物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学②生命体的基本单位——细胞

物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学

②生命体的基本单位——细胞

一、细胞

除病毒以外，所有的生物体都是由细胞构成的。细胞是生物体的结构和功能的基本单位，主要由细胞膜、细胞质和细胞核三部分组成（图11-3-1），生物体的一切生命活动都是通过它进行的。细胞直径约为10^-4～10^-3厘米，包含10¹³个左右的原子，成人约含10¹³个细胞，细胞内75%为水。生物体由多个结构层次组成，如人体共有八个层次：生物大分子→大分子集团→细胞器→细胞→组织→器官→系统→个体。越是低等的生物，层次越少，如细菌只有三个层次。细胞通过分裂进行繁殖，通过表面与周围环境不断进行物质及能量的交换。

图11-3-1细胞构成

根据细胞结构的特点和复杂程度的不同，可将细胞分为原核细胞和真核细胞两大类。多数生物是由真核细胞构成的，叫做真核生物。支原体、细菌、蓝藻和放线菌等是由原核细胞构成的，叫做原核生物。多细胞生物拥有的细胞通常数以亿计，且种类繁多，形态各异，大小和功能也各不相同。

绝大多数细胞用肉眼观察不到。1665年英国人罗伯特·胡克用自制的显微镜发现了细胞，解开生命之谜的大门渐渐开启。今天，人们在高倍显微镜下可以清晰地看到细胞的内部结构。细胞虽然很微小，但是却有非常精细的结构和复杂的自控功能，这是细胞得以完成一切生命活动的基础。利用电子显微镜观察到细胞的内部结构其实是非常复杂的，细胞里面有几千种大分子，这些大分子主要有两类：一类是蛋白质，占了细胞大分子的大部分；另外一类是核酸，占细胞大分子的小部分。蛋白质是生命活动的载体和功能的执行者，而核酸是遗传密码的传递者和基因指令执行者。

近几十年来，由于电子显微技术，以及近代物理学和化学新技术在细胞研究上的广泛应用，特别是近年来分子生物学概念与方法的引入，对于细胞的研究进入更加深入的阶段，且进展迅速。

二、细胞膜

细胞表面姿态万千，形状怪异，但细胞始终保持为整体，被一层膜包住，将细胞与外界分开，这层薄膜称为细胞膜或质膜。细胞膜是一个复合的结构体系，也是一个多功能体系。在电子显微镜下观察，细胞膜分三层：里层是膜下溶胶层；外层为糖被，是由细胞膜上的蛋白质与多糖结合形成的糖蛋白，主要起识别、保护、润滑等作用；中间是磷脂双分子层，这是细胞膜的基本支架，由它支持着许多蛋白质分子。构成细胞膜的磷脂分子和蛋白质分子大都是可以流动的，而不是静止的。

细胞膜具有物质输运、信息传递和能量转换功能。细胞膜把细胞与周围环境隔离开，阻止细胞内物质的流失，保持其化学组成的相对稳定，使细胞能相对地独立于环境而存在，维持其正常的生命活动。细胞在新陈代谢过程中，需要不断地从外界得到氧气和营养物质，同时排出代谢产物，而这些物质的进入和排出，都必须经过细胞膜，这就是物质的跨膜转运。细胞膜的特殊结构允许某些物质或离子有选择地通过，但又能严格地限制其他一些物质的进出，从而保持了细胞内物质成分的稳定。除了物质转运外，细胞膜还有跨膜信息传递和能量转换功能，免疫、激素和药物作用、神经传导也都离不开膜的作用，新陈代谢的调控、细胞癌变等都与膜密切相关。

三、细胞质

细胞膜以内、细胞核以外的全部物质称为细胞质，其中具有可辨认形态和能够完成特定功能的结构叫做细胞器（如线粒体、叶绿体、内质网、核糖体、高尔基体、中心体和液泡等），其余部分称为细胞质基质。

细胞质基质是细胞的重要结构成分，体积约占细胞质的一半，其中含有多种无机物、有机物以及数千种与中间代谢有关的酶。它不仅为细胞内各类生化反应的正常进行提供相对稳定的离子环境，为细胞器行使其功能提供所需要的一切原料。同时，细胞与环境，细胞质与细胞核，以及细胞器之间的物质运输、能量交换、信息传递等也都要通过它来完成。细胞质基质是活细胞进行新陈代谢的主要场所，蛋白质的合成、脂肪酸的合成、糖的酵解等过程都是在这里进行的。

生命活动中要连续不断地实现各种功能，就需要大量的能量。这些能量从何而来？三磷酸腺苷（ATP）就是一个贮能仓库，整个生命世界都以ATP为细胞的各种活动提供能量。ATP中蕴藏着很高的能量。当生物体需要能量时，就可以使ATP分子分解成二磷酸腺苷（ADP），并释放出能量供生物体使用。1摩尔ATP在细胞内环境中水解，可放出能量12~14千卡，这个能量可使每个分子中一个电子提高0.5~0.6伏电位，这在生化反应中是极为可观的。

那么，ATP中的能量又从何而来呢？这些能量的最初源泉都是太阳。植物进行光合作用时，把太阳光能转化为化学能，使ADP转化为ATP，并将能量贮存在ATP中；动物通过摄食其他生物，先获得糖类、脂肪、蛋白质等有机物，糖类酵解氧化时释放的化学能使ADP转化为ATP，脂肪、蛋白质氧化分解产生能量使ADP转化为ATP，供其需要能量时使用，如肌肉运动、信息传递、细胞膜物质输运、维持体温和各种生化反应等。ADP吸收能量转化为ATP， ATP放出能量又转化为ADP，如此循环不息，生命不止。

四、细胞核

原核细胞没有成形的细胞核，其内部只有一团含核样物质的拟核，且拟核周围没有核膜，脱氧核糖核酸（DNA）裸露在细胞质中。细胞核是真核细胞最重要的组成部分，直径约为10^-14厘米,占细胞体积10%左右。细胞核由核膜、核质组成，核仁和染色质悬浮于核质中（如图11-3-2所示）。细胞核是细胞遗传、生长、发育、分化及代谢等生命活动的控制中心。

图11-3-2细胞核结构图

核膜是细胞质和细胞核的分界膜，由内、外两层组成。在内外膜的融合处形成环状开口，称为核孔。核孔是由上百种蛋白质组成的、具有复杂和精细结构的体系，是一个选择性双向通道，严格控制着核和细胞质之间的物质和信息交流。

染色质是细胞核内易被碱性染料染色的物质。染色质由DNA、蛋白质及少量RNA（核糖核酸）组成。染色质是一种动态结构：在细胞分裂间期，呈细长的丝状且交织成网弥散于细胞核中；在细胞分裂期，染色质细丝高度螺旋化、缩短变粗，浓集成为棒状或杆状，称为染色体。染色质和染色体是同一物质在间期和分裂期的不同表现形态。染色体有基本恒定的数目(因生物的种属不同而异)，例如人体细胞有染色体23对,共计46条。其中44条（22对）为常染色体，2条（1对）为性染色体。染色质是遗传信息储存所，因为其中所含的DNA是遗传物质，DNA复制在这里进行。

核仁是位于细胞核内的非膜结构，呈圆形或椭圆形的匀质颗粒状，没有外膜。核仁的超微结构包括颗粒组分、纤维中心和致密纤维组分。核仁富含蛋白质和RNA分子，核糖体中的RNA就来自核仁。核糖体是合成蛋白质的场所，所以蛋白质合成旺盛的细胞常有较大和较多的核仁。在细胞分裂过程中，其形态结构及功能随着整个细胞核发生明显的变化。核仁不仅是细胞内通讯和核糖体RNA合成加工的中心,而且在细胞周期、细胞增殖和衰老中起重要调控作用。

在这一节中，我们从细胞的结构出发，初步探讨了其中的一些物理和化学过程。但实际上，不管是细胞的结构，还是其内部的物理、化学过程都不是这么简单的，其复杂程度甚至超乎我们的想象。生物体内每时每刻都在发生数量巨大的复杂的物理和化学反应，其中很多已为科学家们所了解，但未知的恐怕更多。正如第一节中所讨论的，“生命现象不能简单地还原为物理和化学现象”，但对生命活动中的物理、化学过程的了解，必将有助于揭示生命的奥秘。

五、遗传与基因

1953年美国生物学家沃森和英国物理学家克里克提出遗传物质DNA分子的双螺旋结构模型，并为X射线衍射实验所证实。DNA双螺旋结构的发现阐明了遗传的本质，揭示了生命世代相传的分子基础。

DNA分子的双螺旋结构模型

物种通过遗传可确保种族的延续。遗传的实质是遗传物质从上代传给后代。上世纪五十年代，人们证实了所有生物的遗传物质都是核酸。核酸分子是由成千上万个核苷酸（基本组元）连接组成的长链，分子量约为6×10⁶。一个核苷酸又包含一个碱基、一个核糖S、一个磷酸根P，是分子量约为1000的大分子。核酸分为两类：核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。除某些病毒的遗传物质是RNA外，其他所有生物包括人的遗传物质都是DNA。DNA主要存在于细胞核中，RNA主要存在于细胞质中。构成核苷酸的碱基有五种：腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C、胸腺嘧啶T、尿嘧啶U。碱基指嘌呤和嘧啶的衍生物。构成DNA的碱基为A、T、G、C（遗传信息就包含在由这四个字母编写的语言中），而RNA的碱基为A、U、G、C，因此DNA和RNA分子中都只有4种不同核苷酸。DNA与RNA不仅化学组成不同，而且空间构型各异，RNA是单链，DNA具有双螺旋结构，看起来像是一个盘旋状的梯子（这里不做详细介绍）

基因是具有遗传效应的DNA分子片断，是控制生物性状的功能结构单位。在个体发育过程中，一定的基因在一定条件下控制着一定的代谢过程，从而体现着一定的遗传特性。每个DNA的片断含有几百个或几千个碱基，四种碱基在各个片断(基因)中可以按不同的而对每个基因来说又是按特定的顺序排列，这些排列顺序中就编入了遗传信息，4种碱基可形成非常复杂的密码。如果将核酸看作一种语言，A、T、G、C就是构成这门语言的字母，而生物体的全部遗传信息就是用这四种字母写就的生命之书。对人而言，这本书长达60亿个字符，以每页3000个印刷符号计算，会有200万页，可见生命之书包含的信息是何等巨大。

基因决定生物体的遗传性状，个体的各种性状又是通过各种蛋白质来显现的。也就是说DNA是遗传信息的物质载体，蛋白质是遗传性状的表达者。1957年，克里克指出：遗传信息是由DNA传递给RNA，再由RNA传递给蛋白质的，这就是遗传学中的“中心法则”。

生命的繁殖首先要经过细胞核的分裂，细胞核分裂时染色体也要分裂。既然遗传物质DNA存在于染色体中，在细胞分裂过程中DNA也要成倍增殖。在增殖过程中产生的DNA都具有相同的遗传信息。虽然遗传信息的携带者是核酸，但遗传信息的传递和表达、基因功能的执行，是在蛋白质的调节控制下进行的。蛋白质的分子量为10⁴~10⁷，是由20种氨基酸小分子（每个氨基酸的分子量约为100，按各种排列组成的长链（生物大分子），它好象是用20颗钻石穿成的“项链”，但是它必须卷曲、折叠成为一定的构型才能完成特定功能。蛋白质的种类极多，人体中就有30万种。