“原核細胞和真核細胞”相關概念解析

趙錦程 劉 馨

(內蒙古北方重工業集團有限公司第三中學 包頭 014030)

1 原核細胞是否有染色體

真核細胞中的染色質是由DNA、組蛋白、非組蛋白和少量的RNA組成，存在于間期細胞的細胞核中，呈線狀[1]。真核細胞的染色體是指在有絲分裂(或減數分裂)的特定時期，由染色質高度螺旋化形成的棒狀結構。染色體和染色質在化學成分上沒有區別，區別主要在于包裝程度的不同。

對于原核細胞，一些文獻和高中生物學教材中都提到“原核細胞沒有染色體，但有一個環狀的DNA分子，位于細胞內特定的區域，這個區域叫做擬核”，擬核中的DNA沒有形成真正的染色體結構。但是，DNA也在RNA和少量的類組蛋白(擬核蛋白，不同于真核細胞中的組蛋白)的協助下進行了高效的包裝，在不到1 μm3的擬核空間中，折疊著長達1200～1400 μm的環狀DNA[1]。雖然細菌擬核中的DNA與真核細胞的染色體不同，但在一些科普讀物或者文獻中會出現“細菌染色體”這樣的名稱，或稱為細菌染色體DNA。

那么，原核細胞到底有染色體嗎？這與染色體的定義有關。狹義上的染色體(質)指的是DNA與組蛋白、非組蛋白等物質結合，形成的復合物；是可以被堿性染料染成深色的物質；在有絲分裂或者減數分裂過程中染色質和染色體發生周期性的轉變。從這個意義上講，由于原核細胞不存有絲分裂和減數分裂，所以也不存在染色體。而廣義上的染色體指DNA的載體，也就是DNA與特定的蛋白質結合形成的線狀復合物。所以，從廣義上來理解，細菌存在染色體。在高中生物學教學中，為了避免不必要的麻煩，建議使用染色體的狹義定義，即細菌不存在染色體。

2 原核細胞的分裂方式是否屬于無絲分裂

高中生物學教材中提到“真核細胞的分裂方式有三種：有絲分裂、減數分裂、無絲分裂”，而關于原核細胞的分裂方式教材中并沒有提到。大多教師在對比講解原核細胞和真核細胞時，會總結：原核細胞的分裂方式主要為二分裂。那么，二分裂是否屬于無絲分裂呢？

真核細胞的一些細胞在細胞分裂中因出現紡錘絲，故稱為有絲分裂(減數分裂可看作是一種特殊的有絲分裂)，或者間接分裂；而無絲分裂過程中不出現紡錘絲和染色體的變化。1841年，雷馬克(Remak)在研究雞胚的紅細胞時首次發現細胞的無絲分裂，后來在很多生物體內觀察到無絲分裂，例如動物的腎小管上皮細胞 、圍心腔上皮細胞 、肝細胞 、乳腺上皮細胞。

多數文獻將原核細胞的分裂方式歸為無絲分裂，因為原核細胞的分裂，沒有嚴格的階段，也沒有染色質和染色體的交替，更不存在紡錘絲，所以稱為無絲分裂，或者直接分裂[1]。但是，原核細胞的無絲分裂與真核細胞的無絲分裂存在很大的差異。細菌DNA的復制起點附著在細胞膜上，開始進行雙向復制，復制完成后，隨著細胞膜的生長和細胞的分裂，兩個未來的子細胞的基因組不斷分離開，最終細胞橫縊為兩個子細胞，每個子細胞各得一套DNA。在細菌快速生長和分裂的過程中，當細胞的一個世代即將結束時，不僅為即將形成的兩個子細胞各備了一份完整的DNA，而且新的DNA分子已經開始了下一次的復制[2]。真核細胞的無絲分裂雖然不像有絲分裂那樣有明顯的各個時期，但是也可大致分為四個時期，染色質復制、染色質移向核的兩端、核中部縊縮、核膜內陷縊裂為兩個細胞核，最終分為兩個子細胞[3]。

3 原核細胞光合作用的場所

高中生物學教材中提到，真核細胞光合作用的場所為葉綠體，而關于原核細胞的光合作用僅提到“藍藻細胞內含有藻藍素和葉綠素，是能進行光合作用的自養生物”。那么，原核細胞進行光合作用的具體場所在哪呢？

表2 伴性遺傳、從性遺傳、母性影響和細胞質遺傳的比較

藍藻細胞質中有環狀的光合片層結構——類囊體，這是藍藻光合作用的場所。藍藻的光合作用與高等植物的光合作用類似，可放出氧氣。藍藻類囊體的表面分布著三類光合色素，葉綠素a、類胡蘿卜素、藻膽素(藻膽素與蛋白質結合，又稱藻膽蛋白)。藻膽素有藻藍素、別藻藍素和藻紅素三種[4]。由于藍藻只含有葉綠素a，所以其光合作用的效率低于高等植物。

光合細菌是另一類能夠進行光合作用的原核生物，例如紅螺菌、著色菌、紅色非硫細菌、綠硫細菌、鹽桿菌等[5]。光合細菌的細胞膜(又稱細胞質膜)上含有光合磷酸化的酶系統，是其進行光合作用的場所，但光合細菌與藍藻和高等植物的光合作用有很大的不同。藍藻和高等植物的光合作用供氫體為H2O，并產生氧氣。而光合細菌的光合作用供氫體為硫化物或者有機物，其光合作用不產生氧氣。而且光合細菌所含的光合色素與高等植物也有所不同，為細菌葉綠素和類胡蘿卜素，已知的細菌葉綠素有a、b、c、d、e五種[6]。高等植物、藍藻、光合細菌在光合作用方面的區別見表1。

表1 高等植物、藍藻、光合細菌光合作用對比

4 原核細胞有氧呼吸的場所

高中生物學教材中提到真核生物有氧呼吸的場所為細胞質基質和線粒體(或者說有氧呼吸的主要場所為線粒體)，關于原核生物的有氧呼吸場所并未提到。

原核細胞的細胞膜(細胞質膜)含有豐富的酶系，細胞膜內側含有電子傳遞與氧化磷酸化有關的酶系，可進行有氧呼吸。細菌的細胞膜內陷形成囊狀、層狀或管狀結構，稱之為間體(或中膜體、質膜體)，類似于真核細胞中線粒體內膜內折形成的嵴。有學者認為間體上有細胞色素和琥珀酸脫氫酶，與有氧呼吸有關[1]，也有學者認為間體只是電鏡制片時造成的贗像[2]。

細菌雖然沒有具膜的細胞器，但是其細胞膜上含有多種酶系，除了含有與光合作用、有氧呼吸有關的酶系外，還有一些酶可以與核糖體共同完成分泌蛋白的合成與分泌。所以，細菌的細胞膜可以承擔類似于真核細胞中葉綠體、線粒體、內質網和高爾基體的部分工作[1]。

5 原核細胞的細胞壁成分

高中生物學教材中提到，高等植物細胞的細胞壁主要成分為纖維素和果膠，但沒有介紹原核細胞細胞壁的成分。授課時，大多數教師籠統總結為：大部分原核細胞有細胞壁，成分為肽聚糖。有關真核細胞和原核細胞的細胞壁成分對比歸納為表2。

表2 原核細胞和真核細胞的細胞壁比較