Structure of a Cell

細胞是生物的基本單位，是由細胞牆、細胞質、基因體和核醣體組成的。細胞可以分為原核細胞和真核細胞。

原核細胞 (Prokaryotic cells) 是指單細胞生物，例如細菌與古細菌，他們沒有真正的核心。細胞內沒有膜限定的器官，內部沒有被分割成許多不同的功能部分，是一個開放空間。基因體會位於開放空間的中心，通常會有一個圓形染色體（單一大環）。

真核細胞 (Eukaryotic cells) 是指真正的核心細胞，例如動物、植物、真菌或原生動物。真核細胞的內部會有膜限定的器官，並且會有許多不同的功能部分。基因體會被收納在核膜之內，並且會有一個或多個染色體。

Intro to cells

牆是"磚"砌成的，人是"細胞"組成的 (standard building block)

• 但細胞不像磚塊無趣，細胞的可能性非常多
  • 有各種形狀、各種功能
  • 還能到處移動
• 各種細胞會扮演各種不同角色，幫助我們成長、生存
  • epithelial cell 負責保護身體的表面，例如皮膚或器官
  • bone cell 負責建構骨骼支撐身體
  • cells of immune system 對抗細菌
  • blood cells 在身體裡四處運送養分及氧氣，並移除 carbon dioxide
• Cell 不只人類擁有，其他動物、植物、甚至細菌都有
  • 雖然會有很大不同，但都會有一些相同的地方

Cells

Scale of cells

雖然我們知道 atom, protein, virus, cell, ... 都是小到肉眼看不到的東西，但他們還是有大小之分 !

• Water molecules : ~0.275 nm (約 10 億分之 1 公尺)
• Hemoglobin (protein) : 5 nm (約 10 億分之 5 公尺)
• HIV (virus) : 120 nm
• Red blood cell : 6 to 8 μm (micrometer, 約 100 萬分之 7 公尺)
  • 含有 280 million 個 hemoglobin !

Cell theory

其實到 1600s 根本沒有人知道 cell 的存在

• 因為細胞實在太小了，沒有很強力的 microscopes 能夠看到細胞

提示

• 附帶一提，最適合觀測細胞的是 light microscope
• 而最適合觀測到細胞內部架構的是 transmission electron microscope

直到第一個人看到，並且在他的書中命名為 cell

• Robert Hooke 這位英國科學家是第一個用他的 microscope 看到細胞這個 microscopic structures
  • 他將看到的一切和命名都寫在他的 Micrographia 書中
  • 他看到的細胞是 dead cork tissue
  • 因為外型非常像寺院中僧侣所居住的小房間 (cells of a monastery)
  • 所以就取名為 cell

但 Hooke 所看到的只是一個死掉的細胞

• 第一個看到活著的細胞的是一個荷蘭貿易家 Anton van Leeuwenhoek
  • 他在 1670s 改善了 Hooke 的 microscopes
  • 建立出更強大的 microscopes
  • 這些加強的 microscopes 可以看到一些 single-celled organisms
    • 例如 bacteria, sperm cells
    • 他將這些 cell 稱作 animalcules

儘管如此，還是沒有人相信 cell 是組成動物、植物、細菌最基礎的 building block，直到 160 年後 ...

• 植物學家 Matthias Schleiden 和動物學家 Theodor Schwann
  • 兩人在 1830s 提出了跨世紀的突破理論
• 也就是所有植物和動物的所有部位，都是由 cell 組合而成
• 以及 cells 是可以被其他 cells 所生產出來的

接著德國科學家 Rudolf Virchow 盜用了別人的點子，也就是

• 波蘭科學家 Robert Remak 基於上面兩位所提出的第三個理論
  • 所有的 cells 都是從其他 cells 而來 !!!
  • 這在今日聽起來也是非常匪夷所思的理論

這三點總結起來就是 modern cell theory

1. All living things are composed of one or more cells.
2. The cell is the basic unit of life.
3. New cells arise from pre-existing cells.

Prokaryotic and eukaryotic cells

人體是一個細胞的家，總共有 100 trillion 的細胞在人體中

• 人體其實就是一個 ecosystem
  • 包含了 prokaryotic, eukaryotic cells
• 所有的細胞就是分成了這兩類
  • Prokaryotic (pro- : before, kary- : nucleus)
    • 目前只有 single-celled organisms (Bacteria, Archaea) 被分類在此
  • Eukaryotic (eu- : true)
    • Animals, plants, fungi, protists 是該分類
    • 而他們又是由很多的 eukaryotic cells 組成

Cell 的大小範圍在 0.1 到 100 μm

• 其中 prokaryotic cells 在 0.1 到 5 micrometers (μm)
• 而 eukaryotic cells 在 10 到 100 micrometers (μm)
• 為什麼不能更小 ?
  • 因為細胞必須要放得下需要的元件
• 為什麼不能更大 ?
  • 因為細胞越大越難和外界交換足夠的養分來供給
  • 可以從 surface-area-to-volume ratio 看得出來

Prokaryotic cells

不同的細胞主要還是有四種重要的元件

• plasma membrane
  • 幫助細胞分開內部和外部環境的接觸
• cytoplasm (細胞質)
  • 包含像果凍的 cytosol，還有一些 cellular structures
  • 通常在 nucleus 和 membrane 之間
• DNA
  • 是該細胞的 genetic material
• Ribosomes
  • 是一個 molecular machines 用於合成 proteins

上面講的是和 eukaryotes 共同的地方，再來講點相異的地方

• Prokaryote 指的是簡單的 single-celled 生物
  • 沒有 nucleus 和 membrane-bound 的 organelles
  • 內部沒有被切成多個功能的部分，是一個開放空間
• prokaryotic DNA 會在開放空間的最中間 (nucleoid)
  • 通常包含了 circular chromosome (single large loop)
  • 下圖是一個 rod-shaped bacterium 剖面

Prokaryotic cell

• 一般的 bacteria 含有這些構造 :
  • 用 peptidoglycan (肽聚醣) 組成的 rigid cell wall
    • Cell wall 保護細胞、維持形狀、避免 dehydration
  • 有的還有用 carbohydrates 組成最外層的 capsule
    • Capsule 幫助細胞跟當下環境表面接觸
  • 一些外部構造幫助移動細胞，甚至交換 genetic material
    • Flagella 像 rotary motors 一樣幫助 bacteria 移動
  • 另外還有跟頭髮很像的 fimbriae 用來跟 host cell 或其他表面接觸
  • 有的 bacteria 還有各種不同的桿狀架構 pili
    • 有些幫助 bacteria 之間傳遞 DNA molecules
    • 有些也幫助 bacteria 移動

Eukaryotic cells

如果把 prokaryotic cells 譬喻為比較窄的單人房，那麼 eukaryotic cells 就是合租公寓了吧

• 就像大房子一樣，有浴室、廚房、臥室、客廳一樣
  • Eukaryotic cells 會含有各種不同功能的 compartments
  • Compartments 被層層的 membrane 分隔開來
  • 所以每個 compartment 都有獨自的 conditions 進行自己的工作

以下舉幾個常見的 compartments

• Lysosomes (溶酶體) 是細胞的回收中心
  • 必須要保持正常的 acidic pH 才能 dispose 細胞垃圾
• Peroxisomes (過氧化體) 負責處理一些 chemical reaction
  • 例如 oxidation reactions 和生產 hydrogen peroxide
  • 這兩件事都有可能傷及細胞，所以 compartment 起到很好的保護

就是因為 eukaryotic cell 可以維持多種環境在一個細胞的能力，而 prokaryotes 不行

• 所以 eukaryotic cells 可以比 prokaryotic cells 還能成長好幾倍

Eukaryotic cells 還比 prokaryotic cells 多了幾種重要特徵

• Membrane-bound nucleus
  • 在細胞中央被 membrane 包住的洞，是 genetic material 的家
• Number of membrane-bound organelles，各種浮在 cytosol 上的 compartments
• Multiple linear chromosomes
  • 對應到 prokaryote 中的 single circular chromosome

Plasma membrane and cytoplasm

• Cell 非常簡單來說就是 bag of goo
  • Plasma membrane 就是 bag
  • Cytoplasm 就是 goo
• 但 cell 其實非常精緻，所以 bag 和 goo 也非常複雜
  • Membrane 是包含 lipids 和 proteins 的雙層架構，負責任何東西進出 cell
  • Cytoplasm 不只包含 cytosol，更包含 organelles, structural proteins (skeleton of the cell)

Plasma membrane

• Membrane 所含的 lipids 是 phospholipids
  • phospholipid 由 hydrophilic 的 phosphate head 和兩個 hydrophobic 的 fatty acid tails 組成
  • hydrophilic head 朝外，hydrophobic tails 朝內，自然形成雙層架構
  • 這個 energetically faborable 的雙層架構又稱為 phospholipid bilayer

Plasma membrane structure

• Protein 會傳過整個 membrane，作為 channels 或 signal receptors 的角色
• 有的 lipids 如 cholesterol 則是控制了 membrane 的 fluidity

Plasma membrane 是 cell 內部和外部的邊界，控制一些 molecules 的通過

• 所以 sugars, water, ions, amino acids 都需要通過 plasma membrane 才能到達 cell 內部
  • 簡單的 nonpolar molecules (e.g., oxygen) 可以直接從 phospholipid 部分通過
  • 較大的 polar, hydrophilic molecules (e.g., amino acids) 必須從 protein channel 通過

Plasma membrane 的 surface area 會限制 cell 和周遭環境物質交換的上限

• 某些特別需要物質交換的 cell 的 membrane surface area 就會較大
  • 例如為了吸收養分的 cells 會折成 fingerlike projection 形狀
  • 這些稱為 microvilli (singular: microvillus)
  • Microvilli 分布在小腸表面，從食物中吸收養分
  • 因為增加表面積的關係，讓 microvilli 幫助小腸最大化的得到養分

Membrane Microvilli

Cytoplasm

Cytoplasm 在 eukaryotes 和 prokaryotes 中有些微的不同

• 在 eukaryotes 指的是 nucleus 和 membrane 間的所有東西
• 在 prokaryotes 因為沒有 nucleus，所以指的是在 membrane 裡所有的東西

兩者共同有的是 cytosol

• Gel-like 的 cytosol 是 cytoplasm 主要物件
  • 組成物是 water-based solution (含有 ions, small molecules, macromolecules)
• 為什麼 cytosol 主要是水組成，但為何會是 Jello-like 的呢
  • cytosol 包含大量的 macromolecules (e.g., proteins) 還有 small organic molecules 懸浮其中
  • 有 glucose, sugars, polysaccharides, amino acids, nucleic acids, fatty acids, ...
  • Ions of sodium, potassium, calcium, ...
  • 很多的 metabolic reaction (e.g., protein synthesis) 也都是在 cytosol 進行

在 eukaryotes 有特別的一些東西在 cytosol 當中

• Membrane-bound organelles
• cytoskeleton (network of fibers)
  • give the cell shape
  • organize cellular components

Nucleus and ribosomes

汽車、房子、模型，都需要藍圖，人體也有藍圖，不只給了建造的重點，更給了所有建造的步驟

• 這麼重要的資訊一定存在很保密的地方
  • 這正是 eukaryotic cells 所做的事
    • 將 genetic material 存放在 membrane-enclosed 的 nucleus 當中

Eukaryotes 甚至不會讓重要資訊離開 nucleus 中

• Eukaryotic DNA 透過 transcribe (copy) 至 RNA molecules 再離開 nucleus
  • RNA 接著再 cytosol 與 ribosomes 相遇，創造出 proteins

Nucleus

• Nucleus (plural: nuclei) 就是 genetic materia (DNA) 的家
  • 可以生成 ribosomes
  • 收集 proteins
  • chromatin (纏繞 protein 的 DNA) 儲存在 nucleoplasm (gel-like)

Eukaryotic Nucleus

• 包住 nucleoplasm 的是 nuclear envelope
  • Envelope 包含 2 層的 membrane (outer & inner)
    • Membrane 又再包含 2 層的 phospholipids bilayer (tails inward)
  • Envelope 的 2 層 membrane 的中間有一個小空間
    • 小空間將會連接到 endoplasmic reticulum (membranous organelle)

再來是控制物質進去的部分

• Nuclear pores 將 envelope 些微張開，控制物質進出 nucleus
  • 控制進出的開關稱為 nuclear pore complex

若用顯微鏡可以看到一點黑點在中心

• Nucleolus 產生新的 ribosomes
  • 一些 chromosomes 含有 DNA 片段能夠 encode ribosomal RNA
  • 這類 RNA 和 protein 結合成為 ribosome
  • 在 nucleolus 中，新的 ribosomal RNA 和 proteins 合成出 ribosome 的 subunits
  • 這些 subunits 就會穿過 nuclear pores 移動到 cytoplasm 開始他們的工作

有些 cell 可以多達 6 個 nucleoli (e.g., mouse cell)，而 prokaryotes 沒有半個 nucleus，需要在 cytosol 中製造 ribosomes

Chromosomes and DNA

了解 nucleus 後，我們來深入了解他內部的 DNA

• DNA 主要由 1 至多個 chromosomes 組成
  • 一個 chromosome 是非常長的 string 或 DNA loop
  • 一個 chromosome 可以承載非常多 genes
• 在 prokaryotes 中 DNA 通常是單個 circular chromosome (a loop)
• 在 eukaryotes 中則是 linear structures (strings)
  • 每個 eukaryotes 都有特定數量的 chromosomes 在 cells 的 nucleus 當中
    • 例如人類細胞有 46 個 chromosomes
    • 果蠅的細胞只有 8 個 chromosomes

Chromosomes 只有在細胞進行 division 時才可以很好的觀測到

• 所以細胞在生長和維護的階段時
  • Chromosomes 會變成 unwound, jumbled bunch threads
  • 此時 enzyme 就可以介入將 DNA 編譯成 RNA 來利用

不論是 loose 還是 compact 的 chromosomes 都會和 structural proteins 結合在一起

• 例如下圖的 DNA 和 histone (protein) 結合在一起
  • 這些跟 DNA 相關的 proteins 幫助 DNA 進入 nucleus
  • 他們也扮演讓 genes 啟動或不啟動的角色
  • 這種 DNA 和 proteins 組合的複雜結構叫作 chromatin

Chromatin Structure

• 一個人類細胞的 DNA 通常有 2 m
• 一個 nucleus 的半徑大約只有 0.006 mm

所以要把整個 DNA 塞進 nucleus 相當於將 40 km 的直線塞到一顆網球裡 !!

Ribosomes

接下來是用來產生 protein 的重要角色 ribosomes

• Ribosome 由 RNA 和 proteins 組成
  • 含有兩個分開的 RNA-protein complexes (small, large subunits)
  • 大的在小的上面，中間夾著 RNA template (mRNA)

Ribosome Structure

在 eukaryotes 中， ribosomes 是怎麼樣從 nucleus 獲得製造 protein 的指令呢 ?

• Nucleus 中一部分的 DNA (genes) 被轉錄 (transcribed) 成 messenger RNAs (mRNAs)
• mRNAs 從 nucleus 來到 ribosome 並告訴他基因給予製造 protein 的訊息
  • 例如用什麼特別的 amino acids 序列
• 這一連串的動作叫作 translation
• 另外在 prokaryotes 因為沒有 nucleus，所以直接在 cytoplasm 轉錄成 mRNAs 然後直接給 ribosomes

在 eukaryotes 的 ribosomes 可以出現在各種地方

• 例如漂浮在 cytoplasm
• 或是 bound (attach) 在 endoplasmic reticulum 和 nuclear envelope 的外部
  • Nucleus 那張圖的紅點就是 bound ribosomes
  • ribosomes 和 endoplasmic reticulum 結合在一起會成為 rough endoplasmic reticulum

因為 protein synthesis 是細胞中非常基本且重要的功能，幾乎所有 cell 都有 ribosomes (甚至 bacteria)

• 而某些特別需要產生 proteins 的細胞會有非常大量的 ribosomes
  • 例如 pancreas (胰臟) 為了產生大量 digestive enzymes
  • 所以 pancreatic cells 擁有異常多數量的 ribosomes

Tour of eukaryotic cell

The endomembrane system

想像你是 pancreatic cell 要讓自己的 digestive enzymes 離開自己到小腸幫助消化。這件事需要整個 endomembrane system 的幫忙！

• Endomembrane system (endo-: "within")
  • 指的是 eukaryotic cell 中一群 membranes 和 organelles
  • 這些東西幫忙修正、打包、運輸 lipids 和 proteins
  • 例如 nuclear envelope, lysosomes 還有 endoplasmic reticulum, Golgi apparatus
  • Plasma membrane 雖說不算在 cell 內，但也是 system 的一員
    • 幫助前面所說的 pancreatic enzymes 等 secreted proteins 排出細胞
  • 另外 mitochondria (粒線體), chloroplasts (葉綠體), peroxisomes (過氧化體) 不屬於 system

The endoplasmic reticulum

• ER 扮演非常重要的角色，修改 proteins 和合成 lipids
  • ER 包含由 membranous tubules 和 flattened sacs 組成的網路
  • 這些 disc 和 tubule 都是中空的，然後裡面的空間稱為 lumen

Endoplasmic Reticulum

Rough ER

前段的 ER 因為一堆 ribosomes 附在上面，所以稱為 rough endoplasmic reticulum

• Ribosomes 生產的 protein chains 會被送進 lumen
  • 一些完全送進去並漂浮在 ER
  • 一些固定在 ER 的 membrane 上
• 在 ER 中，proteins 會被 fold 或被修改 (e.g., addition of carbohydrate side chains)
  • 被改變的 proteins 就會到其他 membranes 報到
    • e.g., membrane of ER, other organelles, secreted from the cell
  • 沒有待在 ER 的 proteins 將會被打包成 vesicles 送至 Golgi apparatus
• Rough ER 還可以製造 phospholipids 供其他 membranes 使用
  • 一樣是使用 vesicle form 傳送

一些 cell 的工作主要為 secrete protein 就會有大量的 rough ER (e.g., liver cell)

Smooth ER

接續 rough ER 的就是 smooth endoplasmic reticulum

• smooth ER 上幾乎沒有 ribosomes，而主要的功能為
  • 合成 carbohydrates, lipids, steroid hormones
  • 對藥物或毒物進行解毒
  • 儲存 calcium ions (sarcoplasmic reticulum in muscle cell)

rough ER 中也有一些 "smooth" patches 用來作為 vesicles 的出口，這些稱為 transitional ER

The Golgi apparatus

從 ER 出來的 vesicles 在抵達終點之前還要再通過 Golgi apparatus

• Vesicle 中的 lipids, proteins 需要被 sorted, packaged, tagged 到正確的格式，這些動作就是在 golgi apparatus 中進行

Golgi Apparatus

• Golgi apparatus 有兩面，負責接收 vesicle 的為 cis face
  • vesicle 和 cis face 結合，將內容物都丟進 Golgi apparatus 的 lumen 當中
• 另一面則為 trans face
  • proteins, lipids 在 Golgi apparatus 中被改造完成
    • 加入或移除 sugar 或加入 phosphate groups 當作 tags
  • 改造過的 proteins 將進行排序然後再次打包成 vesicle 從 trans face 送出

Golgi Apparatus Overview

從 Golgi 出來的 vesicles 終於可以用了

• 有的送至 cell 內部的地方使用
  • 例如 lysosome, vacuole
• 有的則到外圍和 plasma membrane 結合
  • 將一些 secreted proteins 釋放到 cell 外作用

一些需要 secrete 大量 proteins 的 cell 會有很多 Golgi stacks

• 分泌 digestive enzymes 的 salivary gland cells
• 分泌 antibodies 的 immune system

植物的 Golgi apparatus 也會製造 polysaccharides 用於 cell wall

Lysosomes

Lysosome 包含 digestive enzymes 作為 animal cell 的回收場

• Lysosome 將不要的分子架構拆解重新使用
• 上面說的，一些離開 Golgi 的 vesicles 會來到 lysosome

Lysosome 還能夠分解外部進入 cell 的垃圾

• 例如人類免疫系統的 macrophages (某種 white blood cell)
  • 會進行 phagocytosis (吞噬作用)
  • 一段在 macrophages 的 membrane 會內陷 (invaginates)
  • 接著如下圖一樣吞噬 pathogen

Phagocytosis

Peroxisome

這邊額外討論一下非 endomembrane system 的 peroxisome

• Peroxisomes 和 lysosomes
  • 一樣負責分解並中和細胞中的 molecules
  • 並且兩者的形狀都很像

但 peroxisome 有獨特的一些特性

• Peroxisome 的 enzymes 通常會涉及 oxidation reactions
  • 也就是產出 hydrogen peroxide $(\text{H}_2\text{O}_2)$ by-product
• 這些 enzymes 負責分解的是 fatty acids 和 amino acids
  • 另外也會解毒進到身體中的毒素
  • 例如 liver cell 的 peroxisomes 能夠解毒 alcohol

Vacuoles

植物多了一個跟 lysosome 很像的 organelle 稱為 vacuoles

• Vacuole 儲存水和廢物，隔離危險的物質
  • 其中的 enzymes 一樣能分解廢物 (macromolecules, cellular components)
  • 能進行 water balance
  • 儲存一些 toxins, pigments 等 compound

Mitochondria and chloroplasts

假設你吃了花椰菜，你要怎麼從他得到能量來運動，花椰菜又為什麼會有能量 ?

這必須要牽扯到兩個重要的 organelles : mitochondria 和 chloroplasts

• Chloroplasts 只存在於植物細胞中，將得到的陽光能量轉化成 sugars (透過 photosynthesis)
  • 這些 sugars (fuel molecules) 存在 plant's tissues
• Mitochondria 是細胞中的"發電所"，將 fuel molecules 分解，然後幫助人類吸收養分 (透過 cellular respiration)

備註

Endosymbiotic theory (共生體學說)

這兩個 organelles 的起源被認為是在古代和一些細菌共生而成

Endosymbiotic theory progress

Chloroplasts

• Chloroplasts (葉綠體) 可以在 cytosol 中被找到
  • 是 disc-shaped 的 organelles
  • membrane 包含 outer 和 inner，中間夾著 intermembrane space
  • 裡面包含了 thylakoids (類囊體，含有 membrane 的膠囊)
    • thylakoid 的 membrane 包含可以捕獲光的複合物
      • 這些複合物包含了 chlorophyll (葉綠素，讓植物變綠色的顏料)
    • thylakoid 是中空的，裡面的空間稱為 thylakoid space (lumen)
  • 這些 thylakoids 疊成了 grana (singular: granum)
  • 漂浮在周圍的液體為 stroma

Chloroplast structure

Mitochondria

• Mitochondria (singular: mitochondrion) 的工作是穩定輸出 ATP
  • 利用 fuel (e.g., sugar) 產生 ATP 的行為稱為 cellular respiration
  • 而這些過程發生在 mitochondria 當中

Mitochondria 一樣漂浮在 cytosol 中

• Mitochondria 是 oval-shaped 的 organelles
  • 有兩個 membranes
    • 一個是把整個 mitochondrion 包覆住的 membrane (outer)
    • 一個是在內層把 cristae 包覆住的 membrane (inner)
  • Cristae 指的是為了增加表面面積的突起物
    • Cristae 原本被想像為 broad, wavy folds
    • 但現在被認為應該是 long carven 的形狀

Mitochondria structure

• 兩個 membranes 之間是 intermembrane space
• Inner membrane 中被分隔的 compartment 稱為 mitochondrial matrix
• Matrix 中包含 DNA 和 ribosomes
• multi-compartment 架構方便進行 cellular respiration
  • 讓不同的 "room" 能夠有不同的 concentration of molecules

雖然 mitochondria 都可以在動物和植物多數的細胞被找到，但還是會依照能量需求有所不同

• Muscle cells 需要非常多的能量，所以 cell 中的 mitochondria 非常多
• Red blood cells 只專注於運送氧氣，所以 cell 中沒有任何的 mitochondria

Cytoskeleton

細胞就像人體的器官一樣，需要各種 skeleton 支撐

• 支撐細胞的 skeleton 稱為 cytoskeleton
  • 不只支撐 plasma membrane 賦予整個細胞形狀
  • 更負責正確的布置各種 organelles 的位置
  • 提供 vesicles 移動路徑
  • 多數的 cytoskeleton 也幫助細胞移動

在 eukaryotes 中有三種 protein fibers 存在於 cytoskeleton:

1. microfilaments
2. intermediate filaments
3. microtubules

Microfilaments

• Microfilaments 是三種 fiber 最窄的一個
  • 他的半徑只有 7 nm
  • 他是由很多 protein 的 monomer (actin) 所組成的 double helix
    • 所以又稱為 actin filaments
  • 他有 directionality 也就是兩邊的 end 不同

Microfilament structure

Microfilament 在細胞裡有幾個重要工作

• 幫助 myosin 這類 motor protein 移動的路徑
• 幫助 cell division
• 幫助 muscles contraction
• 能快速集中，幫助細胞移動 (例如免疫系統的白血球移動)
• 在 cytoplasm 周圍與 plasma membrane 連接，穩定細胞架構跟形狀

Intermediate filaments

• Intermediate filament 的半徑約為 8 到 10 nm
  • 由多個 fibrous proteins 組成的 strands 組合而成

Intermediate filaments

• Intermediate filaments 的種類非常多 (不同 protein 組成)
  • 例如由 keratin 所組成的 intermediate filaments
  • 常見在 hair, nails, skin

Intermediate filaments 不像 microfilaments 可以快速集中又散開

• Intermediate filament 通常是不變的
  • 所以主要工作是維持細胞的張力
  • 保持細胞的形狀和 nucleus 等 organelles 的位置

Microtubules

• Microtubules 是三類 fiber 中最大的一種
  • 他的半徑能到 25 nm
  • 主要由 tubulin proteins 組成一個空心吸管狀的管子
  • 每個 tubulin proteins 又包含兩種 (alpha, beta- tubulin)

Microtubules 的特性和 microfilaments 大同小異

• 能夠快速集中的 dynamic structure (靠著 add, remove tubulin)
• 擁有 directionality
• microtubules 主要幫助細胞承受 compression force

Microtubules structure

Microtubules 也扮演了非常多的角色

• 提供 kinesins, dyneins (motor proteins) 移動管道
  • 移動細胞內的 visicles
• 在 cell division 期間組合成 spindle
  • 負責將 chromosomes 分離

Flagella, cilia

Microtubules 還是組成 flagella 和 cilia 的重要元件

• Flagella 是很長的 hair-like structure
  • 接在細胞後端，幫助整個細胞移動 (e.g., sperm)
• Cilia (singular: cilium) 也是幫助移動，但通常遍布細胞表面
  • 例如上呼吸系統的細胞，他們的 cilia 幫助移動 dust, particles 到鼻孔

Flagella 和 cilia 的共同點有以下幾點

• 9 對 microtubules 排列成圓形
  • 2 個 microtubules 則在中間
  • 形成 9+2 的環
• 有 dyneins 這個 motor proteins 在 microtubules 移動
  • 使得 flagella 和 cilia 跳動 (beating)
• 在兩者的底部有 basal body 存在
  • basal body 一樣由 microtubules 組成，負責集合 cilium 或 flagellum

Flagella and cilia structure

Extracellular structures and cell-cell junctions

我們花了很多時間在觀察 cell 的內部，但外部呢 ?

The extracellular matrix and cell wall

植物細胞有堅固的 cell wall 而動物細胞則和周圍的細胞互相形成 meshwork (extracellular matrix)

Extracellular matrix of animal cells

• 有的 animal cell 釋放一些物質 (protein collagen，膠原蛋白) 到細胞外部的空間
  • 釋放的 collagen 會和 carbohydrates 組合形成複雜的 meshwork
  • 這些外部的 long fibers 又叫做 collagen fibrils

這些 collagen proteins 非常重要，讓 tissues 的架構能夠穩固

• 在 extracellular matrix 中
  • Collagen fibers 會和 proteoglycans (carbohydrate-bearing) 交織在一起
  • extracellular matrix 會直接透過 integrins connector 和最近的 cell 連接
    • integrins 被嵌在 plasma membrane 上面
    • integrins 上有 fibronectin 作為外部 protein 和 integrins 的橋樑
    • integrins 在內部會和 cytoskeleton 連接起來

Extracellular matrix

Integrins 幫助細胞架在 extracellular matrix 上面，進一步的說，integrins 幫助細胞感知外部環境，並做出適當的訊號跟反應

The cell wall

植物沒有 collagen 可以維持細胞間的組織，但有 cell walls 維持細胞的架構和形狀

• Fungi, protists, most prokaryotes 幾乎都有 cell walls
• Cell wall 是由 cell 所排出的 molecules (cellulose，纖維素) 所組成
  • Cellulose 是 glucose units 所組成的 polysaccharide
  • cellulose 集合再形成 microfibrils 的 fibers

Cell wall structure

• 除了 cellulose 外，還有許多 polysaccharides 常見於 cell wall
  • 例如 hemicellulose, pectin
• 最上層的 middle lamella 則負責 cell walls 之間的穩定

Cell-cell junctions

在蓋房子時，房間之間到底要怎麼處理呢 ? 細胞之間也有這個問題 !

• 要直接開一個通道直接連接鄰居嗎
• 要加強細胞之間的關係，強化整個 layer 嗎
• 還是建立 tight seal 避免水通過整個 tissue

Junctions 就是為了解決這些事情的專家，而且有很多種 junctions

Plasmodesmata

植物的 cell walls 之間會有特殊的 junctions 叫做 plasmodesmata (singular: plasmodesma)

Plasmodesmata

• Cytoplasm 的物質可以透過這個洞互相交換
• 一些較小的 molecules 可以順利的透過 passive diffusion 通過這個管道
• 一些較大的 (e.g., proteins)，plasmodesmata 可能會選擇性的撐大管道來讓他們通過

Gap junctions

Gap junctions 是動物版的 plasmodesmata，讓細胞可以交換 water, ions, 還有一些物質。但其實和 plasmodesmata 有些差異

Gap junctions

• 在脊椎動物中，六個 membrane proteins (connexins) 組合成一個 connexon
  • connexons 為甜甜圈形狀的架構
  • connexons 會連接兩個相鄰的 animal cells
• 在無脊椎動物中，也會有類似的 gap junctions，但用的 proteins 叫做 innexins

Gap junctions 主要應用在 cardiac muscle

• Heart muscle cells 之間應用 gap junctions 來傳遞 ions，起到讓 cell 之間同時收縮的效果

Tight junctions

Tight junctions 不提供 cytoplasmic connections，而是提供 watertight seal

Tight junctions

• Cells 之間透過 tight junction proteins group (claudins) 緊密湊在一起
  • Groups 之間排成 strands 形成 branching network
• Tight junctions 目的是防止水分從 cells 間流失
  • 讓 cells 整層形成無法穿透的屏障 (e.g., cells those lining an organ)
  • 例如膀胱的 epithelial cells 透過 tight junctions 防止尿液洩漏

Desmosomes

一些動物細胞間還會有 desmosomes 幫助連接 epithelial cells 不被扯斷

• Desmosomes 通常由複雜的 proteins 組成 (e.g., Cadherins)
  • Cadherins 出現在 membrane 中，將兩個 cells 的 membranes 連結起來
  • Cadherins 透過 cytoplasmic plaque (下圖紅色部分) 一路連接到內部的 intermediate filaments

Desmosomes

Desmosomes 讓器官、組織等 (cardiac muscle, skin)，能夠拉伸並且保持 unbroken 的樣子