· 处于中心的细胞核

生物体是根据一系列基因编码的信息而形成的，而这些信息的载体—DNA就储存在细胞核中。毫不夸张的说，细胞核是细胞内部最重要的结构。

在真核生物中，细胞核的DNA被分成一组不同的染色体。如人类基因组的3亿多个核苷酸分布在23对染色体上，每条染色体都由一个单独的、极长的线性DNA分子和蛋白质组成，这些蛋白质分子负责将DNA分子折叠打包成更紧凑的结构。 真核生物细胞核内存在高度有序的内部结构，包含复杂的蛋白质和RNA纤维组成的网络，称之为核基质。每个染色体在核内都有自己的地域，各地域之间也被非染色质区域分开。

染色体作为一个被限制在有限体积中的紧凑体而存在，它的许多活动（如复制和转录）都必须在这个空间内完成。在染色体中，核酸的凝聚状态是它与基础蛋白质结合的结果，这些蛋白质的正电荷中和了核酸的负电荷。另外，核蛋白复合物的结构是由蛋白质与DNA的相互作用决定的。在研究染色体时，一个常见的问题是如何将DNA包装到噬菌体、细菌细胞和真核生物细胞核中。DNA作为扩展分子的长度大大超过包含它的空间的尺寸，它必须被压缩的非常紧才能塞进可用的空间中。因此，与作为延伸双螺旋的传统DNA图片相比，DNA的结构变形弯曲甚至是折叠成一个更紧密的形式是一种规则而不是例外。

对于细菌和真核生物的核腔室来说，核酸长度和腔室大小之间的矛盾是很难测算的，原因在于DNA包含在一个紧凑的区域中，而这个区域只占腔室的一部分。遗传物质在细菌中以类核的形式存在，而在真核生物细胞分裂期间则以染色质的形式存在。这些腔室中蛋白质的密度是非常高的，如在细菌中为每毫升10毫克，在真核生物细胞核中则是每毫升100毫克，在T4噬菌体的头部中则高达每毫升500毫克，这样的浓度在溶液中相当于粘度很大的凝胶。到目前为止，我们还没有完全理解这种现象在生理学上的含义，比如我们就不知道这对蛋白质在DNA上发现其结合位点的能力有什么影响。

染色质的包装是很灵活的，它会在真核生物细胞周期中不断变化。在分裂的时候，遗传物质被包装的更加紧密，单个染色体变得更容易辨认。DNA的整体压缩可以用压缩比来描述，即用DNA的长度除以包含DNA的单元的长度。例如，最小的人类染色体DNA包含约4600万个堿基，这约等于1.4厘米的扩展DNA。在有丝分裂最密集的时候，染色体的长度为2微米，因此DNA的压缩比为7000。但是，对于细菌类核或真核生物染色质这种更加无定形的结构来说，DNA的压缩比就不能很好的测定了。但通常的推测是，有丝分裂染色体的压缩比是分裂间期染色质的5到10倍，这意味着典型压缩比是1000-2000。

每个染色体都包含一条很长的双链DNA，这就解释了为什么染色体复制像单个DNA分子一样是半保留形式的。因此，在解释间期染色质和有丝分裂染色体结构时，我们也需要解释DNA分子包装的形式，在这种形式下，它可以转录及翻译，并能够周期性或多或少地被压缩。

在细胞分裂活动期间，单个真核生物染色体在一个短暂的时期内吸引了人们的注意。我们可以在电子显微镜下看到，姐妹染色单体中的每一个都是由直径为30纳米的纤维和凹凸不平的外观组成。DNA在染色体中浓缩程度是间期染色质的5-10倍。然而，在大多数真核细胞生命周期中，它的遗传物质占据了细胞核的一个区域，在这个区域内，单个染色体是无法被区分的。在分裂间期染色质没有非常明显的变化，在复制期间，染色质数量翻倍时，其结构也没有明显的破坏。染色质是纤维状的，尽管纤维在空间上的整体结构很难仔细辨认，但纤维本身与有丝分裂的染色体是非常相似甚至完全相同的。

一般来说，染色质可以分成两种类型的物质：第一类，在大多数区域，这些纤维都比有丝分裂染色体要紧密的多，它们也被称为常染色质，它在核中有一个相对分散的外观，并占据了大部分区域；第二类在染色质的某些区域排列的非常紧密，显示出类似于有丝分裂染色体的状况。这种物质被称为异染色质。它通常发生于着丝粒，但也会在其他位置出现，但在细胞周期中凝结程度的变化较小。

相同的纤维在常染色质和异染色质之间持续运行，意味着这些状态代表了遗传物质不同程度的压缩。同样，在分裂间期和有丝分裂期间，常染色质区域以不同的凝结状态存在。因此遗传物质的组织方式允许其不同的状态在染色质中并排保持，并允许常染色质在分裂间期和有丝分裂期间的包装方式呈现周期性变化。另外，尽管常染色质中含有活性基因，但在任何时候只有一小部分序列才会被转录。因此，常染色质的位置是基因表达的必要条件而不是充分条件。

· 膜的功效

质膜确定了不同组分的隔室，并将细胞内部同外部环境分隔开来。同样，在真核细胞中，还有额外的膜把这些隔室与胞质溶胶分开，且不同隔室之间的膜在成分及环境方面也会有很大的不同。

不论是质膜还是细胞内的膜，其本质都是脂质蛋白质的集合物，它们组成部分通过非共价键聚集在一个薄片中，核心则由双分子层排列的脂质片组成。特别是脂质双分子层主要作为细胞膜的结构支柱，提供了防止水溶性物质随意进出细胞的屏障。

不同类型的膜中脂质和蛋白质的比例是不同的，这取决于细胞膜的类型(血浆、内质网、高尔基体)、生物体的类型(细菌、植物、动物)和细胞的类型(软骨、肌肉、肝脏)。例如，与红细胞膜相比，线粒体内膜的蛋白质/脂质比非常高，而红细胞膜的蛋白质/脂质比环绕神经细胞的多层髓鞘的膜高。在很大程度上，这些差异与这些膜的基本功能有关。线粒体内膜含有电子传递链的蛋白质载体，相对于其他膜，脂质减少。相反，髓鞘主要是作为它所包围的神经细胞的电绝缘体，这一功能最好由一层含有少量蛋白质的高电阻厚脂层来完成。膜也含有碳水化合物，碳水化合物附着在脂质和蛋白质上。

除了保护作用外，膜还需要具有某种选择性机制使得物质能够进出。由于脂质双分子层内部是输水的，所以极性、亲水且体型较大的分子不易通过，基本只允许带有电荷和可溶的分子及无机离子进出。为了维持细胞内外的离子浓度差，从而储存电位能，细胞就需要用到转运蛋白—-这种蛋白质会停留在质膜以及细胞内各种细胞器的膜上，且不同类型的膜具有特定的转运蛋白。

大体来说，转运蛋白可分为两类：通道蛋白和载体蛋白。通道蛋白包括一个孔道区域，当通道打开时，溶质可以告诉通过这个区域；载体蛋白则是在膜的一侧结合溶质，需经过变构才能在膜的另一侧释放它们。

图.1 通道蛋白核载体蛋白的不同运输机制

上图：通道蛋白会形成可供溶质通过的孔。下图：载体蛋白利用可变的溶质结合构象完成运输。

生物体内总共有100多种通道蛋白，这些蛋白能够组成离子通道、水通道、蛋白质运输通道或核孔复合物转移的通道等。单就离子通道来说，大部分通道蛋白对一些特定种类的溶质具有高度选择性（如钠离子、钾离子、钙离子或水），其它通道则是非选择性的阳离子或阴离子通道。然而，各个通道蛋白的孔道都有一个被称为“选择性过滤器”的结构，以使通道区分不同的溶质。

另外，这些通道蛋白具有某种特殊的“门控”机制，使其能够在应答特殊刺激时，通过构象变化来关闭及打开通道，从而实现不同的细胞功能。例如，细胞膜上的离子通道被激活后能够产生微小的电流，这些电流在神经信号的传递中有着重要的作用。又或者是，通道蛋白在应答牵拉刺激时，可以激活离子通道进行细胞体积的调节等。

与通道蛋白不同的是，载体蛋白发挥作用的本质是将电化学梯度中的自由能、ATP或其它能量转换用于逆浓度梯度转运底物。由于涉及到能量的运用，所以载体蛋白参与的转运一般被称为“主动运输”。当载体蛋白偶联储存在电化学梯度里的能量来推动底物的跨膜运动时，这些载体蛋白被称作转运体。而当载体蛋白利用能量（ATP水解释放的或其它方式释放）直接驱动能量上不利的底物积聚或外流时，这些载体蛋白被称作泵。转运体和泵就是载体蛋白的两种基本类型。

需要注意的是，在一个特定细胞中，所有类型的转运蛋白—-无论是通道、转运体还是泵，都需要协调合作来发挥出功能，绝大多数情况下一种类型转运蛋白功能的发挥需要依赖其它转运蛋白发挥功能，一个明显的例子就是跨膜的钠离子梯度是许多转运体发挥功能的先决条件，即许多钠离子依赖的通道和转运蛋白利用被存储在朝向内部的电化学钠离子梯度的能量驱动溶质逆着浓度梯度积聚，或者产生相应的电信号。

与离子通道类似的是，水通道也会参与一系列的生理过程。如当动物开始脱水时，肾脏中对渗透压敏感的细胞会察觉细胞外液体渗透压增加，进而刺激脑垂体释放加压素。这时血浆中高浓度的加压素会导致尿液减少且浓度增加，加压素与肾集合小管细胞顶膜上的受体结合产生的信号促使水通道蛋白快速表达，从而增加从尿液中吸收水分。

从空间结构上来看，水通道是同源四聚体，它的每个亚基都形成一个单独的孔结构，并通过渗透压梯度来调节水的运动。顾名思义，水通道蛋白具有极高的单位水渗透度（约3*10的9次方/秒），而对其它溶质或离子的运转可以忽略不计。值得注意的是，它们有一种高速通过水的多水通路，这种通路双向横跨细胞膜，不允许普通离子甚至是H3O+形式的质子通过。

实现这一目标的关键在于结构和相应的特点。水通道的孔可以分成三个区域：细胞外孔腔、包含有选择性过滤器的一个狭窄区域以及细胞内孔腔，这三个区域在一起形成一个沙漏形状的水渗透通路。这些孔区域有三个重要特点分别为大小限制、静电排斥和水偶极取向，这几个特点使水渗透具有特异性，严密限制了水合离子和质子的进出。

相较于离子进出和水的进出来说，蛋白质通过细胞膜的机制要更为复杂。大多数蛋白质是通过胞吐途径和胞吞途径将新合成的蛋白质分泌出去或者为细胞器所用。所谓胞吐途径，即是蛋白质通过内质网、高尔基体及后高尔基体运输小泡分泌到质膜或细胞外的过程。而胞吞途径则是指真核细胞通过在质膜处形成囊泡从而从细胞外环境吸收物质的过程。

胞吞和胞吐途径都需要靶向信号作为引导，并穿入内质网膜。一旦进入内质网，蛋白质便不再自由地穿过细胞质移动，此时它们接近其它膜性细胞器的唯一方法是膜泡介导运输。

这里的膜泡即为通常意义上所说的运输小泡，其主要由蛋白质和脂类组成，一般认为是通过从膜出芽形成。在胞吞或胞吐的路途上，运输小泡携带由内质网来的物质直接或间接到达所有其它隔室。另外，为了使细胞器保持它们的组成成分，膜泡介导运输在转运过程中会采用“选择性”机制：出芽泡能选择性地结合蛋白质进行转运，并留下细胞器的驻留蛋白，随后运输小泡停泊并选择性地与路径上下一个正确的隔室融合。

· 细胞骨架

细胞骨架为细胞的形态提供组织和结构支持。它有些类似于人体骨骼，本质上是一组蛋白质多聚体的集合，由细胞运输系统通路中的蛋白质和在其上运输的分子马达组成。所有的细胞骨架多聚体都是动态的，它们不断获得和失去多聚体亚单元，使细胞骨架产生细胞运动，并给细胞提供机械支撑。

从空间结构上看，细胞有3种类型的骨架多聚体，分别是微管、微丝和中间纤维。这三种结构都不是以单个蛋白质分子的形式发挥作用，而是通过多聚体的方式行使相应的功能。

微管是最结实的细胞骨架多聚体，其基本亚单位是管蛋白，它的名称缘由也正是因为管蛋白分子相互组装形成一个中空管道。需要注意的是，这里的管蛋白并不是一个蛋白质分子，而是由一个α-管蛋白和一个β-管蛋白组成的异二聚体，并作为一个单独的单位发挥作用。在典型情况下，微管由13根与相互延长轴平行排列的蛋白质亚基线性链搭建而成，每一根线性链叫作一个原纤维。在一根微管内，每个异二聚体与相邻的异二聚体形成广泛的非共价化学键，这些非共价键能够同时在纵向和侧面形成，进而连接了相邻的原纤维。

单根微管可能包含数万或数十万的管蛋白分子，其长度甚至可以延伸到整个细胞长度的一半。在组装过程中，它的正端冠以β-管蛋白，装配的较快，负端则冠以α-管蛋白，装配的较慢。这些微管几乎总是和在其上移动的分子马达蛋白协同作用，这些马达蛋白会推动运载物沿着微管的表面运动，就像卡车在高速公路上移动一样。

微管在细胞中的功能依赖于两种看起来相矛盾的性质：它的结构元件很坚挺，但又很容易解离。由于微管的结构为管状且相对直径较大，所以它相对来说较为坚硬，且能在承受较长距离弯折时不易被压瘪。在装配完成后，微管会很容易被解离，这使得它可以在需要的时候几分钟内就可以完成解聚和重组装，从而适应每个细胞的特殊需要。如神经细胞利用微管增加其强度，而成纤维细胞则利用其改变运动的方向。

微丝的本质是肌动蛋白聚合形成的纤维状细丝，这些细丝能够和其他蛋白质相互作用，在形成多样结构的同时也在多种细胞功能中发挥着决定性的作用。要了解微丝是什么，首先必须要了解肌动蛋白。

肌动蛋白是一种在所有真核细胞中都会存在的高度保守的蛋白质，占肌肉细胞中总蛋白质量的20%。在脊椎动物中，肌动蛋白有三个亚型，分别是 α、β和γ，其中α亚型大部分在肌肉细胞中表达，而β和γ亚型则主要在非肌肉细胞中表达。 另外，它不仅能够以单体的形式存在，也能够以线性聚合物的形式存在。

以单体形态存在时，肌动蛋白是一个结合有一个核苷酸和一个二价阳离子的43KD蛋白质，其形状可以用由一个裂缝隔开的两瓣来形容，而每个瓣又会由两个亚结构域组成。从空间结构上来看，核苷酸和二价阳离子结合在肌动蛋白单体的中心，特别是结合的核苷酸被认为关闭了两个瓣之间的裂缝。

当二价阳离子在细胞中达到生理学浓度时，肌动蛋白单体会自我聚合并以“从头至尾”的形式装配成纤维状物质。从形状上看，这种物质就像一个右手螺旋的双链串珠。另外，在电子显微镜下可以观察到它的两端也是不同的，分别被称作“倒刺端”和“尖端”，这种特定的结构显示在细胞定向运输和细胞形状形成发挥了重要作用。在每一条肌动蛋白纤维中，每一个肌动蛋白亚基会与四个相邻的亚基连接，这使得肌动蛋白纤维非常牢固，并能够高度抗热力剪切。

需要说明的是，肌动蛋白单体聚合形成肌动蛋白纤维是一个多步骤的动态过程，生物黑客们可以在低离子浓度的溶液中观察到这一过程。总体来看，整个聚合过程可以被分成三个不同的阶段：成核、延伸和稳态。

在成核阶段，两个肌动蛋白单体会首先形成一个二聚体，然后第三个亚基加入其中形成三聚体。这一三聚体是肌动蛋白聚合的核心，且会导致聚合过程进入停滞期，直至聚合体成长为合适的结构才会消除。这时，肌动蛋白结合蛋白会启动纤维的装配。

在延伸阶段，开始装配的纤维会快速生长，而且这种生长过程发生在纤维的末端而不是两侧。因此，不同长度的纤维其宽度基本是一致的。随着自由单体数量的减少，延伸的速度会逐渐放缓。

在稳态阶段，肌动蛋白单体与纤维末端进行着缓慢的互换，因此纤维长度的增加基本呈静止状态。从观察到的结果可以看到，这种互换过程与单体在溶液中的浓度相关：当单体浓度大于形成纤维所需要的肌动蛋白亚基的浓度时，纤维就会形成。反之，则只会有单体存在。

中间纤维也是由蛋白亚基构成的多聚体。它在细胞质和细胞核中均形成网络，是细胞核和细胞质骨架的主要成分，在组织水平上发挥着不可替代的作用。从电子显微镜下可以观察到，中间纤维的直径介于肌动蛋白纤维和微管之间，平均约为10nm。

从序列的同源性来看，中间纤维家族的蛋白质可以分为六类，分别为：I型、II型、III型、IV型、V型和VI型。这些蛋白均为长线状分子，具有相似的结构，并且遵循相同的组装原则。从形态上来看，所有的中间纤维蛋白都有一个位于中间的杆状结构域和与其相连的头部和尾部结构域。杆状结构域具有四个α螺旋片段，而末端结构域通常有三个可辨的亚结构域，分别为：一个高度带电的极性末端结构域、一个富含甘氨酸和丝氨酸的零散重复可变区域和一个高度可变区域。

从功能上来看，上述六类蛋白质中的I型和II型蛋白是在上皮细胞中表达的角蛋白，III型蛋白是与细胞类型特异性相关的蛋白质，IV型蛋白是影响神经纤维表达的蛋白质，V型蛋白是普遍存在于细胞核中的核纤层蛋白，而VI型则是眼球晶体的纤维蛋白。在这六类蛋白质中，I型和II型角蛋白是两类最大的中间纤维。换句话说，大部分的人类中间纤维基因编码角蛋白。

每一个I型角蛋白都会与一个特定的II型角蛋白相伴表达，且由此产生的角蛋白对都是固定的。这些角蛋白可以根据其功能分为三类：简单角蛋白、屏障角蛋白和结构角蛋白。

简单角蛋白是发育过程中首先表达的角蛋白，最基本的是K8和K18。它们出现在最早的胚胎细胞中，而且在脊椎动物中也是分布最广的保守角蛋白，从卵母细胞到成年组织的整个过程都有其踪影。

屏障角蛋白是层积上皮的特征物质，其中最重要的是K14和K5。这两种角蛋白出现在皮肤上皮位置的基层角质细胞中，有时也会出现在复杂腺体的上皮中。当细胞离开基层时，这两种角蛋白的合成即停止，转而会合成特异分化的角蛋白对。

结构角蛋白包括为数众多的中间纤维蛋白，它们仅在特化的坚硬结构及周围附属物中表达，如人们对毛囊中的结构角蛋白的顺续表达已然了解的十分透彻。这一过程涉及两组角蛋白，第一组角蛋白在毛囊内根鞘的中心上皮管的细胞层中选择性表达，是发轴形成的基准。第二组角蛋白在指甲或舌头表面凸起中的某些坚硬细胞中表达，并与非丝状毛发蛋白形成二硫键，进而形成某些坚硬组织。

· 各类细胞器

真核生物细胞的鲜明特征之一是其内部被膜围成许多独具功能的隔室，这些隔室使细胞具有行使众多不同功能所需的特定环境，从而形成一个复杂的细胞器系统。每个细胞器由一个或多个隔室组成，如内质网是一个隔室，线粒体有两个隔室，而高尔基体则包含一系列的隔室。我们甚至都可以将胞质溶胶看成一个外围是质膜、内里与所有细胞器外表面接触的特殊隔室。

真核细胞的细胞器不停地从一处转运到另一处，且发挥着多种作用，每种细胞器内都有特定的蛋白质来执行特定的功能。一般情况下，每个细胞器内离子和小分子的浓度各有不同，如内质网中钙离子浓度极高，溶酶体的PH远低于细胞质，而线粒体基质的PH则远高于细胞质。一般来说，动物细胞中的细胞器主要有线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体及内体等。

图2 动物细胞中的细胞器

环境中的能量必须被转变成某种形式才能分发到整个细胞中，最常见的方式就是将能量存储为ATP分子。可以这么说：所有的活细胞都具有将环境提供的能量转变为ATP的能力，而线粒体就是真核细胞中将能量存储为ATP的机器。

线粒体制造ATP的过程叫作氧化磷酸化，这一过程需要电子传递链的参与，具体程序为：糖酵解产生的丙酮酸进入线粒体基质被降解，并和辅酶A结合产生乙酰辅酶A。随后乙酰辅酶A的乙酰部分又被柠檬酸循环降解成二氧化碳，并释放氢原子。氢原子使NAD+还原成NADH，然后这一物质会氧化释放一个质子和一个电子。质子跨膜移动，从基质进入膜内空间并产生一个跨膜梯度，这一质子梯度驱动质子通过一个大的蛋白复合物ATP合酶跨膜返回，然后质子流驱动ADP和无机磷酸合成ATP。

所有真核细胞都有线粒体，它们是驱动细胞运转的能量中心，为代谢过程和结构变化提供所需的能量。

与线粒体类似，叶绿体也是一种进行能量转换的分子机器，但有所不同的是它不是依靠葡萄糖的化学分解，而是依赖于被光激活的叶绿素分子。当有光存在时，植物就会产生叶绿体并进行光合作用。

叶绿体的内部结构十分复杂。在电镜下观察叶绿体，可以看到其外表是由双层平滑的单位膜构成的叶绿体被膜，里面是无色的基质，基质中分布著若干个含有叶绿素的基粒。这些基粒是由许多层迭合的片层结构组成，这些片层结构被称为类囊体，由单层膜围合而成，上面分布有许多穿孔。囊内含有液状的内含物。类囊体除平行垛迭构成基粒外，还在基质内到处延伸，从而构成了复杂的类束体系统。

几乎一切生命活动所需的能量都来源于太阳能。绿色植物作为主要的能量转换者，根源就在于它们都含有叶绿这一完成能量转换的细胞器。它能利用光能同化二氧化碳和水，合成贮藏能量的有机物，同时产生氧气，所以绿色植物的光合作用是地球上有机体生存、繁殖和发展的根本源泉。

细胞器的不同功能特化意味着每种细胞器都需要独特的小分子和大分子，但这些分子的合成乃至其基本结构的组成大部分都不在其行使功能的分子机器内，因此所有的细胞器都要从胞质溶液输入蛋白质。

对于细胞内的主要细胞器来说，小分子的输入和输出是由嵌入细胞器膜的蛋白质控制的，也就是说，细胞器膜规定了蛋白质输入时的定位形式。当细胞器是由单层膜包围时，蛋白质可以被指引插入内部或者膜上。当细胞器是由双层膜包围时，特定的蛋白质可以定位到外膜、膜内空间以及内膜上。特定细胞器的任何蛋白质都有一段短的氨基酸序列成为靶向信号，且每种细胞器都至少有一种信号。在蛋白质到达其终点的路径上，靶向细胞会被特定的细胞机器进行识别。