胞质环流，也称为原生质的流或胞质环流它在细胞过程中起着重要的作用，因为它促进细胞内液体物质(细胞质)的运动。
[在这个视频中]显微镜下Elodea细胞的细胞质流。
本文涵盖了
我能在显微镜下看到细胞质流吗?
当然，在复合显微镜下观察细胞质流是简单而有趣的。关键在于寻找正确的样本。伊乐藻属植物(或水草)是一种水生植物，是初学者研究细胞质流的最佳标本。
[在这个视频中]观察植物细胞中通过细胞质流运动的叶绿体(Elodea) - DIC显微镜/ 1250x。
材料
- 活的Elodea植物-可以很容易地在小池塘或水族商店找到。
- 复合显微镜
- 剪刀和镊子
- 显微镜载玻片和封面
指令
- 切一小片伊洛蒂亚叶子。
- 准备湿装玻片。
- 从较低的放大倍数(5-10倍)开始寻找细胞的焦点。
- 小心切换到更高的放大倍率(20-40倍)以识别叶绿体。
- 将玻片在光照下放置几分钟。这可以使细胞升温并激活细胞质流。
- 现在你应该可以看到叶绿体在细胞中央液泡周围循环。
看点
- 如果你在显微镜上安装了摄像机，你能测量速度细胞质流?
- 在所有细胞中，细胞质流动是在同一方向发生的还是随机的?
- 细胞质流动的速度是多少改变？尝试不同的光照强度或添加化学物质(如糖、盐、醋……)
- 细胞质流也发生在其他细胞中吗?试试其他植物细胞(如洋葱皮、叶子皮……)、微生物(如草履虫、变形虫、绿藻……)。
为什么细胞质流很重要?
细胞质流在植物细胞和大型单细胞动物细胞中很重要，因为被动扩散不足以使营养分子在大细胞中分布。细胞质流可以有效地在大细胞中运输必需的生物分子。
在植物细胞中，细胞质流可以用来分布叶绿体，以最大限度地吸收光，进行光合作用。细胞质流还允许生物分子在不同细胞间的远距离运输。
细胞质流的生物学功能是什么?
1.促进大细胞内营养物质的运输
细胞质流对单细胞原生生物很重要，因为它们是相对较大的细胞(与多细胞生物中的单个细胞相比)。对于这些大细胞(大于100 μ m)，被动扩散可能不足以在整个细胞中有效地运输分子。细胞质流的运动在细胞内产生电流，促进营养物质、蛋白质和细胞器的远距离运输。它有助于这些大细胞内的物质交换。
草履虫
例如,草履虫是一个相当大的细胞(250-300 μ m)，并依赖细胞质流在细胞质和细胞器之间交换营养物质和代谢物。细胞质流是草履虫细胞周围细胞质和细胞器的循环。食物液泡通过细胞质流动来在细胞内分配营养物质。
[图中]草履虫的细胞质流。
细胞质流使细胞质和细胞器如食物液泡在细胞周围循环。
变形虫
另一个例子是变形虫。变形虫通过伸展身体移动伪足．这一过程涉及变形虫细胞形状的重大变化。细胞质流能有效地将细胞内容物带入假足运动后的新空间。
[图中]细胞质流入变形虫。
细胞质流将假足运动后的细胞质和细胞器带到新的空间。
轮藻
多细胞藻类,轮藻它们需要细胞质流来将营养物质分布到它们的长细胞中。它们的细胞可以长到10厘米长，直径1毫米。细胞质流围绕一个大的中央液泡循环。的流动速度轮藻的细胞质流可以达到100 μ m/秒的速率是所有已知细胞质流动最快的现象。轮藻是研究最多的细胞质流模式生物。
[在图中]绿藻，性格。
2.提高植物细胞的光合作用效率
细胞质流在植物细胞的光合作用中也起着重要作用。光合作用将光能转化为化学能。这发生在植物细胞的叶绿体中。
[在图中]植物细胞的典型结构。
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叶绿素是吸收阳光能量的绿色分子。然而，如果光一直照射相同的叶绿体及其叶绿素分子，它们就会被光子饱和，使它们无法发挥作用，直到饱和度减轻(称为考茨基效应)。
叶绿体需要移动到一个最能吸收光的位置。因此，叶绿体交替进入亮区和暗区。这种间歇性的光照实际上增加了叶绿体的光合效率。运动速度通常受光照、温度和pH值的影响。例如，在晚上或冬天，细胞质流动会减慢。
[在图中]植物细胞中的细胞质流动。
细胞质流在植物细胞中央液泡周围的叶绿体中循环。这优化了光照在每一个叶绿体上的均匀性，可以最大限度地提高光合作用的效率。右图是Elodea细胞中叶绿体的实际细胞质流。
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这是一项关于植物细胞细胞质流动的非常有趣的研究。拟南芥(一种被广泛研究的植物模式生物)。他们发现运动蛋白的运动速率可以通过基因交换它的“脚”来调节。
例如，使用来自Chara藻类的“脚”可以产生高速马达蛋白(以16微米/秒的速度移动)，而使用人类细胞的“脚”将产生低速版本(0.2微米/秒)。更有趣的是，拥有“高速”马达蛋白的植物细胞质流动更有效，可以长得更大。另一方面，具有“低速”马达蛋白的植物体积要小得多，这表明细胞质流可能会影响植物细胞的生长。
[在图中]高速和低速马达蛋白在植物细胞中引起不同的细胞质流，导致植物生长大小的巨大差异。
来源:植物生物学最新观点．
3.使营养物质在植物和真菌细胞间的有效运输
在结构上，植物和真菌有几个共同的特征。它们的细胞周围都有细胞壁。它们也有长长的管状细胞结构来构建生物的基础。在植物中,木质部而且韧皮部，两者都是由特殊细胞组成的管状通道，构成植物茎叶的核心维管系统。在真菌中，细胞像丝状生长，称为菌丝，变成一个网络。
真菌菌丝可以通过称为隔(septum)的隔板分裂成单个细胞。隔膜是由许多小孔组成的特化细胞壁。细胞质流可以通过这些孔在细胞间运输分子。这使得多细胞真菌(如霉菌和蘑菇)能够有效地分配营养物质。
[在图中]真菌的细胞质流动。
细胞质流动使营养物质通过小孔在细胞之间流动。
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[在这个视频中]细胞质流起着真菌高速公路的作用。
在维管植物中(包括蕨类植物、树木和所有开花植物;不包括苔藓、地苔和角苔)，有一个维管系统，包括木质部和韧皮部。木质部单向地将水和矿物质从根输送到嫩枝和叶。木质部的驱动力是叶片水分流失带来的负压。
[在图中]松树茎的显微图像(纵剖面)显示了植物维管系统的关键组成部分。你可以找到这张准备好的幻灯片在这里．
韧皮部在植物各部分之间双向运输有机分子。从叶子到根，重力可以驱动有机分子的运动。然而，为了将糖等营养物质从较低的部位运送到较高的部位，韧皮部需要消耗能量，并使用细胞质流来完成这项工作。
木质部和韧皮部。
木质部和韧皮部都是运输血管，在高等植物中结合形成维管束。有机分子(如光合作用产生的糖)可以在韧皮部中向上或向下移动。韧皮部由连通的筛管组成。在两个筛管之间，有一个多孔筛板。细胞质流动可以使分子流过这些小孔，并沿着韧皮部向上移动。
4.排列哺乳动物卵母细胞中的有丝分裂纺锤
正如我们之前提到的，大多数人类细胞相对较小，不依赖于细胞质流。然而，卵母细胞(未成熟的卵细胞)是一个例外。
细胞质流在小鼠卵母细胞发育过程中起着非常特殊的作用保持卵母细胞的细胞核在中心位置在部门。在正常细胞中，中心粒和纺锤保持细胞核在细胞的中心有丝分裂和减数分裂。没有这样的定心机制，疾病和死亡就会发生。虽然小鼠卵母细胞确实有中心粒，但它们在细胞核定位中没有作用。由于细胞质流动，卵母细胞的细胞核仍然保持在中心位置。尽管科学家们在老鼠的卵母细胞中发现了这种现象，但他们认为这是包括人类在内的所有哺乳动物的共同机制。
[图中]小鼠卵母细胞的细胞质流。
一项研究表明，小鼠卵母细胞中特殊的细胞质流动模式可以使分裂纺锤体保持在中心位置。
[在这个视频中]一段显示小鼠卵母细胞内细胞质流的视频。左边视频中的蓝点表示染色体。开云体育电脑官网
细胞质流在人类细胞中发生吗?
对于大多数哺乳动物和人类细胞，细胞质流不会发生(卵母细胞是个例外)．这是因为与大型单细胞生物(如草履虫为200-300µm)相比，我们的细胞直径相对较小~20-50µm。在这种情况下，对于小分子分布，扩散是足够的。然而，我们的细胞仍然有马达蛋白移动细胞器并将特定的分子/蛋白质传递到特定的亚细胞位置。
[在这个图中]不同的细胞大小和形状比较。
与草履虫和植物细胞相比，大多数人类细胞相对较小。有些细胞(如神经元和肌肉细胞)可能相当长。然而，它们也很薄。即使是一个大的脂肪细胞，它的大部分细胞质也非常靠近细胞膜(中心被一个巨大的油滴占据)。因此，细胞质流在大多数人类细胞中并不显著。另一方面，植物细胞和单细胞生物(如草履虫或变形虫)的大小更大，需要细胞质流在这些细胞中分布物质。
注:µm =千分尺= 1/ 1000000米。
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细胞质流是如何工作的?
细胞质流的机制尚不完全清楚。目前，科学家认为细胞质流是由“电动机细胞中的蛋白质。顾名思义，“马达”蛋白可以沿着细胞质移动。这些马达蛋白沿着分子通道“行走”，这条分子通道是由称为纤维蛋白的蛋白质组成的骨骼．利用这条通道，马达蛋白可以携带比自身大小大几倍的负载从一个位置到另一个位置。
[在图中]马达蛋白在由细胞骨架(这里是肌动蛋白丝)组成的分子通道上行走，以运送货物(例如，叶绿体)。这种运动也产生了细胞质的流动，导致细胞质流动。
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马达蛋白
马达蛋白有两只“手”和两只“脚”。手和脚都是“粘性的”——就像便利贴一样。就像一个人可以通过将一只脚放在另一只脚前面来走路一样，马达蛋白通过在另一只脚前面摆动一只脚来“走路”。马达蛋白与细胞骨架的纤维蛋白一起行走，很像一个在高空走钢丝上的空中飞人。同时，马达蛋白可以用手搬运货物。“手”上的粘性斑块防止货物在马达蛋白出发时脱落。
[在这个视频中]一个显示马达蛋白作用的纸盒。
马达蛋白使用三磷酸腺苷(ATP)作为能量货币来移动。每一步消耗一个分子的能量。马达蛋白需要125000年沿着细胞骨架移动1毫米的步骤——这是很大的能量!
当运动蛋白拖动细胞器移动时，这种运动也会在细胞质周围产生电流。如果许多运动蛋白沿着一个方向运动(例如，在植物细胞中，顺时针围绕中央液泡运动)，许多这些小流动就会结合并成为强大的细胞质流。拖曳内质网(ER)是产生细胞质流的最有效途径。这是因为ER是一种网状结构，具有与细胞质相互作用的显著表面积。你可以想象有很多渔船在一个小房间里一起拖网捕鱼。
[在图中]运动蛋白拖动ER网的运动可以有效地在细胞内产生细胞质流。
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什么影响细胞质流?
细胞生理条件的改变会影响细胞质流的速度、方向和模式。科学家们发现了这些情况:
- 温度
- pH值
- 离子浓度——尤其是氯离子、镁离子和钙离子
- 细胞质粘度
- 激素
- 曝光
与细胞骨架相互作用的化学物质也可能影响细胞质流。例如，细胞松弛素D是一种毒素，可以破坏肌动蛋白丝和停止细胞质流。
细胞质流的发现
1774年，意大利物理学家博纳文图拉·科尔蒂(Bonaventura Corti)首次报告了细胞质流动，他在观察藻类细胞时发现了细胞质流动Nitella而且轮藻．细胞质流的存在帮助生物学家相信细胞是生命的基本单位。
更多细胞质流视频!
最后，让我们看看更多不同类型细胞的细胞质流。
[在这个视频中]洋葱皮细胞的细胞质流。
[在这个视频中]黏菌的细胞质流动。
[在这个视频中]花粉管中的细胞质流动。
[在这个视频中]水绵藻(一种绿色的长丝藻类)的细胞质流动。
[在这个视频中]鳗草细胞质流(苦草属美国)．
[在这个视频中]细胞质流入芒刺虫属．
芒刺虫属线虫总是喜欢和邻近的细胞形成菌落。它们通过特殊的细胞质桥(细胞之间的管状结构)连接。细胞质流动允许细胞器(颗粒)沿细胞质桥从一个细胞到另一个细胞的交换。这可能是一种保持蜂群水平的系统。
[在这个视频中]硅藻的细胞质流动。
[在这个视频中]山药花雄蕊毛细胞的细胞质流动。
参考
“细胞质流的分子机制和生理作用”- toki Tominaga和Kohji Ito
“Chara的细胞质流:ATP激活和细胞松弛素B抑制的细胞模型”- R.E.威廉姆森
广播:细胞质流的功能是什么?-生物学博士问答