4.2: 原核细胞

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培养技能

列举原核生物和真核生物的示例
比较和对比原核细胞和真核细胞
描述不同类型细胞的相对大小
解释为什么细胞必须很小

细胞分为两大类之一：原核细胞和真核细胞。只有细菌和古细菌域中以单细胞为主的生物才被归类为原核生物（pro-= “before”；-kary-= “核”）。动物、植物、真菌和原生生物的细胞都是真核生物（eu-= “true”），由真核细胞组成。

原核细胞的成分

所有细胞共有四种共同成分：1) 质膜，一种将细胞内部与周围环境分开的外层覆盖物；2) 细胞质，由细胞内含有其他细胞成分的果冻状细胞溶胶组成；3) DNA，细胞的遗传物质；4)核糖体，合成蛋白质。但是，原核生物与真核细胞在几个方面有所不同。

原核生物是一种简单的、主要是单细胞（单细胞）的生物，它缺乏细胞核或任何其他膜结合的细胞器。我们很快就会发现，这在真核生物中有很大的不同。原核生物DNA存在于细胞的中心部分：核样体（图\(\PageIndex{1}\)）。

在这幅插图中，原核细胞呈椭圆形。圆形染色体集中在一个叫做核样体的区域。细胞内的液体被称为细胞质。被描绘成小圆圈的核糖体漂浮在细胞质中。细胞质被质膜包裹，而质膜又被细胞壁包裹。胶囊环绕着细胞壁。所描绘的细菌有一根鞭毛从一个狭窄的一端伸出来。 Pili 是从太空舱向各个方向伸出的小突起。 — 图\(\PageIndex{1}\)：此图显示了原核细胞的广义结构。所有原核生物都有位于核样体、核糖体、细胞膜和细胞壁中的染色体 DNA。所示的其他结构存在于某些（但不是全部）细菌中。

大多数原核生物都有肽聚糖细胞壁，许多原核生物有多糖胶囊（图\(\PageIndex{1}\)）。细胞壁起到额外的保护层的作用，帮助细胞保持其形状并防止脱水。胶囊使细胞能够附着在环境的表面上。有些原核生物有鞭毛、pili 或 fimbriae。鞭毛用于运动。 Pili 用于在一种称为共轭的繁殖过程中交换遗传物质。细菌利用纤维附着在宿主细胞上。

职业联系：微生物学家

任何人都可以采取的最有效的措施来防止传染病的传播，就是洗手。为什么？因为微生物（微小到只能用显微镜才能看到的生物）无处不在。它们生活在门把手、钱、你的手和许多其他表面上。如果有人向他的手打喷嚏然后触摸门把手，然后你触摸同一个门把手，那么打喷嚏者粘液中的微生物现在就在你的手上。如果你用手触摸嘴巴、鼻子或眼睛，这些微生物会进入你的体内并可能使你生病。

但是，并非所有微生物（也称为微生物）都会导致疾病；大多数实际上是有益的。您的肠道中有产生维生素 K 的微生物。其他微生物用于发酵啤酒和葡萄酒。

微生物学家是研究微生物的科学家。微生物学家可以从事多种职业。他们不仅在食品行业工作，还受雇于兽医和医疗领域。他们可以在制药领域工作，通过确定可用于治疗细菌感染的新抗生素来源，在研发中发挥关键作用。

环境微生物学家可能会寻找新的方法，使用经过特别挑选或经过基因改造的微生物去除土壤或地下水中的污染物以及受污染场所的危险元素。微生物的这些用途被称为生物修复技术。微生物学家还可以在生物信息学领域工作，为细菌流行病等计算机模型的设计、开发和特异性提供专业知识和见解。

电池大小

直径为0.1至5.0微米，原核细胞明显小于直径在10至100微米之间的真核细胞（图\(\PageIndex{2}\)）。原核生物体积小，允许进入原核生物的离子和有机分子迅速扩散到细胞的其他部分。同样，原核细胞内产生的任何废物都可以迅速扩散出来。真核细胞的情况并非如此，真核细胞已经形成了不同的结构适应以增强细胞内转运。

a 部分：显示了对数刻度上的相对尺寸，从 0.1 nm 到 1 m。对象按从小到大的顺序显示。所示的最小物体是原子，大小约为 1 nm。显示的第二大物体是脂质和蛋白质；这些分子介于 1 到 10 nm 之间。细菌约为 100 纳米，线粒体约为 1 希腊微米。动植物细胞均在 10 到 100 希腊微米之间。人类卵在 100 希腊微米到 1 毫米之间。青蛙蛋大约 1 毫米。鸡蛋和鸵鸟蛋的长度均在 10 到 100 毫米之间，但鸵鸟蛋更大。相比之下，一个人的身高约为 1 m。 — 图\(\PageIndex{2}\)：该图以对数尺度显示了微生物的相对大小（回想一下，对数标度中每增加一个单位表示被测数量增加10倍）。

一般而言，所有细胞，无论是原核细胞还是真核细胞，都需要小体积。让我们来看看为什么会这样。首先，我们将考虑典型细胞的面积和体积。并非所有细胞的形状都是球形的，但大多数细胞倾向于近似于球体。你可能还记得在高中几何课程中，球体表面积的公式是\(4\pi r^2\)，而其体积的公式是\(4\pi r^2/3\)。因此，随着像元半径的增加，其表面积会随着其半径的平方而增加，但其体积随着其半径的立方体而增加（速度要快得多）。因此，随着细胞大小的增加，其表面积与体积的比率会降低。如果细胞具有立方体的形状，则同样的原理也适用（图\(\PageIndex{3}\)）。如果细胞长得太大，质膜的表面积将不足以支持体积增加所需的扩散速率。换句话说，随着细胞的生长，它的效率会降低。提高效率的一种方法是分裂；另一种方法是开发执行特定任务的细胞器。这些适应导致了称为真核细胞的更复杂细胞的发育。

艺术连接

在左边，一个直径为 1 mm 的球体被包裹在一个相同宽度的盒子里。在右边，同一个球体被包裹在一个直径为 2 mm 的盒子里。 — 图\(\PageIndex{3}\)：请注意，随着细胞大小的增加，其表面积与体积的比率会降低。当表面积不足以支持细胞体积增加时，细胞要么分裂，要么死亡。左侧像元的\(\mathrm{1\: mm^3}\)体积为\(\mathrm{6\: mm^2}\)，表面积与体积的\(6\)比为\(1\)，而右侧像元的体积\(\mathrm{8\: mm^3}\)和表面积为\(\mathrm{24\: mm^2}\)，表面积与体积的比\(3\)为\(1\)。

原核细胞比真核细胞小得多。小蜂窝大小会给蜂窝带来什么好处？大容量蜂窝可能有哪些优势？

摘要

原核生物主要是细菌和古细菌领域的单细胞生物。所有原核生物都有非膜结合的质膜、细胞质、核糖体和DNA。大多数有肽聚糖细胞壁，许多有多糖胶囊。原核细胞的直径从 0.1 到 5.0 微米不等。

随着细胞大小的增加，其表面积与体积的比率会降低。如果细胞长得太大，质膜的表面积将不足以支持体积增加所需的扩散速率。

艺术联系

图\(\PageIndex{3}\)：原核细胞比真核细胞小得多。小蜂窝大小会给蜂窝带来什么好处？大容量蜂窝可能有哪些优势？

回答: 物质可以通过小细胞更快地扩散。小细胞不需要细胞器，因此不需要消耗能量让物质穿过细胞器膜。大细胞的细胞器可以分离细胞过程，使它们能够构建更复杂的分子。

词汇表

核样的: 发现染色体的原核细胞的中心部分

原核生物: 缺乏细胞核或任何其他膜结合细胞器的单细胞生物