单体分离，并移向细胞两极。

末期：染色单体分别聚集于两极并逐渐解螺旋，重新出现染色质丝与核仁；内质网形成核膜；细胞赤道逐渐缩窄，胞质分裂，最后完全分裂为两个二倍体的子细胞。

分裂期的主要生理意义是通过染色体的形成、纵裂和移动把两套遗传信息准确地平均分配到两个子细胞中，使子细胞拥有与母细胞相同的染色体，使遗传特性代代相传，保持了遗传的稳定性。

（3）减数分裂（meiosis）：

是生殖细胞成熟分裂形成成熟卵细胞与精子的过程。主要特点是：在细胞内DNA于分裂间期中复制一次后，要连续两次细胞分裂。减数分裂全过程结束后，形成的子细胞中染色体数目由原来的二倍体减少一半成为单倍体。

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