sstyphi 亂說話

第一節 細胞生物學簡史
從研究內容來看細胞生物學的發展可分為三個層次，即：顯微水平、超微水平和分子水平。從時間縱軸來看細胞生物學的歷史大致可以劃分為四個主要的階段：
第一階段：從16世紀末—19世紀30年代，是細胞發現和細胞知識的積累階段。
第二階段：從19世紀30—20世紀中期，細胞學說形成後，主要進行細胞顯微形態的研究。
第三階段：從20世紀30年代—70年代，以細胞超微結構、核型、帶型研究為主要內容。
第四階段：從20世紀80年代分子克隆技術的成熟到當前，細胞生物學與分子生物學的結合愈來愈緊密，基因調控、信號轉導、細胞分化和凋亡、腫瘤生物學等領域成為當前的主流研究內容。
一、顯微鏡的發明與細胞的發現
沒有顯微鏡就不可能有細胞學誕生。
1. 1590 荷蘭眼鏡製造商J.Janssen和Z.Janssen父子製作了第一台複式顯微鏡，儘管其放大倍數不超過10倍，但具有劃時代的意義。
2. 1665 英國人Robert Hook用自己設計與製造的顯微鏡（放大倍數為40-140倍，圖1-1)觀察了軟木（櫟樹皮)的薄片，第一次描述了植物細胞的構造，並首次用拉丁文cella（小室)這個詞來稱呼他所看到的類似蜂巢的極小的封閉狀小室（實際上只是觀察到到纖維質的細胞壁)。
3. 1672，1682英國人Nehemaih Grew出版了兩卷植物顯微圖譜，注意到了植物細胞中細胞壁與細胞質的區別。
4. 1680  荷蘭人A. van Leeuwenhoek成為皇家學會會員，一生中製作了200多台顯微鏡和500多個鏡頭（圖1-2）。他是第一個看到活細胞的人，觀察過原生動物、人類精子、鮭魚的紅細胞、牙垢中的細菌等等。
5. 1752 英國望遠鏡商人J. Dollond 發明消色差顯微鏡。

圖1-1 Robert Hook和他的顯微鏡

圖1-2 A. van Leeuwenhoek的顯微鏡（圖片來自http://www.arsmachina.com）
6.   1812 蘇格蘭人D. Brewster 發明油浸物鏡，並改進了體視顯微鏡。
7.   1886 德國人Ernst Abbe 發明復消差顯微鏡，並改進了油浸物鏡，至此普通光學顯微鏡技術基本成熟。
8.   1932 德國人M. Knoll和E. A. F. Ruska描述了一台最初的電子顯微鏡，1940年美國和德國製造出分辨力為0.2nm的商品電鏡。
9.   1932 荷蘭籍德國人F. Zernike成功設計了相差顯微鏡（phasecontrast microscope) ，並因此獲1953年諾貝爾物理獎。
10.   1981瑞士人G. Binnig和H. RoherI在BM蘇黎世實驗中心（Zurich Research Center）發明了掃瞄隧道顯微鏡而與電鏡發明者Ruska同獲1986年度的諾貝爾物理學獎。
二、細胞學說
在十九世紀以前許多學者的工作都著眼於細胞的顯微結構方面，從事形態上的描述，而對各種有機體中出現細胞的意義一直沒有作出理論的概括，直到19世紀30年代德國人施萊登Matthias Jacob Schleiden 、施旺Theodar Schwann提出：一切植物、動物都是由細胞組成的，細胞是一切動植物的基本單位。這一學說即「細胞學說（Cell Theory)」，在19世紀已有不少科學家的工作對細胞學說的創立做出了很大的貢獻，如：
1. Jean-Baptiste de Lamark （1744~1829)，獲得性遺傳理論的創始人，法國退伍陸軍中尉，50歲成為巴黎動物學教授，1909年他認為只有具有細胞的機體，才有生命。「It has been recognized for a long time that the membranes which form the envelopes of the brain，of the nerves，of vessels，of all kinds of glands，of viscera，of muscles and their fibers，and even the skin of the body are in general the productions of cellular tissue。 But no one，so far as I know， has yet perceived that cellular tissue is the general matrix of all organization and that without this tissue no living body would be able to exist，nor could it have been formed。」
2. Charles Brisseau Milbel（1776~1854)，法國植物學家，1802年認為植物的每一部分都有細胞存在，「the plant is wholly formed of a continuous cellular membranous tissue。Plants are made up of cells，all parts of which are in continuity and form one and the same membranous tissue。」。
3. Henri Dutrochet （1776~1847），法國生理學家，1824年進一步描述了細胞的原理，他認為 「All organic tissues are actually globular cells of exceeding smallness，which appear to be united only by simple adhesive forces; thus all tissues， all animal (and plant) organs, are actually only a cellular tissue variously modified。This uniformity of finer structure proves that organs actually differ among themselves merely in the nature of the substances contained in the vesicular cells of which they are composed」 。
4. Matthias Jacob Schleiden（1804~1881)，德國植物學教授[1]，1938年發表「植物發生論」(Beitrage zur Phytogenesis)，認為無論怎樣複雜的植物都有形形色色的細胞構成。他認識到了Brown發現細胞核的重要意義，這一點Brown本人並未做到，他試圖重建細胞發育的過程，為此他聰明地選擇了胚胎細胞作為他研究的起點，他還在細胞中發現了核仁。
5. Theodor Schwann（1810~1882)，德國解剖學教授，一開始就研究Schleiden的細胞形成學說，他完全接受了這個學說，並把它擴展為所有生命現象的起源和基礎的一般理論。他把Schleiden在植物中的發現應用到動物中去，並於1838年提出了「細胞學說」（Cell Theory)這個術語；1939年發表了「關於動植物結構和生長一致性的顯微研究」(Mikroskopische Untersuchungen uber die Ubereinstimmung in der Struktur und dem Wachstum der Tiere und Pflanzen)。因此細胞學說的創立被認為歸功於Schleiden和Sehwann兩個人，而且年份也被定到1839年。
Schwann提出：
1)     有機體是由細胞構成的；
2)     細胞是構成有機體的基本單位。
1855 德國人R. Virchow 提出「一切細胞來源於細胞」（omnis cellula e cellula）的著名論斷，進一步完善了細胞學說。
把細胞作為生命的一般單位，以及作為動植物界生命現象的共同基礎的這種概念立即受到了普遍的接受。恩格斯將細胞學說譽為19世紀的三大發現之一。
三、細胞生物學的發展
19世紀後期顯微技術的改進，生物固定技術（如：Fleming 1882，1884；Canoy 1886）和染色技術的出現極大的方便了人們對細胞顯微結構的認識，各種細胞器相繼被發現，20世紀30年代電子顯微鏡技術的問世，是細胞形態的研究達到了空前的高潮。20世紀50年代分子生物學的興起，推動細胞生物學的研究進入了分子水平。
1. 1831 英國人Robert Brown 發現植物細胞核。
2. 1832 德國人？C. J. Dumortier 觀察了藻類的細胞分裂，並認為細胞來源於原來存在的細胞。
3. 1835 德國人H. von Molh 仔細觀察了植物的細胞分裂，認為是植物的根和芽尖極易觀察到的現象。
4. 1835 法國人F. Dujardin 觀察動物活細胞時發現「肉樣質」（Sarcode)。
5. 1839 捷克人J. E. Pukinye 用protoplasm這一術語描述細胞物質，「Protoplast」為神學用語，指人類始祖亞當。
6. 1841 波蘭人R. Remak發現雞胚血細胞的直接分裂（無絲分裂）。
7. 1846 德國人H. von Mohl研究了植物原生質，發表了「identifies protoplasm as the substance of cells」。
8. 1848 德國人W. Hofmeister 描繪了鴨跖草Tradescantia的花粉母細胞，明確的體現出染色體，但他沒有認識到之一重要性，40年後德國人H. von Waldeyer因這一結構可被鹼性染料著色而定名為Chromosome。
9. 1861 德國人M. Shultze 認為動物細胞內的肉樣質和植物體內的原生質具有同樣的意義。他給細胞的定義是：「the cell is an accumulation of living substance or protoplasm definitely delimited in space and possessing a cell membrane and nucleus。」
10. 1864 德國人Max Schultze 觀察了植物的胞間連絲。
11. 1865 德國人J. von Suchs 發現葉綠體。
12. 1866 奧地利人G. Mendel 發表了對豌豆的雜交試驗結果，提出遺傳的分離規律和自由組合規律。
13. 1868 英國人T. H. Huxley 在愛丁堡作題為「生命的物質基礎」（the physical basis of life）的演講報告時首次把原生質的概念介紹給了英國公眾。
14. 1871 德國人F. Miescher 從膿細胞中分離出核酸。
15. 1876 德國人O.Hertwig發現海膽的受精現象，其論文題目為「observe the fertilization of a sea urchin egg」。
16. 1879 德國人W. Flemming觀察了蠑螈細胞的有絲分裂，於1882年提出了mitosis 這一術語。後來德國人E. Strasburger(1876~80)在植物細胞中發現有絲分裂，認為有絲分裂的實質是核內絲狀物（染色體)的形成及其向兩個子細胞的平均分配，動植物的受精實質上是父本和母本配子核的融合，並於1984提出了Prophase和Metaphase的概念。
17. 1882 德國人E. Strasburger 提出細胞質（cytoplasm）和核質（nucleoplasm）的概念。
18. 1883 比利時人E. van Beneden 證明馬蛔蟲Ascaris megalocephala配子的染色體數目是體細胞的一半，並且在受精過程中卵子和精子貢獻給合子的染色體數目相等。
19. 1883 比利時人E. van Beneden和德國人T. Boveri發現中心體。
20. 1884 德國人O.Hertwig和E. Strasburger提出細胞核控制遺傳的論斷。
21. 1886 德國人A. Weismann 提出種質論。
22. 1890 德國人Richard Altmann 描述了線粒體的染色方法，他推測線粒體就像細胞的內共生物，並認為線粒體與能量代謝有關。他還於1889年提出了核酸的概念。
23. 1892 德國人T. Boveri和O. Hertwig研究了減數分裂的本質，並描述了染色體聯會現象。
24. 1898 意大利人C. Golgi 用銀染法觀察高爾基體。
25. 1900 孟德爾在34年前發表的遺傳法則被重新發現。
26. 1905 美國人Clarence McClung shows that female mammals have 2 X chromosomes and that males have an X and a Y
27. 1908 美國人T. H. Morgan以Drosophila melanogaster為材料開始著名的遺傳學實驗，1910年提出遺傳的染色體理論，1919年發表「遺傳的本質」（Physical Basis of Heredity）。1926年發表「基因學說」（The Theory of the Gene）
28. 1910 德國人A. Kossel獲得諾貝爾生理醫學獎，他首先分離出腺嘌呤、胸腺嘧啶和組氨酸。
29.    1935 美國人W. M. Stanley 首次得到煙草花葉病毒的結晶體。
30. 1940 德國人G. A. Kausche和H. Ruska 發表了世界第一張葉綠體的電鏡照片。
31. 1941 美國人G. W. Beadle和E. L. Tatum提出一個基因一個酶的概念。
32. 1944 美國人O. Avery，C. Macleod 和M. McCarthy等人通過微生物轉化試驗證明DNA是遺傳物質。
33. 1945 美國的K. R. Porter、A. Claude 和 E. F. Fullam發現小鼠成纖維細胞中的內質網。
34. 1949 加拿大人M. Bar發現巴氏小體。
35. 1951 美國人James Bonner發現線粒體與細胞呼吸有關。
36. 1953 美國人J. D. Watson 和英國人F. H. C. Crick提出DNA雙螺旋模型。
37. 1955 比利時人C. de Duve發現溶酶體和過氧化物酶體。
38. 1955 美國人Vincent Du Vigneaud因人工合成多肽而獲諾貝爾獎
39. 1956年，蔣有興（美籍華人）利用徐道覺發明的低滲處理技術證實了人的2n為46條，而不是48條。
40. 1957 J. D. Robertson[2]用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗-明-暗三層結構。
41. 1961 英國人P. Mitchell 提出線粒體氧化磷酸化偶聯的化學滲透學說，獲1978年諾貝爾化學獎。
42. 1961~64 美國人M. W. Nirenberg破譯DNA遺傳MM。
43. 1968 瑞士人Werner Arber從細菌中發現DNA限制性內切酶。
44. 1970 美國人D. Baltimore、R. Dulbecco 和H. Temin由於發現在RNA腫瘤病毒中存在以RNA為模板，逆轉錄生成DNA的逆轉錄酶而獲1975共享諾貝爾生理醫學獎。
45. 1971 美國人Daniel Nathans 和Hamilton Smith發展了核酸酶切技術。
46. 1973 美國人S. Cohen和H. Boyer將外源基因拼接在質粒中，並在大腸桿菌中表達，從而揭開基因工程的序幕。
47. 1975 英國人F. Sanger設計出DNA測序的雙脫氧法。於1980年獲諾貝爾化學獎。此外Sanger還由於1953年測定了牛胰島素的一級結構而獲得1958年諾貝爾化學獎。
48. 1982 美國人S. B. Prusiner發現蛋白質因子Prion，更新了醫學感染的概念，於1997年獲諾貝爾生理醫學獎。
49. 1983 美國人K. B. Mullis發明PCR儀，1987年發表了 「Specific synthesis of DNA in vitro via a polymerase-catalyzed chain reaction」，於1993年獲諾貝爾化學獎。
50. 1984 德國人G. J. F. Kohler、阿根廷人C. Milstein[3]和丹麥科學家N. K. Jerne由於發展了單克隆抗體技術，完善了極微量蛋白質的檢測技術而分享了諾貝爾生理醫學獎。
51. 1989 美國人S. Altman和T. R. Cech由於發現某些RNA具有酶的功能（稱為核酶)而共享諾貝爾化學獎。Bishop和Varmus由於發現正常細胞同樣帶有原癌基因而分享當年的諾貝爾生理醫學獎。
52. 1997 多利羊在盧斯林研究所誕生，成為世紀末的重大新聞。多利是Ian Wilmut領導的研究小組克隆的（圖1-3）。
　

圖1-3 多利和邦妮（圖片來自http://www.ri.bbsrc.ac.uk）
　
53. 1998 美國人T. Wakayama和R. Yanagimachi成功地用凍干精子繁殖出小鼠。
54. 2000 世界首例克隆豬在蘇格蘭誕生，是由Alan Coleman領導的研究小組克隆的。
55. 2001 美國人Leland Hartwell、英國人Paul Nurse、Timothy Hunt因對細胞週期調控機理的研究而獲諾貝爾生理醫學獎。
56. 2002 英國人Sydney Brenner、美國人H. Robert Horvitz和英國人John E. Sulston，因在器官發育的遺傳調控和細胞程序性死亡方面的研究獲諾貝爾諾貝爾生理學或醫學獎。
57. 2003 美國科學家Peter Agre和Roderick MacKinnon，分別因對細胞膜水通道，離子通道結構和機理研究而獲諾貝爾化學獎。
[1]德國植物學教授，性格暴躁、反覆無常。原在Heiderberg學法律，後來在Hamberg當律師，因工作不順利自殺而未遂。槍傷痊癒後在哥廷根大學和柏林大學研究植物學和醫學，獲博士學位
[2] 1957. New observations on the ultrastructure of the membranes of frog peripheral nerve fibers. J. Biophys. Biochem. Cytol. 3:1043-1047.
1959 The ultrastructure of cell membranes and their derivatives. Biochem. Soc. Symp. 16: 3-43
[3] 出生於阿根廷，具有英國和阿根廷國籍，在美國獲獎。
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第 2 樓


第二節　細胞生物學學習方法
    第一、認識細胞生物學課程的重要性，正如原子是物理性質的最小單位，分子是化學性質的最小單位，細胞是生命的基本單位。50年代以來諾貝爾生理與醫學獎大都授予了從事細胞生物學研究的科學家，可見細胞生物學的重要性。如果你將來打算從事生物學相關的工作，學好細胞生物學能加深你對生命的理解。
     第二、明確細胞生物學的研究內容，即：結構、功能、生活史。生物的結構與功能是相適應的，每一種結構都有特定的功能，每一種功能的實現都需要特定的物質基礎。如肌肉可以收縮、那麼動力是誰提供的、能量從何而來的？
     第三、從顯微、超微和分子三個層次來認識細胞的結構與功能。一方面每一個層次的結構都有特定的功能，另一方面各層次之間是有機地聯繫在一起的。
     第四、將所學過的知識關聯起來，多問自己幾個為什麼。細胞生物學涉及分子生物學、生物化學、遺傳學、生理學等幾乎所有生物系學過的課程，將學過的知識與細胞生物學課程中講到的內容關聯起來，比較一下有什麼不同，有什麼相同，為什麼？盡可能形成對細胞和生命的完整印象，不要只見樹木不見森林。另一方面細胞生物學各章節之間的內容是相互關聯的，如我們在學習線粒體與葉綠體的時候，要聯想起細胞物質運輸章節中學過的DNP、FCCP等質子載體對線粒體會有什麼影響，學習微管結構時要問問為什麼β微管蛋白是一種G蛋白，而α微管蛋白不是，學習細胞分裂時要想想細胞骨架在細胞分裂中起什麼作用，諸如此類的例子很多。
     第五、緊跟學科前沿，當前的熱點主要有「信號轉導」、「細胞週期調控」、 「細胞凋亡」等。細胞生物學是當今發展最快的學科之一，知識的半衰期很短（可能不足5年），國內教科書由於編撰週期較長，一般滯後於學科實際水平5-10年左右，課本中的很多知識都已是陳舊知識。有很多辦法可以使你緊跟學科前沿：一是選擇國外的最新教材，中國圖書進出口公司讀者服務部http://link.clubol.com/link/index.php那裡可以買到很多價廉物美的正宗原版教材（一般200-400元，只相當於國外價格的1/5）；二是經常讀一些最新的期刊資料，如果條件所限查不到國外資料，可以到中國期刊網、WF數據等數據庫中查一些綜述文章，這些文章很多是國家自然科學基金支助的，如在中國期刊網的檢索欄輸入關鍵詞「細胞凋亡」，二次檢索輸入關鍵詞「進展」，你會發現一大堆這樣的文章，都是漢字寫的比讀英文省事。
     第六、學一點科技史，尤其是生物學史，看看科學家如何開展創造發明，學習他們驚人的毅力、銳敏的眼光和獨特的思維。牛頓說過：「我之所以比別人看得更遠，是因為站在巨人的肩膀上。」
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第 3 樓


第三節 對未來的展望
　　人類經歷了漫長的采獵文明後，約在一萬年前進入農業經濟時代，18世紀60年代，英國率先進入工業經濟，20世紀50美國最早走完工業經濟的歷程，進入信息時代。據專家估計這一經濟形態的「壽命」為75~80年，到本世紀20年代將漸漸失去活力，屆時人類迎接下一個經濟時代，即生物經濟時代的到來，生物經濟的資源為基因，其核心技術為建立在細胞與分子生物學理論基礎上的各類生物技術。
生物經濟時代特點是：
1. 基因克隆和重組技術日趨成熟，人類將根據經濟需要去開發和操縱遺傳資源，如通過轉基因的方法生產人類生長素、干擾素（每千克價值440億美元）等昂貴的藥物；培育具有特殊功能的轉基因動植物，如具有蘇雲金毒素的抗蟲棉。在商業目的的驅使下，大量的改造物種，開始了偏離自然進化規律的二次「創世紀」，由此所產生的基因污染和倫理問題將越來越突出。
2. 人類基因組[4]大約10萬個基因的作圖和測序完成，進入以揭示基因功能為主的後基因組計劃，人類遺傳病的基因治療成為常規技術。
3. 動物克隆技術和人類干細胞定向分化技術取得突破，人工創建的組織，器官將用於醫學治療的目的。
4. 神經生物學、信息生物學、細胞生物學等學科的發展，為實現人工智能奠定了理論基礎。
5. 基因武器可能成為繼核武器以後又一種足以令人類毀滅的武器。
6. 生物芯片[5]（圖1-4）技術廣泛應用於科研、醫療、農業、食品、環境保護、司法鑒定等領域。成為與晶體管芯片一樣重要的產業。
7. 植物光合作用機理研究取得重大突破，人工光解水產生的氫氣成為及化石燃料之後主要的能源。
8. 計算機和網絡系統為生物經濟的遺傳信息管理和交流提供了方便。

圖1-4 DNA芯片(圖片來自http://www.ornl.gov)
[4]人類基因組計劃（Human genome project）由美國於1987年啟動，我國於1993年加入該計劃，承擔其中1%的任務，即人類3號染色體短臂上約30Mb的測序任務。2000年6月28日人類基因組工作草圖完成。由於人類基因測序和基因專利可能會帶來巨大的商業價值，各國政府和一些企業都在積極地投入該項研究，如1997年AMGE公司轉讓了一個與中樞神經疾病有關的基因而獲利3.92億美元。
[5]生物芯片技術是通過縮微技術，根據分子間特異性地相互作用的原理，將生命科學領域中不連續的分析過程集成於硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化學分析系統，以實現對細胞、蛋白質、基因及其它生物組分的準確、快速、大信息量的檢測。按照芯片上固化的生物材料的不同，可以將生物芯片劃分為基因芯片、蛋白質芯片、細胞芯片和組織芯片。目前，最成功的生物芯片形式是以基因序列為分析對象的「微陣列（microarray）」，也被稱為基因芯片（Gene chip)或DNA芯片（DNA chip)。1998年6月美國宣佈正式啟動基因芯片計劃，聯合私人投資機構投入了20億美元以上的研究經費。世界各國也開始加大投入，以基因芯片為核心的相關產業正在全球崛起，目前美國已有8家生物芯片公司股票上市，平均每年股票上漲75％，據統計全球目前生物芯片工業產值為10億美元左右，預計今後5年之內，生物芯片的市場銷售可達到200億美元以上。
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第 4 樓


附錄 細胞生物學參考書
1. Bruce Alberts et al. Molecular Biology of the Cell 4th. Garland Science, 2002.
2. Harvey Lodish et al. Molecular Cell Biology 4th. W. H. Freeman and Company, 1999.
3. Gerald Karp. Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments 3rd. Wiley & Sons, 2002.
4. 韓貽仁. 分子細胞生物學科學出版社. 2001年03月.
5. 印莉萍, 劉祥林. 分子細胞生物學實驗技術. 首都師範大學出版社.2001年01月.
6. 牛富文. 醫用分子細胞生物學. 河南醫科大學出版社.1997年06月.
7. 羅深秋. 醫用細胞生物學.軍事醫學科學出版社. 1998年08月.
8. 陳詩書. 醫學細胞與分子生物學. 上海醫科大學出版社. 1999年01月.
9. 周建明. 醫學細胞與分子生物學. 上海醫科大學出版社.1997年06月.
10. 高文和. 醫學細胞生物學. 天津大學出版社.2000年09月.
11. 左及. 醫學細胞生物學. 上海醫科大學出版社.1999年06月.
12. 余從年. 醫學細胞生物學導論. 科學出版社. 2000年07月.
13. 郭葆玉. 細胞分子生物學實驗操作指南. 安徽科學技術出版社1998年04月.
14. 王德耀. 細胞生物學. 上海科學技術出版社.1998年.
15. 翟中和. 細胞生物學. 高等教育出版社.1995年1月.
16. 翟中和. 細胞生物學.高等教育出版社.2000年8月.
17. 汪堃仁. 細胞生物學（第二版). 北京師範大學出版社.1998年11月.
18. 鄭國錩. 細胞生物學（第二版). 高等教育出版社.1992年04月.
19. 翟中和. 細胞生物學動態-第一卷. 北京師範大學出版社.1997年03月.
20. 翟中和. 細胞生物學動態. 第二卷. 北京師範大學出版社.1998年10月.
21. 翟中和. 細胞生物學動態-第三卷. 北京師範大學出版社1.999年.
22. 辛華. 細胞生物學實驗.科學出版社. 2001年02月.
23. 劉鼎新. 細胞生物學研究方法與技術（第二版). 北醫、協和醫大聯合出版社.1997年05月.
24. 楊漢民. 細胞生物學實驗（第二版). 高等教育出版社.1997年07月.
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第 5 樓



細胞是一切生命活動的基本結構和功能單位。一般認為：
1.        細胞是由膜包圍的原生質[1]（protoplasm）團，通過質膜與周圍環境進行物質和信息交流；
2.        是構成有機體的基本單位，具有自我複製的能力，是有機體生長發育的基礎；
3.        是代謝與功能的基本單位，具有一套完整的代謝和調節體系；
4.        是遺傳的基本單位，具有發育的全能性。
第一節 真核細胞
一、質膜
細胞表面的一層單位膜，特稱為質膜（plasmolemma；plasma membrane）。真核細胞除了具有質膜、核膜外，發達的細胞內膜形成了許多功能區隔。由膜圍成的各種細胞器，如核膜、內質網、高爾基體、線粒體、葉綠體、溶酶體等。在結構上形成了一個連續的體系，稱為內膜系統（endomembrane system）。內膜系統將細胞質分隔成不同的區域，即所謂的區隔化（compartmentalization）。區隔化是細胞的高等性狀，它不僅使細胞內表面積增加了數十倍，各種生化反應能夠有條不紊地進行，而且細胞代謝能力也比原核細胞大為提高。
二、細胞核
細胞核（nucleus）是細胞內最重要的細胞器，核表面是由雙層膜構成的核被膜（nuclear envelope），核內包含有由DNA和蛋白質構成的染色體（chromosome）。間期染色體結構疏鬆，稱為染色質（chromatin）；有絲分裂過程中染色體凝縮變短，稱為染色體。其實染色質與染色體只是同一物質在不同細胞週期的表現。染色體的數目因物種而異，有的如蕨類植物Ophioglossum reticulum的染色體數多達1260個；有的如馬蛔蟲 Ascaris megalocephala 只有兩條染色體。核內1至數個小球形結構，稱為核仁（nucleolus）。
三、細胞質
存在於質膜與核被膜之間的原生質稱為細胞質（cytoplasm），細胞之中具有可辨認形態和能夠完成特定功能的結構叫做細胞器（organelles）。除細胞器外，細胞質的其餘部分稱為細胞質基質（cytoplasmic matrix）或胞質溶膠（cytosol），其體積約占細胞質的一半。細胞質基質並不是均一的溶膠結構，其中還含有由微管、微絲和中間纖維組成的細胞骨架結構。
（一）細胞質基質的功能：
1）  具有較大的緩衝容量，為細胞內各類生化反應的正常進行提供了相對穩定的離子環境。
2）  許多代謝過程是在細胞基質中完成的，如①蛋白質的合成、②核酸的合成、③脂肪酸合成、④糖酵解、⑤磷酸戊糖途徑、⑥糖原代謝、⑦信號轉導。
3）  供給細胞器行使其功能所需要的一切底物。
4）  細胞骨架參與維持細胞形態，做為細胞器和酶的附著點，並與細胞運動、物質運輸和信號轉導有關。
5）  控制基因的表達與細胞核一起參與細胞的分化，如卵母細胞中不同的mRNA定位於細胞質不同部位，卵裂是不均等的。
6）  參與蛋白質的合成、加工、運輸、選擇性降解。
（二）主要細胞器
1.        內質網（endoplasmic reticulum）：由膜圍成一個連續的管道系統。；粗面內質網（rough endoplasmic reticulum，RER），表面附有核糖體，參與蛋白質的合成和加工；光面內質網（smooth endoplasmic reticulum，SER）表面沒有核糖體，參與脂類合成。
2.        高爾基體（Golgi body；Golgi apparatus）：由成摞的扁囊和小泡組成，與細胞的分泌活動和溶酶體的形成有關。
3.        溶酶體（lysosome）：動物細胞中行細胞內消化作用的細胞器，含有多種酸性水解酶。
4.        線粒體（mitochondrion）：由雙層膜圍成的與能量代謝有關的細胞器，主要作用是通過氧化磷酸化合成ATP。
5.        葉綠體（chloroplast）：植物細胞中與光合作用有關的細胞器，由雙層膜圍成。
6.        細胞骨架（cytoskeleton）：由微管、微絲和中間絲構成與細胞運動和維持細胞形態有關。
7.        中心粒（centriole）：位於動物細胞的中心部位，故名，由相互垂直的兩組9+0三聯微管組成。中心粒加中心粒周物質稱為中心體（centrosome）。
8.        微體（microbody）：由單層單位膜圍成的小泡狀結構，含有多種氧化酶，與分解過氧化氫和乙醛酸循環有關。

圖3-1動物細胞的的結構 圖片來自http://www.rkm.com.au

圖3-2 植物細胞的結構 圖片來自http://www.rkm.com.au
四、細胞的形狀和大小
由於結構、功能和所處的環境不同，各類細胞形態千差萬別，有圓形、橢圓形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形。
原核細胞的形狀常與細胞外沉積物（如細胞壁）有關，如細菌細胞呈棒形，球形，弧形、螺旋形等不同形狀。單細胞的動物或植物形狀更複雜一些，如草履蟲像鞋底狀，眼蟲呈梭形且帶有長鞭毛，鍾形蟲呈袋狀。

圖3-3 一種鍾形蟲（偽彩色） 圖片來自http://www.denniskunkel.com/
高等生物的細胞形狀與細胞功能和細胞間的相互關係有關。如動物體內具有收縮功能的肌肉細胞呈長條形或長梭形；紅細胞為圓盤狀，有利於O2和CO2的氣體交換。植物葉表皮的保衛細胞成半月形，2個細胞圍成一個氣孔，以利於呼吸和蒸騰。細胞離開了有機體分散存在時，形狀往往發生變化，如平滑肌細胞在體內成梭形，而在離體培養時則可成多角形。

圖3-4 植物氣孔SEM照片（偽彩色） 圖片來自http://www.denniskunkel.com/
一般說來，真核細胞的體積大於原核細胞，卵細胞大於體細胞。大多數動植物細胞直徑一般在20~30μm間。鴕鳥的卵黃直徑可達5cm，支原體僅0.1μm，人的坐骨神經細胞可長達1m。
表3-1 幾種細胞的大小
名稱
人卵
口腔上皮細胞
肝細胞
紅細胞
變形蟲
傷寒菌
肺炎球菌
大小（μm）
120
75
20
7
100
2.4x0.5
0.2x0.1
[1] Purkinje（1839）用原生質一詞指細胞的全部活性物質，從現代概念來說它包括質膜、細胞質和細胞核（或擬核）。
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第二節 原核細胞與古核細胞
原核細胞（prokaryotic cell）沒有核膜，遺傳物質集中在一個沒有明確界限的低電子密度區（圖3-5），稱為擬核（nucleoid）。DNA為裸露的環狀分子，通常沒有結合蛋白，環的直徑約為2.5nm，周長約幾十納米。大多數原核生物沒有恆定的內膜系統，核糖體為70S型，原核細胞構成的生物稱為原核生物，均為單細胞生物。

圖3-5 大腸桿菌TEM照片，核區為低電子密度區
一、細菌
細菌是在自然界分佈最廣、個體數量最多的有機體，是大自然物質循環的主要參與者。細菌主要由細胞壁、細胞膜、細胞質、核質體等部分構成，有的細菌還有夾膜、鞭毛、菌毛等特殊結構（圖3-6）。絕大多數細菌的直徑大小在0.5~5μm之間。可根據形狀分為三類，即：球菌（圖3-7）、桿菌（圖3-8）和螺旋菌（包括弧形菌，圖3-9）。

圖3-6細菌的結構，圖片來自http://www.rkm.com.au

圖3-7淋病球菌圖片來自http://www.denniskunkel.com/

圖3-8 大腸桿菌圖片來自http://www.denniskunkel.com/

圖3-9 弧形霍亂菌圖片來自http://www.denniskunkel.com/
（一）細胞壁
細胞壁厚度因細菌不同而異，一般為15-30nm。主要成分是肽聚糖，由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸構成雙糖單元，以β（1-4）糖苷鍵連接成大分子。N-乙酰胞壁酸分子上有四肽側鏈，相鄰聚糖纖維之間的短肽通過肽橋（革蘭氏陽性菌）或肽鍵（革蘭氏陰性菌）橋接起來（圖3-10），形成了肽聚糖片層，像膠合板一樣，粘合成多層。
肽聚糖中的多糖鏈在各物種中都一樣，而橫向短肽鏈卻有種間差異。革蘭氏陽性菌細胞壁厚約20～80nm，有15-50層肽聚糖片層，每層厚1nm，含20-40％的磷壁酸（teichoic acid）[2]，有的還具有少量蛋白質。革蘭氏陰性菌細胞壁厚約10nm，僅2-3層肽聚糖，其他成分較為複雜，由外向內依次為脂多糖、細菌外膜和脂蛋白。此外，外膜與細胞之間還有間隙。
肽聚糖是革蘭陽性菌細胞壁的主要成分，凡能破壞肽聚糖結構或抑制其合成的物質，都有抑菌或殺菌作用。如溶菌酶是N-乙酰胞壁酸酶，青黴素抑制轉肽酶的活性，抑制肽橋形成。

圖3-10 細胞壁的結構
細菌細胞壁的功能包括：保持細胞外形；抑制機械和滲透損傷（革蘭氏陽性菌的細胞壁能耐受20kg/cm2的壓力）；介導細胞間相互作用（侵入宿主）；防止大分子入侵；協助細胞運動和分裂。
脫壁的細胞稱為細菌原生質體（bacterial protoplast）或球狀體（spheroplast，因脫壁不完全），脫壁後的細菌原生質體，生存和活動能力大大降低。
（二）細胞膜
是典型的單位膜結構，厚約8~10nm，外側緊貼細胞壁，某些革蘭氏陰性菌還具有細胞外膜。通常不形成內膜系統，除核糖體外，沒有其它類似真核細胞的細胞器，呼吸和光合作用的電子傳遞鏈位於細胞膜上。某些行光合作用的原核生物（藍細菌和紫細菌），質膜內褶形成結合有色素的內膜，與捕光反應有關。某些革蘭氏陽性細菌質膜內褶形成小管狀結構，稱為中膜體（mesosome）或間體（圖3-11），中膜體擴大了細胞膜的表面積，提高了代謝效率，有擬線粒體（Chondroid）之稱，此外還可能與DNA的複製有關。

圖3-11 白喉桿菌的間體
（三）細胞質與核質體
細菌和其它原核生物一樣，沒有核膜，DNA集中在細胞質中的低電子密度區，稱核區或核質體（nuclear body）。細菌一般具有1-4個核質體，多的可達20餘個。核質體是環狀的雙鏈DNA分子，所含的遺傳信息量可編碼2000～3000種蛋白質，空間構建十分精簡，沒有內含子。由於沒有核膜，因此DNA的複製、RNA的轉錄與蛋白的質合成可同時進行，而不像真核細胞那樣這些生化反應在時間和空間上是嚴格分隔開來的。
每個細菌細胞約含5000～50000個核糖體，部分附著在細胞膜內側，大部分游離於細胞質中。細菌核糖體的沉降係數為70S，由大亞單位（50S）與小亞單位（30S）組成，大亞單位含有23SrRNA，5SrRNA與30多種蛋白質，小亞單位含有16SrRNA與20多種蛋白質。30S的小亞單位對四環素與鏈黴素很敏感，50S的大亞單位對紅黴素與氯黴素很敏感。
細菌核區DNA以外的，可進行自主複製的遺傳因子，稱為質粒（plasmid）。質粒是裸露的環狀雙鏈DNA分子，所含遺傳信息量為2~200個基因，能進行自我複製，有時能整合到核DNA中去。質粒DNA在遺傳工程研究中很重要，常用作基因重組與基因轉移的載體。
胞質顆粒是細胞質中的顆粒，起暫時貯存營養物質的作用，包括多糖、脂類、多磷酸鹽等。
（四）其他結構
許多細菌的最外表還覆蓋著一層多糖類物質，邊界明顯的稱為莢膜（capsule，圖3-12），如肺炎球菌，邊界不明顯的稱為粘液層（slime layer），如葡萄球菌。莢膜對細菌的生存具有重要意義，細菌不僅可利用莢膜抵禦不良環境；保護自身不受白細胞吞噬；而且能有選擇地粘附到特定細胞的表面上，表現出對靶細胞的專一攻擊能力。例如，傷寒沙門桿菌能專一性地侵犯腸道淋巴組織。細菌莢膜的纖絲還能把細菌分泌的消化酶貯存起來，以備攻擊靶細胞之用。

圖3-12 一種細菌的負染照片，顯示莢膜 圖片來自http://www.microbelibrary.org
鞭毛（圖3-13）是某些細菌的運動器官，由一種稱為鞭毛蛋白（flagellin）的彈性蛋白構成，結構上不同於真核生物的鞭毛。細菌可以通過調整鞭毛旋轉的方向（順和逆時針）來改變運動狀態。
菌毛（圖3-14）是菌體表面極其的蛋白纖細，須用電鏡觀察。特點是：細、短、直、硬、多，菌毛與細菌運動無關，根據形態、結構和功能，可分為普通菌毛和性菌毛兩類。前者與細菌吸附和侵染宿主有關，後者為中空管子，與傳遞遺傳物質有關。

圖3-13 細菌的鞭毛 圖片來自http://www.denniskunkel.com/

圖3-14 大腸桿菌的菌毛圖片來自http://www.denniskunkel.com/
（五）繁殖
細菌一二分裂的方式繁殖（圖3-15），某些細菌處於不利的環境，或耗盡營養時，形成內生孢子，又稱芽孢（圖3-16），是對不良環境有強抵抗力的休眠體，由於芽胞在細菌細胞內形成，故常稱為內生孢子。

圖3-15 大腸桿菌的分裂 圖片來自http://www.denniskunkel.com/
芽孢的生命力非常頑強，有些湖底沉積土中的芽抱桿茵經500-1000年後仍有活力，肉毒梭菌的芽孢在pH 7.0時能耐受100℃煮沸5-9.5小時。芽孢由內及外有以下幾部分組成：
1．芽孢原生質（spore protoplast，核心core）：含濃縮的原生質。
2．內膜（inner membrane）：由原來繁殖型細菌的細胞膜形成，包圍芽孢原生質。
3．芽孢壁（spore wall）：由繁殖型細菌的肽聚糖組成，包圍內膜。發芽後成為細菌的細胞壁。
4．皮質（cortex）：是芽孢包膜中最厚的一層，由肽聚糖組成，但結構不同於細胞壁的肽聚糖，交聯少，多糖支架中為胞壁酐而不是胞壁酸，四肽側鏈由L-Ala組成。
5．外膜（outer membrane）：也是由細菌細胞膜形成的。
6．外殼（coat）：芽孢殼，質地堅韌緻密，由類角蛋白組成(keratinlike protein),含有大量二硫鍵，具疏水性特徵。
7．外壁（exosporium）：芽孢外衣，是芽孢的最外層，由脂蛋白及碳水化合物(糖類)組成，結構疏鬆。

圖3-16 Bacillus anthracis的芽孢(B) 圖片來自http://www.microbelibrary.org
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二、支原體
支原體（mycoplasma）的大小通常為0.2~0.3μm，可通過濾菌器。無細胞壁，不能維持固定的形態而呈現多形性（圖3-17）。細胞膜中膽固醇含量較多，約占36%，這對保持細胞膜的完整性是必需的，凡能作用於膽固醇的物質（如二性黴素B、皂素等）均可引起支原體膜的破壞而使支原體死亡。

圖3-17 肺炎支原體 圖片來自http://s99.middlebury.edu/BI330A/
支原體基因組為一環狀雙鏈DNA，分子量小（僅有大腸桿菌的五分之一），合成與代謝很有限。肺炎支原體的一端有一種特殊的末端結構（terminal structure），能使支原體粘附於呼吸道粘膜上皮細胞表面，與致病性有關。
三、衣原體和立克次氏體
衣原體（Chlamydia）很小，直徑200nm-500nm，能通過細菌濾膜。立克次氏體（Rickettsia）略大，大多不能通過濾菌膜。它們都有DNA和RNA，有革蘭氏陰性細菌特徵的含肽聚糖的細胞壁，但酶系統不完全，必須在寄主細胞內生活，有攝能寄生物(energe parasite)之稱。
砂眼是衣原體引起的，由於能形成包含體，起初被認為是大型病毒，1956年，我國著名微生物學家湯飛凡及其助手張曉樓等人首次分離到沙眼的病原體。
衣原體生活史特殊，具有感染力的個體稱為原體(elementory body)，體積小，有堅韌的細胞壁（圖3-18）。在宿主細胞內，原體逐漸伸長，形成無感染力的個體，稱作始體(initial body)，是一種薄壁的球狀細胞，體積較大，通過二等分裂的方式在宿主細胞內形成一個微菌落，隨後大量的子細胞有分化為具有感染能力的原體。

圖3-18 衣原體Chlamydia pneumoniae 梨子形的原體（EBs），左、吸附在巨噬細胞表面，右、進入細胞內部的原體，圖片來自iwww.bioscience.org/2002/ v7/e/hahn/figures.htm
立克次氏體（圖3-19）也是專性細胞內寄生的，主要寄生於節肢動物，有的會通過蚤、虱、蜱、螨傳入人體、如斑疹傷寒、戰壕熱。美國醫生H.T.Richetts 1909年首次發現它是落基山斑疹傷寒的病原體，並於1910年犧牲於此病，故後人稱這類病原體為立克次氏體。與衣原體的不同處在於其細胞較大，無濾過性，合成能力較強，且不形成包涵體。

圖3-19 附著在內皮細胞表面的立克次氏體和細胞內包含立克次氏體的內吞體 圖片來自http://www.microbelibrary.org
四、藍藻
藍藻（圖3-20）又稱藍細菌（cyanobacterium），能進行與高等植物類似的光合作用（以水為電子供體，放出O２），與光合細菌的光合作用的機制不一樣，因此被認為是最簡單的植物。藍藻沒有葉綠體，僅有十分簡單的光合作用結構裝置。藍藻細胞遺傳信息載體與其它原核細胞一樣，是一個環狀DNA分子，但遺傳信息量很大，可與高等植物相比。藍藻細胞的體積比其它原核細胞大得多，直徑一般在士10um，甚至可達70μm（顫藻）。藍藻屬單細胞生物，有些藍藻經常以絲狀的細胞群體存在，如：屬藍藻門念珠藻類的髮菜（nostoc commune var.flagtlliforme）就是藍藻的絲狀體；做綠肥的紅萍實際上是一種固氮藍藻與水生蕨類滿江紅的共生體。

圖3-20 項圈藻Anabaena Cyanobacteria 圖片來自 http://www.microbelibrary.org
五、古細菌（archaebacteria）
是一類很持殊的細菌，多生活在極端的生態環境中。具有原核生物的某些特徵，如無核膜及內膜系統；也有真核生物的特徵，如以甲硫氨酸起始蛋白質的合成、核糖體對氯黴素不敏感、RNA聚合酶和真核細胞的相似、DNA具有內含子並結合組蛋白；此外還具有既不同於原核細胞也不同於真核細胞的特徵，如：細胞膜中的脂類是不可皂化的；細胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白質為主，有的含雜多糖，有的類似於肽聚糖，但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。
極端嗜熱菌（themophiles）：能生長在90℃以上的高溫環境。如斯坦福大學科學家發現的古細菌，最適生長溫度為100℃，80℃以下即失活，德國的斯梯特（K. Stetter）研究組在意大利海底發現的一族古細菌，能生活在110℃以上高溫中，最適生長溫度為98℃，降至84℃即停止生長；美國的J. A. Baross發現一些從火山口中分離出的細菌可以生活在250℃的環境中。嗜熱菌的營養範圍很廣，多為異養菌，其中許多能將硫氧化以取得能量。
極端嗜鹽菌（extremehalophiles）：生活在高鹽度環境中，鹽度可達25%，如死海和鹽湖中。
極端嗜酸菌（acidophiles）：能生活在pH值1以下的環境中，往往也是嗜高溫菌，生活在火山地區的酸性熱水中，能氧化硫，硫酸作為代謝產物排出體外。
極端嗜鹼菌（alkaliphiles）：多數生活在鹽鹼湖或鹼湖、鹼池中，生活環境pH值可達11.5以上，最適pH值8～10。
產甲烷菌（metnanogens）：是嚴格厭氧的生物，能利用CO2使H2氧化，生成甲烷，同時釋放能量。
CO2＋4H2→CH4＋2H2O＋能量
由於古細菌所棲息的環境和地球發生的早期有相似之處，如：高溫、缺氧，而且由於古細菌在結構和代謝上的特殊性，它們可能代表最古老的細菌。它們保持了古老的形態，很早就和其它細菌分手了。所以人們提出將古細菌從原核生物中分出，成為與原核生物（即真細菌eubacteria）、真核生物並列的一類。
表3-2 原核細胞與真核細胞的區別
區別
原核細胞
真核細胞
大小
1~10μm
10~100μm
細胞核
無核膜
有雙層的核膜
染色體
環狀DNA分子
線性DNA分子
一個基因連鎖群
2個以上基因連鎖群
DNA裸露或結合少量蛋白質
DNA同組蛋白和非組蛋白結合
DNA序列
無或很少有重複序列
有重複序列
基因表達
RNA和蛋白質在同一區間合成
RNA在核中合成和加工；蛋白質在細胞質中合成
細胞分裂
二分或出芽
有絲分裂和減數分裂，少數出芽生殖。
內膜
無獨立的內膜
有，分化成各種細胞器
鞭毛構成
鞭毛蛋白
微管蛋白
光合與呼
吸酶分佈
質膜
線粒體和葉綠體
核糖體
70S（50S+30S）
80S（60S+40S）
營養方式
吸收，有的行光合作用
吸收，光合作用，內吞
細胞壁
肽聚糖、蛋白質、脂多糖、脂蛋白
纖維素（植物細胞）
六、細胞結構與生物系統
傳統分類法根據生物的營養方式、運動能力和細胞結構的特點，把生物劃分為動物界和植物界。植物細胞的主要特徵是具有硬的細胞壁和進行光合作用的葉綠體。按傳統分類系統，雖然大多數生物種容易歸類，可是對某些生物來說卻遇到了分類上的困難，例如眼蟲（Euglena）是一種單細胞生物，含有葉綠體，卻不具有細胞壁；細菌和真菌則有細胞壁而無葉綠體；支原體既無葉綠體也無細胞壁，古細菌既有原核生物的特徵也具有真核生物的特徵。這些生物按照傳統分類法進行分類顯然就要遇到困難。
1970年C. Woese根據對16SrRNA核苷酸順序的同源性比較，提出將生命劃分為三界，即：真細菌（Eubacteria）、真核生物Eucaryotes、古細菌（Archaes）。1996年Bult領導的研究小組在Science上發表了詹氏甲烷球菌（Methanococcus jannaschii）的全基因組序列，進一步證明它既不是典型的細菌也不是典型的真核生物，而是介於兩者之間的生命體，即生命的第三形式。
表3-3 幾種分類系統
傳統分類
按細胞結構分類
細胞類型
Whittaker 1969
Dodson 1971
植物界
細菌
藍藻
原核生物界
細菌
藍細菌
原核生物界
細菌
藍細菌
原核細胞
金藻
綠藻
紅藻
褐藻
粘菌
真正真菌
苔蘚維管植物
原生動物
後生動物
維管植物
原生生物界
金藻
原生動物
植物界
金藻
綠藻
紅藻
褐藻
粘菌
真正真菌
苔蘚
維管植物
真核細胞
真菌界
粘菌
真正真菌
　
綠藻
紅藻
褐藻
苔蘚
維管植物
動物界
原生動物
後生動物
動物界
後生動物
動物界
原生動物
後生動物
[2]由核糖醇或甘油殘基經磷酸二脂鍵互相連接而成的多聚物，功能尚不明確。
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第三節 病毒與蛋白質感染因子
病毒（Virus）是一類非細胞形態的介於生命與非生命形式之間的物質。有以下主要特徵：①個體微小，可通除濾菌器，大多數必須用電鏡才能看見；②僅具有一種類型的核酸，或DNA或RNA，沒有含兩種核酸的病毒；③專營細胞內寄生生活；④具有受體連結蛋白（receptor binding protein），與敏感細胞表面的病毒受體連結，進而感染細胞。
一、病毒的形態和結構
病毒的大小一般在10~30nm之間。結構簡單，由核酸（DNA或RNA）芯和蛋白質衣殼（capsid）所構成，稱核衣殼（nucleocapsid），衣殼有保護病毒核酸不受酶消化的作用。各種病毒所含的遺傳信息量不同，少的只含有3個基因，多的可達300個不同的基因。
病毒衣殼由一至幾種蛋白組成，組成病毒衣殼的亞單位稱殼微粒（capsomer）。病毒的形成不需要酶的參加，只要條件具備，核酸和蛋白質便可自我裝配（self assembly）成病毒。其裝配形式有二十面體對稱、螺旋對稱和復合對稱三種類型。二十面體對稱型的衣殼蛋白形成二十面體，核酸包在其中；螺旋對稱型的衣殼蛋白與核酸呈螺旋形排列，核酸交織在其中；復合對稱型為同時具有或不具有兩種對稱性形式的病毒（圖3-21）。

圖3-21 病毒衣殼的排列方式
一個成熟有感染性的病毒顆粒稱「病毒體」（Virion）。電鏡觀察有五種形態；①球形（Sphericity）：大多數人類和動物病毒為球形，如脊髓灰質炎病毒（圖3-21）、疱疹病毒及腺病毒等；②絲形（Filament）：多見於植物病毒，如煙草花葉病病毒（圖3-22），人類流感病毒有時也是絲形；③彈形（Bullet-shape）：形似子彈頭，如狂犬病毒、疱疹性口炎（圖3-23）病毒等，其他多為植物病毒。④磚形（Brick-shape）：如天花病毒（圖3-24）、牛痘苗病毒等；⑤蝌蚪形（Tadpole-shape）：由一卵圓形的頭及一條細長的尾組成，如噬菌體（圖3-25）。其中①為二十面體對稱；②、③為螺旋對稱；④、⑤為復合對稱。

圖3-21 脊髓灰質炎病毒。圖片來自http://www.denniskunkel.com/

圖3-22 煙草花葉病毒。圖片來自http://www.denniskunkel.com/

圖3-23 疱疹性口炎（vesicular stomatitis）病毒，形態與狂犬病毒相似，均為子彈形。圖片來自http://www.vetmed.ucdavis.edu

圖3-24人類天花病毒（圖中深染的顆粒）。圖片來自http://www.vetmed.ucdavis.edu

圖3-25 T4噬菌體。 圖片來自http://www.denniskunkel.com/

圖3-26 絲狀有被膜的病毒（流感冒病毒）。圖片來自http://www.denniskunkel.com/
有的病毒衣殼外面尚有一層被膜（viral envelope，圖3-26），這層被膜是病毒粒子脫離細胞時，包被上的宿主細胞的質膜，被膜中含有病毒融合蛋白（viral fusion protein），如流感病毒。病毒融合蛋白在病毒進入宿主細胞時起著關鍵作用。
病毒只有在侵入細胞以後才表現出生命現象。病毒的生活週期可分為兩個階段：一個是細胞外階段，以成熟的病毒粒子形式存在；另一個是細胞內階段，即感染階段，在此階段中進行複製和繁殖。感染階段開始時，病毒的遺傳物質由衣殼中釋放出來，注入宿主細胞中，然後在病毒核酸信息的指導控制下，形成新的病毒粒子。
根據寄生的宿主不同，病毒可分為動物病毒、植物病毒和細菌病毒（即噬菌體）三大類。根據病毒所含的核酸的性質和狀態不同，可將病毒分為6類：
1) 雙鏈±DNA→+mRNA→蛋白質，如天花病毒、T-偶數噬菌體。
2) 單鏈+DNA→±DNA→+RNA→蛋白質。
3) 雙鏈±RNA→+mRNA→蛋白質[3]，如呼腸孤病毒。
4) 單鏈+RNA→－RNA→+RNA→蛋白質脊髓灰質炎病毒。
5) 單鏈-RNA→+RNA→+蛋白質，如流感病毒、副流感病毒、狂犬病毒。
6) 單鏈+RNA→DNA→±DNA→+mRNA→蛋白質，即逆轉錄病毒（retrovirus）又稱RNA腫瘤病毒（oncornavirus）。
二、類病毒
類病毒在結構上比病毒還要簡單，沒有蛋白質外殼，僅為一裸露的RNA分子。由於它們具有感染作用，類似於病毒，故稱為類病毒（viroid）。它們不能像病毒那樣感染細胞，只有當植物細胞受到損傷，失去了膜屏障，它們才能在供體植株與受體植株間傳染。例如，馬鈴薯錘管類病毒僅由一個含359個核苷酸的單鏈環狀RNA分子組成，鏈內有一些互補序列。分子長約40~50nm，不能製造衣殼蛋白。
三、病毒的進化地位
無論是病毒還是類病毒都不具有獨立進行生物合成的能力，它們都是細胞的寄生物，因此在進化上病毒的出現不可能早於細胞。病毒的前身很可能是在宿主染色體外獨立進行複製的質粒（plasmid）。質粒既有DNA型的，也有RNA型的。它與病毒相似之處主要在於，它具有專一的核苷酸序列作為複製的起始部位。但它又不同於病毒，不能製造蛋白質外殼，不能像病毒一樣從一個細胞傳遞到另一個細胞。當DNA質粒獲得了為衣殼蛋白質編碼的基因時，即意味著病毒出現了。
病毒能在種間傳遞核酸序列，因而它在生物進化上起著重要作用。由於病毒核酸往往可同宿主染色體重組，所以病毒核酸就有可能連接上一小段宿主染色體，一同傳遞到另一種細胞或有機體中。更有甚者，病毒DNA整合到宿主染色體中，變成了宿主基因組的一部分，這部分DNA稱為前病毒（provirus）。通過病毒在宿主細胞基因組間傳遞DNA序列的過程稱為DNA轉導（DNA transduction）。在生物工程和分子生物學研究中常通過這種途徑來轉導目的基因。病毒的某些屬性在細胞的生命活動中也具有普遍意義，通過對病毒活動的研究有助於對生命現象的理解。例如：
1. 自我裝配。病毒成分有限，結構簡單，但只要成分齊備，條件適宜，即可自動裝配成有活性的病毒。
2. 裝配信息來自分子本身。
3. 遺傳MM的統一性。病毒和細胞攜帶的遺傳物質是相同的，使用了同一套遺傳MM。
4. 自我複製。病毒進入細胞後，能夠自我複製和繁殖，具有生命特徵。
四、蛋白質感染因子
1982年S．B．Prusiner以敘利亞倉鼠為實驗材料，發現羊瘙癢病（scrapie）的病原體是一種蛋白質，不含核酸，命名為prion，意即PROteinnaceous Infection ONly，譯為蛋白質感染因子或朊病毒，Prusiner因此項發現更新了醫學感染的概念，獲1997年的諾貝爾生理與醫學獎。

圖3-27病羊神經組織的海綿狀損傷 圖片來自http://www.vetmed.ucdavis.edu
羊瘙癢病發現已有200年的歷史，羊得了這種病就會渾身發癢，不斷在堅硬物質上搓擦身體，最後死亡。它是一類傳染性海綿狀腦病（transmissible spongiform encephalopathies，TSE）。瘋牛病，即牛海綿狀腦病（bovine spongiform encephalopathy，BSE）也屬於此類疾病，發現於1986年，是由於牛被喂以由死羊骨粉製造的飼料而被感染，病牛腦內灰質及神經元都有典型的海綿狀退化（圖3-27、28），出現澱粉樣（amyloid）蛋白沉澱（圖3-28），與羊瘙癢病相似。同類型的prion也會使鹿、貂及猴子患病，人類也具有類似的疾病。

圖3-28 vCJD病人大腦組織切片，左、海綿狀病變及周圍的沉澱斑，右、澱粉樣蛋白沉澱，短線表示50um。引自Stanley B. Prusiner 1997
Prion是一種結構變異的蛋白質，對高溫和蛋白酶均具有較強的抵抗力。它能轉變細胞內的此類正常的蛋白PrPC（cellular prion protein），使PrPC發生結構變異，變為具有致病作用的PrPSc（scrapie-associated prion protein）。
PrPC存在於神經元、神經膠質細胞和其它一些細胞，屬於糖磷脂酰肌醇錨定蛋白，集中在膜上的脂筏中，對蛋白酶和高溫敏感，可能和細胞信號轉導有關。
PrPSc與PrPc的一級結構相似（圖3-29），均由253-4個氨基酸組成，分子量約33-37KD。純化的Prion經傅裡葉變換紅外光譜分析，發現PrPc的高級結構中具有43%的α螺旋，極少的β折疊（3%），而PrPsc具有34%α螺旋，43%的β折疊。動物被感染後，發生錯誤折疊的PrPSc蛋白堆積在腦組織中，形成不溶的澱粉樣蛋白沉澱，無法被蛋白酶分解，引起神經細胞凋亡（Apoptosis）。

圖3-29 Prion的結構模型，左PrPc，右PrPSc 圖片來自http://www.cmpharm.ucsf.edu/cohen/media/pages/gallery.html
編碼PrP蛋白的基因稱為Prnp，該基因位於人第20號染色體的短臂，小鼠第2號染色體。敲除小鼠的Prnp基因，小鼠仍能正常發育，並對瘙癢病完全免疫，但出生後很快會出現共濟失調、小腦皮層顆粒細胞退化。
目前對蛋白質感染因子的增殖方式有兩種解釋（圖3-30），一是重折疊模型（refolding model），認為PrPSc分子起分子伴侶（molecular chaperone）的作用，能與PrPc分子相結合，誘使PrPc轉變成PrPSc，從而形成了PrPSc二聚體，於是一個PrPSc分子就變成了2個PrPSc分子，如此倍增不已。另一種解釋是晶種模型（Seeding model），認為PrPc分子本身有向PrPSc轉變的傾向（一種平衡反應），PrPSc能像晶種一樣，穩定PrPc的構象，形成澱粉樣蛋白沉澱，然後碎裂後又變成新的晶種。

圖3-30 PrPSc的增殖 圖片引自Frank L. Heppner等2001
蛋白質感染因子的增殖既不是由於基因過分表達，也不是因翻譯量增加，而是由於正常分子的構象發生轉變造成的，所以亦稱朊病毒。目前已知的人類PRION疾病主要有：
1. 克-雅二氏病（Creutzfeldt–Jakob disease，CJD）：Cruetzfeldt和Jakob 1920年發現於六例患者，大多發生於60歲以上的人，是自身PrP蛋白髮生變異引起的。
2. 變異型克-雅氏病（vCJD）：患者都處於以往CJD未曾出現的年齡段，為十幾歲至三十歲的年輕人，是由於取食病牛產品而感染。患者首先出現憂鬱症的病狀，繼而不能行走，並呈現精神障礙等癡呆症狀，最後死亡。
3. GSS綜合征（Gerstmann-Straussler Scheinker disease））：是一種遺傳的的慢性腦病，由Prnp基因缺陷引起，PrP蛋白的102位亮氨酸被脯氨酸取代或117位的纈氨酸被丙氨酸取代。
4. 克魯病（Kuru）：發現於新幾內亞一個叫Fore的部落，當地人稱作kuru，意即顫抖。病人大多數是婦女及小孩，病症有言語含糊及無意識地狂笑，最後不省人事並死亡。一名美國醫生D. C. Gajdusek到了當地，發現那裡的婦女及小孩具有吃死者屍體的習慣，結果受到感染。
5. 致死性家族性失眠症（Fatal familial insomnia，FFI）：也是一種遺傳性疾病，Prnp基因變異，PrP蛋白178位的天冬酰胺被天冬氨酸取代。患者的主要症狀是失眠，並有CJD的症狀。
對於蛋白質感染因子引起的疾病，目前尚沒有有效的治療措施。這類蛋白具有很強的抵抗力，對抗生素和消毒劑不敏感，134-138℃持續1h的病牛腦組織勻漿，以及10%福爾馬林固定過的病羊腦組織，仍有感染性。
據報道，自1996年以來，共有106人得了瘋牛病，其中僅有七人還活著。
[3]病毒RNA的鹼基序列與mRNA完全相同者，稱為正鏈RNA病毒。這種病毒RNA可直接起病毒mRNA的作用，附著到宿主細胞核糖體上，翻譯出病毒蛋白。從正鏈RNA病毒顆粒中提取出RNA，注入適宜的細胞時有感染性；病毒RNA鹼基序列與mRNA互補者，稱為負鏈RNA病毒。負鏈RNA病毒的顆粒中含有依賴RNA的RNA聚合酶，可催化合成互補鏈，成為病毒mRNA，翻譯病毒蛋白，從負鏈RNA病毒顆粒中提取出的RNA，因提取過程損壞了這種酶，而無感染性。
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2004-5-17 12:11:00

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第 9 樓


第四節 細胞的化學成分
組成細胞的基本元素是：O、C、H、N、Si、K、Ca、P、Mg，其中O、C、H、N四種元素占90%以上。細胞化學物質可分為兩大類：無機物和有機物。在無機物中水是最主要的成分，約占細胞物質總含量的75％—80％。
一、水與無機鹽
（一）水是原生質最基本的物質
水在細胞中不僅含量最大，而且由於它具有一些特有的物理化學屬性，使其在生命起源和形成細胞有序結構方面起著關鍵的作用。可以說，沒有水，就不會有生命。水在細胞中以兩種形式存在：一種是游離水，約占95％；另一種是結合水，通過氫鍵或其他鍵同蛋白質結合，約占4％~5％。隨著細胞的生長和衰老，細胞的含水量逐漸下降，但是活細胞的含水量不會低於75％。
水在細胞中的主要作用是，溶解無機物、調節溫度、參加酶反應、參與物質代謝和形成細胞有序結構�