4.3 Plant Cells VS Animal Cells
细胞器 细胞壁 叶绿体 液泡 溶酶体 圆球体 乙醛酸循环体 通讯连接方式 中心体 胞质分裂方式 动物细胞 无 无 无 有 无 无 间隙连接 有 收缩环 植物细胞 有 有 有 无 有 有 胞间连丝 无 细胞板 构成动物与植物机体的细胞均有基本相同的结构体系与功能体系。很多重要的细胞器与细胞结构，如细胞膜、核膜、染色质、核仁、线粒体、高尔基体、内质网与核糖体、微管与微丝等等，在不同细胞中不仅其形态结构与成分相同，功能也一样。近年在植物细胞内也发现了类似动物细胞的中等纤维与溶酶体的结构，植物细胞的圆球体与糊粉粒具有类似溶酶体的功能。
植物细胞却有一些特有的细胞结构与细胞器是动物细胞所没有的，如细胞壁、液泡与叶绿体吸其它质体。植物细胞在有丝分裂以后，普遍有一个体积增大与成熟的过程，这一点比动物细胞表现明显。在这一过程中，细胞的结构要经历一个发育的阶段，如细胞壁的初生壁与次生壁的形成，液泡的形成与增大，有色体的发育等。下面我们简单介绍一下植物细胞所特有的细胞器。
（1）细胞壁 细胞壁是在细胞分裂过程中形成的，先在分裂细胞之间形成胞间层，主要成分是果胶质，再在胞间层之间形成有弹性的初生壁（l～3μm），有些细胞还形成坚硬的次生壁（5～10μm），细胞壁的主要成分是纤维素，还有果胶质、半纤维素与木质素等。植物细胞壁产生了地球上最多的天然聚合物：木材、纸与布的纤维。细胞壁的某些部位有间隙，原生质可以由此沟通，形成胞间连丝。
（2）液泡 液泡是植物细胞的代谢库，起调节细胞内环境的作用。它是由脂蛋白膜包围的封闭系统，内部是水溶液，溶有盐、糖与色素等物质，溶液的浓度可以达到很高的程度。液泡是随着细胞的生长，由小液泡合并与增大而成为大液泡。液泡的另一功能可能具有压力渗透计（osmometer）的作用，使细胞保持膨胀的状态。
（3）叶绿体 叶绿体是植物细胞内最重要与最普遍的质体，它是进行光合作用的细胞器。叶绿体利用其叶绿素将光能转变为化学能，把CO2与水转变为糖。叶绿体是世界上成本最低，创造物质财富最多的“生物工厂”。
4.4 The sizes of Cells
胞的体积很小，通常需要借助显微镜才能看见。因此必须用微观的度量单位来测量细胞的大小。常用的细胞和生物大分子的度量单位有微米（μm）、纳米（nm）。人们用微米作为光学显微镜下观察细胞结构的测量单位；用纳米作为电子显微镜下观察细胞结构的测量单位；肉眼的分辨率为0.1毫米,观察对象为器官、系统。光
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学显微镜的分辨率在100―0.2微米,称微观,观察对象为组织、细胞。电子显微镜的分辨率在2100―1纳米，称亚微观，观察对象为细胞内部结构。高级电子显微镜和X射线衍射，分辨率小于1纳米，称超微观，观察对象为分子结构。1990年11月28日中国科学院化学研究所在世界上首次借助其扫描隧道显微镜，直接观察到辫子般的三链状脱氧核糖核酸新结构。这种原子级分辨率的精密仪器，是化学所等单位于1987年靠自力更生在我国首次研制成功的。由此获得国家科技进步二等奖。这一发现，不仅说明扫描隧道显微镜在研究生物物质方面具有极大的前途，而且在了解脱氧核糖核酸螺旋结构上找到了一个重大突破口，从而为生物信息、生命起源等问题的研究开辟了一条新途径。
细胞大小悬殊。大多数细胞的直径在10-100微米之间。一般而言，真核细胞大于原核细胞（原核细胞结构简单，没有由膜包围的细胞核，只有核区、细胞质、细胞膜和细胞壁），高等动物的卵细胞大于体细胞，最小的细胞是支原体，直径只有100纳米。最大的细胞是鸟类的卵细胞，鸡蛋的整个蛋黄就是一个卵细胞，直径约2-3厘米。驼鸟蛋是最大的鸟蛋，卵黄直径可达5-7厘米，可谓是最大的细胞了。人的卵细胞直径为120微米，肉眼勉强可见。
细胞的大小和细胞的机能是相适应的。神经细胞体直径一般不过100微米，但伸出的神经纤维却可达1米，这显然和神经的传导功能是一致的。鸟卵之所以大，是因为细胞中储藏大量营养物质之故。精子很小巧，适于游泳寻找卵子。
细胞的大小和多细胞生物个体的大小没有相关性，参天大树和幼小树苗，在细胞大小上并无差别。器官的大小与细胞数量成正比，多细胞生物个体的体积长大，是由于细胞数目的增多。
如果是受精的鸡蛋，产出的时候已经不是一个细胞，而是一个早期的胚胎（原肠期），具有很多细胞，处于休眠期，条件适宜时，又开始胚胎发育。如果没有受精的话，卵黄部分就相当于一个卵母细胞。
4.4.1 lower limit
一个细胞生存与增殖必须具备的结构装置与机能是：细胞膜、遗传信息载体DNA与RNA、进行蛋白质合成的一定数量的核糖体以及催化主要酶促反应所需要的酶，这些在支原体细胞内已基本具备。从保证一个细胞生命活动运转所必须的条件看，有人估计完成细胞功能至少需要 100种酶，这些分子进行酶促反应所必须占有的空间直径约为 50um，加上核糖体（每个核糖体直径约10～20um），细胞膜与核酸等，我们可以推算出来，一个细胞体积的最小极限直径不可能小于100um，而现在发现的最小支原体细胞的直径已接近这个极限。因此，作为比支原体更小更简单的细胞，又要维持细胞生命活动的基本要求，似乎是不可能存在的，所以说支原体是最小最简单的细胞。
4.4.2 upper limit
细胞最为典型的特点是在一个极小的体积中形成极为复杂而又高度组织化的结构。典型的原核细胞的直径平均大小在1－10pm之间，而真核细胞的直径平均为3一30pm，一般为10一20pm。
某些不同来源的同类细胞的大小变化很大，如人的卵细胞的直径只有0．lmm，而鸵鸟的卵细胞的直径则有0．scm。但是，来自不同物种的多数同类型细胞的体积一般是相近的，不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同。因此，器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关。
细胞本身的大小并非是随意改变的，细胞体积要维持相对恒定。哺乳动物细胞的体积大小受几个因素的限制，其中一个主要限制因素是体积与表面积的关系。以球形细胞为例（身体内的细胞并非都是球形）计算体积与表面积的关系，结果表明，球形细胞增大，其体积的增加要比表面积的增加大得多。这样，当细胞增大到一
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定程度时，质膜的表面积就的表声积，从而限制了体积的无限增大。
另一个限制细胞体积的因素是细胞内关键分子的浓度。一些重要的分子在细胞球形细胞内的拷贝数是很少的，当细胞体积增大时，这些分子的浓度就越来越稀，一些重要的生化反应需要一定的分子浓度才能进行，所以细胞内分子浓度就成了限制细胞体积无限增大的另一个因素。真核细胞的体积一般是原核细胞的1000倍，真核细胞为了解决细胞内重要分子的浓度问题，出现了特化的内膜系统，使一些反应局限于特定的膜结合的细胞器内，这样，一些重要反应的分子浓度并没有被稀释。
细胞不仅对其体积的增大有限制，而细胞体积与表面积间的关系且对体积减小也有限制。据研究，一个生活细胞要维持正常的独立生活功能，最低限度需要500～1000种不同类型的酶和蛋白质，这是目前在支原体（mycoplasma）中所发现的酶和蛋白质的量。而支原体是目前所知最小的原核细胞，它的体积只有，仍能完全独立地生存。很显然，细胞体积的最小化受制于维持细胞生命活动所需的酶和蛋白质种类的最低量。 －－－－王p6
器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关，这种关系有人称之为“细胞体积的守恒定律”。
细胞最大体积的极限与什么因素有关？细胞的体积受什么因素控制？我们认为有3个方面应该指出来： 1．细胞的相对表面积与体积的关系： 2．细胞的核与质之间有一定的比例关系 3．细胞内物质的交流与细胞体积的关系：
由于上述种种因素的影响，细胞作为生命活动的基本单位，其体积必然要适应其代谢活动的要求，应有一定的限度，因此数百微米直径的细胞应被认为是上限了。
4.5 The relationship between cells’ form and its function
由于结构、功能和所处的环境不同，各类细胞形态千差万别，有圆形、椭圆形、柱形、方形、多角形、扁形、梭形，甚至不定形。
原核细胞的形状常与细胞外沉积物（如细胞壁）有关，如细菌细胞呈棒形，球形，弧形、螺旋形等不同形状。单细胞的动物或植物形状更复杂一些，如草履虫像鞋底状，眼虫呈梭形且带有长鞭毛，钟形虫呈袋状。
生物的细胞形状与细胞功能和细胞间的相互关系有关。如动物体内具有收缩功能的肌肉细胞呈长条形或长梭形；红细胞为圆盘状，有利于O2和CO2的气体交换。植物叶表皮的保卫细胞成半月形，2个细胞围成一个气孔，以利于呼吸和蒸腾。细胞离开了有机体分散存在时，形状往往发生变化，如平滑肌细胞在体内成梭形，而在离体培养时则可成多角形。
Chapter Ⅲ Techniques in Cell Biology
一、教学目的和要求：
通过对本节的学习主要使学生掌握如下知识内容：细细胞形态结构的观察方法；细胞组分的分析方法；细胞培养与细胞工程技术；分子生物学方法。
向学生介绍细胞生物学的技术史和思想史，使之认识工具和方法与学科发展的相关性。 使学生了解本学科基本的研究方法。 二、教材分析：
概述：本章细胞生物学研究方法和技术在传统教学中属“次要”内容，所以教材深度不大，内容单薄，图表有待丰富。随着细胞生物学的发展，其研究方法和基本技术原理越来越为人们重视，在考研试题中也频繁出
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现。
教学重点：仪器方法的基本原理和基本应用。 教学难点：电镜制样及分子生物学方法。 三、教学设想：
教材处理：针对其薄弱的环节增加相应内容，如对各仪器、实验方法的原理；在CAI课件中加入大量的照片、示意图以助学生学习。
教学方法：主要采用讲授法和讨论法。 教具：CAI课件
四、教学内容：（4学时）
1 Light Microscope & Electron Microscope
1.1 Light Microscope （一） 普通光学显微镜
1. 构成：普通生物显微镜由3部分构成，即：①照明系统，包括光源和聚光器；②光学放大系统，由物镜和目镜组成，是显微镜的主体，为了消除球差和色差，目镜和物镜都由复杂的透镜组构成；③机械装置，用于固定材料和观察方便。
比较高级的显微镜上都设有倾斜式的双目镜筒。在物镜转换器上方装有四个棱镜，使经过物镜的光线平分为两路到达目镜，故双筒显微镜（ binocular microscope）的亮度要比单筒者为暗。双筒显微镜的优点为同时用两眼观察，有较强的立体感。
2. 原理：经物镜形成倒立实像，经目镜进一步放大成像
3. 分辨率 Resolution：区分两质点间最小距离的能力。显微镜物象是否清楚不仅决定于放大倍数，还与显微镜的分辨力（resolution）有关，分辨力是指显微镜（或人的眼睛距目标25cm处）能分辨物体最小间隔的能力，分辨力的大小决定于光的波长和镜口率以及介质的折射率，用公式表示为：
R=0.61λ /N．A． N．A．＝ｎsinα/2
式中：n=介质折射率；α=镜口角（标本对物镜镜口的张角），N.A.=镜口率（numeric aperture）。镜口角总是要小于180?，所以sina/2的最大值必然小于1。
讨论：Magnification versus Resolution分辨极限与放大率
一般地说，一定波长的射线不能用以探查比它本身波长短得多的结构细节，这是一切显微镜的一个基本限度。因此，光学显微镜的最高分辨极限（limit resolution）受可见光的波长（0.4－0.7μm）的限制。细菌和线粒体约0.5μm大小，是光学显微镜能够清晰可见的最小物体；比这更小的细节，由于光的衍射效应而不能分辨。通常将光镜下所见物体的结构称为显微结构（microscopic structure），如线粒体、中心体、核仁等可以在光镜下观察，均属于显微结构。
光并非是完全直线前进的，光波以各种稍微不同的路程通过一个光学系统，以致互相干涉产生光衍射效应。例如，用同一波长的光照射一条直边，其放大影像是一组平行线，如照射一个小圆孔，其放大影像是一组同心圆的线。同样原理，通过显微镜观察一个点，就像一个模糊的圆盘，相邻两点的像则重叠而分辨木开。对可见光来说，能清楚地分辨出相邻两点之间的最小间隔是0.2μm，称之为分辨极限。无论怎样改善透镜，也不可能克服光波本身所造成的这种限制，尽管可以将图像放大，例如投影到屏幕上，但也不可能在光镜下看清楚比0.2μm更细微的物体。
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最终成像的大小与原物体大小的比值称为放大率（magnification）。总放大率二物镜放大率X目镜放大率，放大率同样受分辨极限的限制。一般来说，光学显微镜的最大放大率只能是透镜的数值孔径的1000倍。由于透镜的数值孔径的范围是1.0～1.4，所以光学显微镜在用空气作介质时最大放大倍数为1000倍，用油镜则为1400倍。
讨论：显微镜的分辨率能否无限提高？如何提高光学显微镜的分辨能力？
分辨率表示的是能够区别两个点间最近距离的能力，所以广值越小，分辨率越高。从分辨率的表达式来看，NA越大，分辨率越高，或者波长越短，分辨率越高。
当以可见光作光源，玻璃透镜的最大分辨率是多少呢？应从以下几个方面来考虑这一问题。首先应如何尽可能地缩短波长。可见光的波长范围是400～700urn，而可见光中的蓝色光的波长最短，为450urn，所以光镜使用时应滤去其他杂色光。第二是使NA的数值尽可能大，因为最好的玻璃透镜的镜口角是70o，所以sina的最大值为0．94，空气的折光率（n）为1，因此玻璃透镜的最大数值孔径为0．94。这样，我们可以计算光镜的最大分辨率了：假定用最好的玻璃透镜，角孔径为70”，用最短的可见光——蓝色光的波长为450urn，用空气作为光的折射介质，则最大分辨率为 r＝ 0．61×λ／NA＝ 0．61× 450／0．94＝ 292urn。0．3μm 。
光镜中的油镜可用油作为光折射的介质，由于油的折光率为1．5，所以用油镜时，分辨率 r＝ 0．61λ／NA＝0．61× 450／1＝5 × 0．94＝ 196μrn＝0.2μm。
在光学显微镜中，用紫外光作光源可使分辨率提高到0．lpm。紫外光的波长较短，约为200～300urn。但是，紫外光是肉眼不可见的，必须通过照相。另外，用紫外光源时需用石英透镜，价格较高。 －－－－王p33
（二）、荧光显微镜Fluorescence microscope 特点：
? 照明方式通常为落射式，即光源通过物镜投射于样品上 ； ?光源为紫外光，波长较短，分辨力高于普通显微镜；
?有两个特殊的滤光片，光源前的用以滤除可见光，目镜和物镜之间的用于滤除紫外线，用以保护人目。 细胞中有些物质，如叶绿素等，受紫外线照射后可发荧光；另有一些物质本身虽不能发荧光，但如果用荧光染料或荧光抗体染色后，经紫外线照射亦可发荧光，荧光显微镜可对这类物质进行定性和定量研究。
用途：用于观察能激发出荧光的结构：免疫荧光观察、基因定位、疾病诊断。 （三）、激光共聚焦扫描显微境Laser confocal scanning microscope, LCSM
激光共聚焦扫描显微镜（laser confocal scanning microscope，）用激光作扫描光源，逐点、逐行、逐面快速扫描成像，扫描的激光与荧光收集共用一个物镜，物镜的焦点即扫描激光的聚焦点，也是瞬时成像的物点。由于激光束的波长较短，光束很细，所以共焦激光扫描显微镜有较高的分辨力，大约是普通光学显微镜的3倍。系统经一次调焦，扫描限制在样品的一个平面内，调焦深度不一样时，就可以获得样品不同深度层次的图像，这些图像信息都储于计算机内，通过计算机重新组合，就能显示细胞样品的立体结构，给出细胞内各部分之间的定量关系及各种结构线度。
激光共聚焦扫描显微镜既可以用于观察细胞形态，也可以用于细胞内生化成分的定量分析、光密度统计以及细胞形态的定量。－－－绍兴
（四）、暗视野显微镜Dark field microscope
? 聚光镜中央有挡光片，照明光线不直接进人物镜，只允许被标本反射和衍射的光线进入物镜，因而视野
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