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細胞は、あらゆる生命体や生物の基本的な構造的・機能的単位です。この用語は、ラテン語で「小さな部屋」を意味するcellulaに由来します。生物の細胞は基本的に、遺伝物質を含む細胞質を囲む半透膜の細胞膜から構成されています。ほとんどの細胞は顕微鏡でしか見ることができません。高度に分化した細胞（赤血球や配偶子など）を除いて、ほとんどの細胞は複製とタンパク質合成が可能です。一部の細胞は運動性を持っています。細胞は約40億年前に地球上に出現しました。
すべての生物は原核生物と真核生物に分類されます。原核生物は単細胞生物で、古細菌や細菌などが含まれます。真核生物は単細胞生物または多細胞生物です。単細胞真核生物には、ほとんどの原生生物、一部の真菌（酵母）、一部の藻類が含まれます。多細胞真核生物には、動物、植物、一部の真菌、一部の藻類が含まれます。すべての多細胞生物は、さまざまな種類の細胞で構成されています。動物や植物の体を構成する二倍体細胞は体細胞と呼ばれ、半数体の配偶子は含まれません。
原核生物は膜で囲まれた核を持たず、代わりに核様体を持つ。真核細胞では、核は核膜で囲まれている。真核細胞には、細胞機能に必要なエネルギーを供給するミトコンドリアや、光合成によって糖を生成する植物の葉緑体など、他の膜で囲まれた細胞小器官も含まれている。膜を持たない他の細胞小器官は、両方のグループに存在する（ただし異なる）リボソームのように、タンパク質で構成されている場合がある。磁性細菌では、膜で囲まれた原核生物特有の細胞小器官であるマグネトソームが発見されている。
細胞は1665年にロバート・フックによって発見され、修道院の独房に似ていることからその名が付けられました。1839年にマティアス・ヤコブ・シュライデンとテオドール・シュワンによって提唱された細胞説は、すべての生物は1つ以上の細胞から構成され、細胞はすべての生物の構造と機能の基本単位であり、すべての細胞は既存の細胞から生じるというものです。
生物は大きく真核生物と原核生物に分類される。真核細胞は膜に囲まれた核を持ち、原核細胞は核を持たないが核様体領域を持つ。[ 1 ]原核生物は単細胞生物であるのに対し、真核生物は単細胞または多細胞のいずれにもなり得る。単細胞真核生物には珪藻などの微細藻類が含まれる。多細胞真核生物にはすべての動物、植物、ほとんどの菌類、および一部の藻類が含まれる。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
原核生物はすべて単細胞生物であり、生命の3 つのドメインのうちの 2 つである細菌と古細菌が含まれます。[ 7 ]原核細胞は地球上で最初の生命形態であったと考えられており、 [ 8 ]細胞シグナル伝達などの重要な生物学的プロセスを持つことが特徴です。原核細胞は真核細胞よりも単純で小さく、核がなく、他の通常存在する膜結合オルガネラもありません。[ 9 ]原核オルガネラは複雑ではなく、通常は膜がありません。[ 10 ]すべての原核細胞は、外酵素や細胞外ポリマー物質など、さまざまな物質を膜から分泌します。
ほとんどの原核生物は、直径が0.1～5.0μmの範囲で、すべての生物の中で最も小さい。[ 11 ]既知の最大の細菌であるThiomargarita magnificaは肉眼で見ることができ、平均長さは1 cmですが、到達できます2 cm。[ 12 ] [ 13 ]
細菌は細胞膜に包まれており、細胞膜は内部を外部から保護しています。[ 14 ]一般的に、細胞膜は細胞壁で覆われており、一部の細菌では、細胞壁はさらにゼラチン状の細菌カプセルという第3の層で覆われています。カプセルは、肺炎球菌や髄膜炎菌のように多糖類であったり、炭疽菌のようにポリペプチドであったり、連鎖球菌のようにヒアルロン酸であったりします。マイコプラズマは細胞膜のみを持っています。[ 15 ]細胞膜は細胞に剛性を与え、細胞の内部を環境から分離し、保護的な機械的および化学的フィルターとして機能します。[ 16 ]細胞壁はペプチドグリカンで構成されており、外部からの力に対する追加の障壁として機能します。[ 17 ] [ 16 ]細胞壁は、細胞を機械的および化学的に環境から保護する働きをし、細胞膜に対する追加の保護層となります。また、低張環境による浸透圧によって細胞が膨張して破裂する（細胞溶解）のを防ぐ。[ 18 ]
細菌のDNAは通常、核様体と呼ばれる領域で細胞質と直接接触している単一の環状染色体から構成されています。一部の細菌は、複数の環状または線状の染色体を含んでいます。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]細胞質には、転写と翻訳が行われるリボソームとさまざまな封入体も含まれています。[ 22 ] [ 23 ]プラスミドなどの染色体外DNAは通常環状で、抗生物質耐性などの追加の遺伝子をコードしています。[ 24 ]線状の細菌プラスミドは、ライム病を引き起こすボレリア属を含むいくつかのスピロヘータ細菌種で確認されています。[ 25 ]細菌の原核細胞骨格は、細胞の形状、極性、細胞分裂の維持に関与しています。[ 26 ]
区画化は真核細胞の重要な特徴ですが、一部の細菌種は、ガス小胞やカルボキシソーム、エンカプスリンナノコンパートメントなどのタンパク質ベースのオルガネラ様の微小区画を持っています。[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]また、特定の膜結合型原核オルガネラも発見されています。これらには、磁性細菌のマグネトソーム[ 28 ]やアナモックス細菌のアナモキソソーム[ 31 ] [ 32 ]が含まれます。
細胞表面付属器には、鞭毛や線毛などがあり、これらは細胞間の移動やコミュニケーションを促進するタンパク質構造である。[ 33 ]鞭毛は細胞質から細胞膜を貫通して伸び、細胞壁を突き抜ける。[ 34 ]線毛は短い付着線毛であり、もう一方のタイプの線毛はより長い接合型である。[ 35 ]線毛はピリンと呼ばれる抗原性タンパク質から形成され、細菌が宿主細胞上の特定の受容体に付着する役割を担っている。[ 36 ]
古細菌は、細胞膜と細胞壁からなる細胞外被に包まれています。例外として、細胞膜のみを持つサーモプラズマがあります。 [ 15 ]古細菌の細胞膜は独特で、エーテル結合脂質から構成されています。原核生物の細胞骨格には、真核生物のアクチンとチューブリンの相同体があります。[ 26 ]古細菌の独特な代謝形態はメタン生成です。鞭毛に相当する細胞表面付属器官は、構造が異なり独特なアーケラムです。[ 37 ] [ 35 ] DNAは、核様体と呼ばれる領域で細胞質と直接接触している環状染色体の中に含まれています。リボソームも細胞質中に自由に存在したり、DNA処理が行われる細胞膜に付着したりしています。[ 22 ] [ 38 ]
古細菌は極限環境生物種で知られており、多くは極端な高温、低温、酸性、アルカリ性、または高塩分条件下で生育するように選択的に進化している。[ 39 ]既知の古細菌病原体は存在しない。[ 40 ]
真核細胞は、典型的な原核細胞の直径の 2 ～ 100 倍になることがあります。[ 41 ]真核生物は、珪藻（微細藻類）や酵母などの微小菌類のように単細胞である場合もあれば、動物、植物、ほとんどの菌類、海藻（大型藻類）のように多細胞である場合もあります。 [ 42 ]多細胞生物は、体細胞として総称される多くの異なる種類の細胞で構成されています。[ 43 ]真核生物は、膜で囲まれた核の存在によって区別され、この核が真核生物の名前の由来となっています。「核」は「真のナッツ」または「真の核」を意味し、「ナッツ」は核を意味します。[ 44 ] [ 45 ]
核は真核細胞内で最大の膜結合型細胞小器官である。すべての真核細胞に存在する他の細胞小器官は、小胞体、リボソーム、ゴルジ体、ミトコンドリア、リソソーム、ペルオキシソーム、エンドソーム、および小胞である。細胞の内容物は細胞膜内に含まれており、細胞膜と細胞小器官のすべての膜（ミトコンドリアを除く）を合わせてエンドメンブレン系として知られている。[ 46 ]これらの膜はすべて分泌経路とエンドサイトーシス経路に関与しており、タンパク質と脂質をトランスゴルジネットワークとの間で修飾、パッケージ化、および輸送する。[ 47 ]哺乳類細胞では、エンドサイトーシスには初期エンドソーム、後期エンドソーム、およびリサイクリングエンドソームが含まれる。[ 47 ]
Some eukaryotes cells including plant cells and fungi have a cell wall. Plastids including chloroplasts feature mainly in plant cells. Most cell types include vaults. There are many cell variations among the different eukaryote groups. Many cells project one or more cellular extensions. And some organelles also project extensions such as stromules from plastids in plant cells, peroxules from peroxisomes, and matrixules from mitochondria.[48]
Most distinct cell types arise from a single totipotent cell, called a zygote, that differentiates into hundreds of different cell types during the course of development. Differentiation of cells is driven by different environmental cues (such as cell–cell interaction) and intrinsic differences (such as those caused by the uneven distribution of molecules during division).[49]
Eukaryotic cell types include those that make up animals, plants, fungi, algae, and protists. All of which have many different species and cell differences. A separate grouping of animals and fungi are known as opisthokonts.
A eukaryotic cell has a cell membrane that surrounds a gel-like cytoplasm. The cytoplasm contains the cytoskeleton, the cell nucleus, the endoplasmic reticulum, ribosomes, the Golgi apparatus, mitochondria, peroxisomes, endosomes, vacuoles and vesicles, and vaults. A eukaryotic cell structure, includes an endomembrane system encompassing the cell membrane, and all the membranes of the organelles excluding those of the mitochondria. The whole system cooperates in the modification, packaging, and transport of proteins and lipids.[46]
細胞膜、または形質膜は、細胞質を囲む細胞の外側の境界として選択透過性膜である。 [ 50 ]細胞膜の下には、細胞皮質、すなわちアクチン細胞骨格の最外層が付着している。[ 51 ]細胞膜は、細胞を周囲の環境から分離して保護する役割を果たし、主に両親媒性（疎水性と親水性の両方の性質を持つ）リン脂質の脂質二重層から構成されている。流動モザイクモデルで最もよく説明されている。[ 52 ]
細胞膜内には、ポロソームと呼ばれる分泌性高分子リポタンパク質構造[ 53 ]と、分子を細胞内外に能動的に輸送する多数の異なるチャネルとポンプが埋め込まれている[ 22 ] 。膜は半透性で選択透過性があり、物質（分子またはイオン）を自由に通過させるか、限定的に通過させるか、まったく通過させないかのいずれかである[ 54 ] 。膜内の細胞表面受容体により、細胞はホルモンなどの外部シグナル分子を検出できる[ 55 ]。
細胞膜は、細胞のすべての細胞小器官を取り囲む細胞質を包み込んでいます。 [ 56 ]細胞膜は、タンパク質フィラメントからなる細胞骨格と細胞質ゾルという2つの主要な構成要素から成り立っています。[ 56 ]細胞骨格のフィラメントと微小管のネットワークは、細胞に形と支持を与え、細胞構成要素の組織化にも関与しています。
細胞質ゾルは、水、イオン、および非必須生体分子からなるゲル状物質であり、タンパク質合成と分解の主要な場所である。[ 56 ]細胞質ゾルの酸性度（pH）はほぼ中性であり、細胞膜の輸送体によって調節されている。細胞質内のさまざまなタンパク質は、異なるpHで最適に機能する。[ 57 ]細胞質ゾルは、細胞体積の30%～50% 。 [ 58 ]
細胞骨格は、細胞の形状を組織化して維持し、細胞小器官を所定の位置に固定し、エンドサイトーシスや細胞による外部物質の取り込みを助けます。細胞骨格は、微小管、中間径フィラメント、およびマイクロフィラメントで構成されています。これらには多数のタンパク質が関連しており、それぞれがフィラメントの方向付け、束ね、整列によって細胞構造を制御しています。細胞骨格の最も外側の部分は、細胞皮質、またはアクチン皮質と呼ばれる、架橋されたアクチンミオシンの薄い層です。[ 51 ]その厚さは、細胞の種類と生理状態によって異なります。[ 51 ] ERとゴルジ装置を通る輸送を方向付けます。[ 59 ]動物細胞の細胞骨格は、細胞分裂中の紡錘体装置の形成、娘細胞の分離である細胞質分裂にも関与しています。
細胞小器官は、心臓や肺などの臓器に類似した、1つまたは複数の機能を実行するために特化した細胞の区画です。 [ 22 ]細胞質にはいくつかの種類の細胞小器官があります。ほとんどの細胞小器官は膜で囲まれており、宿主細胞の成長に基づいてサイズと数が変化します。[ 60 ]細胞小器官には、核、ミトコンドリア、小胞体、ゴルジ体、リソソーム、ペルオキシソーム、小胞、液胞などがあります。膜のない細胞小器官には、核内の核小体、中心体、リボソーム、プロテアソーム、[ 61 ] [ 62 ]およびボールトが含まれます。[ 63 ]
The cell nucleus is the largest organelle in the animal cells and many other eukaryotic cells.[64] It houses the cell's chromosomes, and is the place where almost all DNA replication and RNA synthesis (transcription) occur. The nucleus is spherical and separated from the cytoplasm by a double-membraned nuclear envelope. A space between the membranes is called the perinuclear space. The nuclear envelope isolates and protects a cell's DNA from various molecules that could accidentally damage its structure or interfere with its processing. During processing, DNA is transcribed, or copied into a special RNA, called messenger RNA (mRNA). This mRNA is then transported out of the nucleus, where it is translated into a specific protein molecule. The nucleolus is a specialized biomolecular condensate within the nucleus where ribosome subunits are assembled. It is one of several types of membrane-less nuclear bodies.[22] Cells use DNA for their long-term information storage that is encoded in its DNA sequence.[22] RNA is used for information transport (e.g., mRNA) and enzymatic functions (e.g., ribosomal RNA). Transfer RNA (tRNA) molecules are used to add amino acids during protein translation.[65]
The DNA of each cell is its genetic material, and is organized in multiple linear molecules, called chromosomes, that are coiled around histoneproteins and housed in the cell nucleus.[45][66] In humans, the nuclear genome is divided into 46 linear chromosomes, including 22 homologous chromosome pairs and a pair of sex chromosomes. The nucleus is a membrane-bound organelle.[67]
小胞体（ER）は、細胞質に自由に浮遊する分子とは異なり、特定の修飾や特定の目的地を目的とした分子の輸送ネットワークです。ERには、表面にリボソームがあり、タンパク質をER内に分泌する粗面小胞体（RER）と、リボソームを持たない滑面小胞体（SER）の2つの形態があります。[ 22 ]滑面小胞体はカルシウムの隔離と放出に関与し、脂質の合成を助けます。[ 68 ]
ゴルジ体は、細胞によって合成されたタンパク質や脂質を処理し、パッケージ化する。ゴルジ体は、システルナと呼ばれる板状構造の積み重ねとして組織化されている。[ 69 ]
ミトコンドリアは、細胞の細胞質内に様々な数、形、大きさで存在する、自己複製する二重膜で囲まれた細胞小器官です。[ 22 ]ミトコンドリア内の好気呼吸は、酸化的リン酸化によって細胞のエネルギーを生成します。酸素を使用して、細胞栄養素（通常はグルコースに関連するもの）に蓄えられたエネルギーを放出し、アデノシン三リン酸（ATP）を生成します。[ 70 ]ミトコンドリアは、古代の原核生物と細胞内共生関係を形成した細菌の子孫です。[ 71 ]ミトコンドリアは二分裂によって増殖し[ 72 ]、複数の小さな環状染色体に含まれる独自のDNAを持っています。[ 73 ] [ 74 ]ミトコンドリアDNA（mtDNA ）は核DNAに比べて非常に小さいが、[ 22 ]ミトコンドリアのエネルギー産生に関与する13個のタンパク質と特定のトランスファーRNA （tRNA）をコードしている。[ 75 ]ミトコンドリアにはミトリボソームと呼ばれる独自のリボソームもある。[ 76 ]
リソソームは細胞内で最も酸性の強い区画です。[ 77 ]酸性環境を必要とする60種類以上の加水分解酵素が含まれています。 [ 78 ]これらの酵素は、過剰または老朽化した細胞小器官、食物粒子、取り込まれたウイルスや細菌を消化します。これらの破壊酵素が膜で囲まれた区画に含まれていなければ、細胞はこれらの酵素を収容することはできません。[ 22 ] [ 79 ]
ペルオキシソームは、単一の膜で囲まれた微小体です。ペルオキシソームにはDNAやリボソームはなく、必要なタンパク質は核でコード化され、細胞質から選択的に取り込まれます。一部のタンパク質は内膜小胞体を経由して入ります。[ 80 ]ペルオキシソームには、細胞から毒性のある過酸化物を除去する酵素があります。ペルオキシソームの酵素含有量は、種によって大きく異なり、個体内でも異なる場合があります。[ 81 ] [ 80 ]動物細胞のペルオキシソームは、肝細胞と脂肪細胞に集中しています。[ 81 ]
液胞は老廃物を隔離する。アメーバなどの一部の細胞は収縮胞を持ち、水分が多すぎる場合に細胞から水を排出することができる。[ 82 ]
リボソームは、 RNAとタンパク質分子の大きな複合体であり、細胞質に自由に存在する場合は膜のないオルガネラ、粗面小胞体に存在する場合は膜結合オルガネラとみなされる。[ 83 ] [ 22 ]それぞれは2つのサブユニットから構成され、一方が他方よりも大きく、核からのメッセンジャーRNAを使用してアミノ酸からタンパク質を合成する組み立てラインとして機能する。 [ 22 ]
A vault is a large ribonuclear protein particle, a membrane-less organelle, three times the size of a ribosome but with only three proteins in contrast to the near hundred in the ribosome.[63] Most human cells have around 10,000 vaults, and in some types of immune cell there may be up to 100,000. Macrophages have the greatest number of vaults of any human cell.[84] Vaults are largely overlooked because their functions are purely speculative. They may play a role in transport from the nucleus to the cytoplasm, and may serve as scaffolds for signal transduction proteins. They are present in normal tissues, and more so in secretory and excretory epithelial cells.[63][84]
Proteasomes are intricate membrane-less protein complexes responsible for the degradation of regulatory proteins, and damaged proteins in the cytosol and nucleus. They also function in protein homeostasis, stress response, and in the control of cell division and signal transduction.[85]
All the cells in an animal body develop from one totipotentdiploid cell called a zygote. During the embryonic development of an animal, the cells differentiate into the specialised tissues and organs of the organism. Different groups of cells differentiate from the germ layers. The sponge has only one layer. Some other animals known as diploblasts have two germ layers the ectoderm, and the endoderm. More advanced animals have an extra layer, the middle mesodermal layer, and are known as triploblastic. Triploblastic animals make up the large clade of Bilateria. Differentiation results in structural or functional changes to stem cells, and progenitor cells.
外胚葉からは、皮膚や腺、神経組織など、いくつかの異なるタイプの上皮組織が生まれる。中皮としての上皮は、多くの臓器や内部腔の内壁を形成する。[ 86 ]上皮細胞は細胞間結合によってシート状に結合している。接着結合とデスモソームは細胞同士を結合し、ヘミデスモソームは細胞を基底膜に結合させる。これら3つのタイプはすべて細胞骨格に連結している。[ 87 ]
人体には推定200種類の細胞が存在する。典型的な成人の人体における細胞数は約30兆個、成人男性では36兆個、成人女性では28兆個と推定されている。[ 64 ]
他の真核細胞と同様に、動物細胞はゲル状の細胞質を含む細胞膜で構成されています。この細胞質には、細胞核、小胞体、リボソーム、ゴルジ体、ミトコンドリア、ペルオキシソーム、エンドソーム、液胞および小胞、ボールトなど、すべての共通真核細胞小器官を含むさまざまな膜小器官があり、さらに動物細胞に特有の中心体もあります。 [ 88 ] [ 89 ]
中心体は、中心体周囲物質と 2 つの中心小体からなる膜のない細胞小器官です。[ 90 ] [ 62 ]中心体は、動物細胞における主要な微小管形成中心であり、細胞骨格の主要構成要素である微小管を生成します。中心体は、互いに垂直に配置された2 つの中心小体から構成されており、それぞれが車輪のような構造を持ち、細胞分裂中に分離して有糸分裂紡錘体の形成を助けます。[ 91 ]他のほとんどの真核生物は中心小体を持っていますが、植物は持っておらず、中心体は動物細胞に特有のものです。
特殊化した細胞の種類によっては、特定の動物群に局在するものもあります。例えば、脊椎動物には、筋細胞を含む構造的に変化した特殊化した細胞があります。骨格筋細胞や心筋細胞の細胞膜は筋形質膜と呼ばれます。[ 92 ]また、細胞質は筋形質と呼ばれます。骨格筋細胞は多核化もします。動物群の個体群は進化して、有性生殖が隔離された別々の種になります。例えば、多くの脊椎動物の種は、追加の特殊化した細胞によって他の独自の特性を持っています。例えば、一部の電気魚では、改変された筋細胞や神経細胞が電気細胞に特殊化し、獲物を気絶させたり、電気定位に使用したりするために、電気エネルギーを生成して蓄え、将来放出することができます。[ 93 ]これらは、デンキウナギやデンキエイにある大きな扁平細胞で、何千個も積み重なってボルタ電池に匹敵する電気器官を形成しています。[ 94 ]
多くの動物細胞は繊毛を持ち、赤血球を除くほとんどの細胞は一次繊毛を持っています。一次繊毛は化学感覚と機械感覚において重要な役割を果たします。[ 95 ] [ 96 ]各繊毛は「多数の細胞シグナル伝達経路を調整する感覚細胞アンテナ と見なすことができ、シグナル伝達を繊毛運動または細胞分裂と分化に結びつけることがあります。」 [ 97 ]他の細胞の繊毛は運動性オルガネラであり、呼吸器上皮では粘液の移動において重要な役割を果たします。生殖器系では、卵管の繊毛上皮が卵子を子宮から卵巣へ移動させます。鞭毛としても知られる運動性繊毛は精子細胞を駆動します。[ 98 ]無脊椎動物のプラナリアは繊毛のある排泄炎細胞を持っています。[ 99 ]プラナリアに見られる他の排泄細胞としては、長く鞭毛を持つソレノサイトがある。
植物細胞には、細胞膜の外側に構築されたセルロース、ヘミセルロース、ペクチンからなる細胞壁があります。厚壁組織では、リグニンが分泌されて一次細胞壁の内側に二次細胞壁を形成します。[ 100 ]クチンは一次細胞壁の外側に分泌され、葉、茎、その他の地上器官の表皮細胞の二次細胞壁の外層に入り込んで植物のクチクラを形成します。細胞壁は多くの重要な機能を果たし、植物の組織や器官の形を作り、細胞間コミュニケーションや植物と微生物の相互作用において重要な役割を果たします。原形質連絡と呼ばれる特殊な細胞間コミュニケーション経路は、一次細胞壁の孔の形で存在し、隣接する細胞の細胞膜と小胞体が連続しています。
植物細胞の細胞小器官には、色素を含むプラスチド、特にクロロフィルを含む葉緑体（藻類にも見られる）、大きな水貯蔵液胞、および2種類のペルオキシソームが含まれます。葉緑体は太陽エネルギーを捕捉して光合成によって炭水化物を作ります。[ 101 ]色素体には、オレンジ色のカロテンや黄色のキサントフィルなどの脂溶性カロテノイド色素が含まれており、合成と貯蔵に役立ちます。白色体は色素を含まないプラスチドで、栄養素の貯蔵に役立ちます。[ 102 ]プラスチドは二分裂によって分裂します。[ 103 ]液胞は動物細胞の液胞よりも大きく、その膜は濃度勾配に逆らってイオンを輸送します。[ 104 ] [ 105 ]ペルオキシソームの一種は葉にあり、光呼吸に関与しています。もう1つのタイプは発芽中の種子にあり、植物の成長のために脂肪酸を糖に変換する役割を担っています。[ 80 ]このペルオキシソームタイプでは、酵素の内容が他のグループと大きく異なるため、グリオキシソームという別名があります。酵素はグリオキシル酸回路に属します。[ 81 ]
植物の細胞骨格は、微小管と微小フィラメントの足場を持つが中間径フィラメントを持たない動的な構造である。[ 106 ]植物細胞の微小管形成中心は、細胞膜の下に位置することが多く、そこで核形成された微小管はシート状の半平行配列を形成することが多い。[ 107 ]
植物ホルモンはすべての植物細胞によって生成されます。さまざまなホルモンはシグナル伝達分子として働き、胚発生や生殖、病原体防御など、植物の成長と発達のあらゆる側面を制御します。[ 108 ] [ 109 ] [ 110 ]
藻類は光合成によってエネルギーを生成できる光合成独立栄養生物である。真核生物では、光合成は細胞質内の葉緑体と呼ばれる細胞小器官である色素体を用いることで可能となる。
光合成は、原核生物のシアノバクテリアと、陸上植物と近縁な紅藻、褐藻、緑藻など、複数の系統の真核藻類の両方に見られる。[ 111 ] [ 112 ]
アルギン酸は褐藻の細胞壁のマトリックスに含まれる多糖類であり、食品産業や薬理学において多くの重要な用途がある。[ 113 ]
真菌の細胞は、共通の真核細胞小器官に加えて、菌糸先端の成長に関連するエンドメンブレン系にスピッツェンケルパーを持っています。これは、細胞壁成分を含む膜結合小胞の集合体からなる位相暗体であり、ゴルジ体と細胞膜の中間でこれらの成分の集合と放出の拠点として機能します。スピッツェンケルパーは運動性があり、前進しながら新しい菌糸先端の成長を生成します。[ 114 ]
真菌の細胞壁は、キチン-グルカン複合体でできているのが特徴である。[ 115 ]葉緑体は真菌細胞には存在せず、その色素は細胞壁に付着している。[ 116 ]
原生生物の細胞は、細胞膜のみで囲まれている場合もあれば、細胞壁を持つ場合もあり、また、繊毛虫ではペリクル、有殻アメーバでは殻、珪藻では殻で覆われている場合もある。
アメーバなどの一部の原生生物は、他の生物を捕食し、食作用によって食物を取り込むことがあります。細胞質内のファゴソームと呼ばれる液胞は、捕らえた粒子を引き込んで取り込むために使用されます。他の種類の原生生物は光合成独立栄養生物であり、光合成によってエネルギーを得ています。[ 117 ]ほとんどの単細胞原生生物は運動性があり、繊毛、鞭毛、または仮足によって運動を生み出します。[ 118 ]
繊毛虫には2種類の核がある。小さな二倍体の小核（「生殖核」と呼ばれ、細胞の生殖系列を担う）と、大きな倍数体の大核（「栄養核」と呼ばれ、一般的な細胞調節を担う）である。[ 119 ] [ 120 ]
細胞分裂では、単一の細胞である母細胞が2つの娘細胞に分裂します。これにより、多細胞生物では組織の成長が起こります。原核細胞は二分裂によって分裂しますが、真核細胞は通常、有糸分裂と呼ばれる核分裂の過程を経て、細胞質分裂と呼ばれる細胞分裂が起こります。二倍体細胞は減数分裂を経て、通常4つの半数体細胞を生成することがあります。半数体細胞は多細胞生物の配偶子として機能し、融合して新しい二倍体細胞を形成します。
DNA複製、つまり細胞のゲノムを複製するプロセス[ 22 ]は、細胞が有糸分裂または二分裂によって分裂するときに必ず起こります。これは細胞周期のS（合成）期に起こります。[ 121 ]
減数分裂では、細胞が2回分裂する間に、DNAは1回だけ複製されます。DNA複製は減数分裂Iの前にのみ起こります。DNA複製は、細胞が2回目の分裂を行う減数分裂IIでは起こりません。[ 122 ]複製は、他のすべての細胞活動と同様に、特殊なタンパク質を必要とします。[ 22 ]
細胞シグナル伝達は、細胞が自身、他の細胞、および環境と相互作用するプロセスです。通常、シグナル伝達プロセスには、最初のメッセンジャー（リガンド）、受容体、およびシグナル自体の 3 つの要素が含まれます。[ 123 ]ほとんどの細胞シグナル伝達は化学的性質のものであり、隣接する細胞またはより遠い標的との間で発生する可能性があります。シグナル受容体は、細胞膜または細胞内部に存在する複雑なタンパク質またはタンパク質の強固に結合した多量体です。[ 124 ]
各細胞は特定の細胞外シグナル分子に反応するようにプログラムされており、このプロセスは発生、組織修復、免疫、および恒常性の基礎となっています。個々の細胞は受容体の感度を制御することができ、受容体をオフにすることもできます。また、受容体は長時間占有されると感度が低下することがあります。[ 124 ]シグナル伝達の相互作用のエラーは、癌、自己免疫疾患、糖尿病などの疾患を引き起こす可能性があります。[ 125 ]
タンパク質ターゲティングまたはタンパク質ソーティングは、タンパク質が細胞内または細胞外の適切な目的地に輸送される生物学的メカニズムです。 [ 126 ] [ 127 ]タンパク質は、オルガネラ の内部空間、さまざまな細胞内膜、形質膜、または分泌を介して細胞外にターゲティングされます。[ 126 ] [ 127 ]タンパク質自体に含まれる情報が、この輸送プロセスを指示します。[ 127 ] [ 128 ]正しいソーティングは細胞にとって重要であり、ソーティングのエラーまたは機能不全は、多くの疾患と関連付けられています。[ 127 ] [ 129 ] [ 130 ]
すべての細胞には、DNA損傷をスキャンして修復を行う酵素系が含まれています。多様な修復プロセスがすべての生物で進化してきました。修復は、DNAの完全性を維持し、細胞死や突然変異につながる可能性のある複製エラーを回避するために不可欠です。修復プロセスには、ヌクレオチド除去修復、 DNAミスマッチ修復、二本鎖切断の非相同末端結合、組換え修復、光依存性修復（光回復）などがあります。[ 131 ]
連続する細胞分裂の間、細胞は細胞代謝の働きによって成長する。細胞代謝とは、個々の細胞が栄養分子を処理する過程である。代謝には2つの明確な区分がある。異化作用とは、細胞が複雑な分子を分解してエネルギーと還元力を生成する過程であり、同化作用とは、細胞がエネルギーと還元力を使って複雑な分子を構築し、他の生物学的機能を実行する過程である。[ 132 ]
複雑な糖は、グルコースなどの単糖類と呼ばれるより単純な糖分子に分解されます。細胞内に入ると、グルコースは2つの異なる経路を経て、すぐに利用できるエネルギーを持つ分子であるアデノシン三リン酸（ ATP）[ 22 ]に分解されます。植物細胞では、葉緑体が光合成によって糖を生成し、光のエネルギーを使用して水と二酸化炭素の分子を結合させます。[ 133 ]
細胞は、細胞活動の調節と維持に不可欠な新しいタンパク質を合成する能力を持っています。このプロセスには、DNA/RNAにコード化された情報に基づいて、アミノ酸の構成要素から新しいタンパク質分子を形成することが含まれます。タンパク質合成は一般的に、転写と翻訳という2つの主要なステップから構成されます。[ 65 ]
転写は、DNA の遺伝情報を使用して相補的な RNA 鎖を生成するプロセスです。この RNA 鎖は処理されてメッセンジャー RNA (mRNA) となり、細胞質に移動することができます。mRNA 分子は細胞質に存在するリボソームと呼ばれるタンパク質-RNA複合体に結合し、そこでポリペプチド配列に翻訳されます。リボソームは、mRNA 配列に基づいてポリペプチド配列の形成を仲介します。mRNA 配列は、リボソーム内の結合ポケットにあるトランスファー RNA (tRNA) アダプター分子に結合することによって、ポリペプチド配列に直接関連します。[ 65 ]新しいポリペプチド鎖は、機能的な三次元タンパク質分子に折り畳まれます。
単細胞生物は、食物を探したり捕食者から逃れたりするために移動することができます。一般的な運動機構には、鞭毛や繊毛[ 35 ]、アメーバ運動における仮足の突出などがあります。多細胞生物の細胞は、創傷治癒、免疫応答、癌転移などの過程で移動することができます。動物の創傷治癒では、白血球が創傷部位に移動して感染を引き起こす病原体を殺します。細胞の運動には、多くの受容体、架橋、束化、結合、接着、モータータンパク質、その他のタンパク質が関与しています[ 134 ] 。このプロセスは、細胞の先端の突出、先端の接着と細胞体および後部での脱接着、細胞骨格の収縮による細胞を前方に引っ張るという3つのステップに分かれています。各ステップは、細胞骨格の固有のセグメントによって生成される物理的な力によって駆動されます[ 135 ] [ 134 ]。
2020年8月、科学者たちは、細胞、特に粘菌の細胞とマウスの膵臓癌由来の細胞が、体内を効率的に移動し、複雑な迷路を通り抜ける最適な経路を見つけることができる一つの方法を説明した。それは、拡散した化学誘引物質を分解した後に勾配を生成し、角を曲がった先を含め、迷路の分岐点に到達する前にそれを感知できるようにするというものである。[ 136 ] [ 137 ] [ 138 ]
細胞死は、老化や細胞損傷（壊死）などの結果として細胞がその機能を停止したときに起こります。アポトーシスやオートファジーなどのプログラム細胞死は、死んだ細胞を新しい細胞に置き換える自然なプロセスです。[ 139 ] [ 140 ]
細胞死の別の様式として、有糸分裂中に細胞周期の不適切な進行または進入後に発生する有糸分裂カタストロフィーが知られています。このメカニズムはゲノム不安定性を防ぐために機能します。[ 141 ] [ 142 ]他の細胞死経路も説明されており、アノイキス、パイロトーシス、ミトプトーシス、パルタナトス、ネクロプトーシスなどが含まれます。[ 143 ]
細胞の起源は、地球上の生命の歴史の始まりである生命の起源と関係があります。生命に必要な小さな分子は、隕石によって地球に運ばれたり、深海の熱水噴出孔で生成されたり、還元性大気中で雷によって合成されたりした可能性があります。最初の自己複製形態が何であったかを定義する実験データはほとんどありません。RNAは遺伝情報を保存し、化学反応を触媒することができるため、最も初期の自己複製分子であった可能性があります。 [ 144 ]このプロセスには、RNA反応を触媒する酵素が必要であり、それは熱水噴出孔で形成された初期のペプチドであった可能性があります。[ 145 ]
細胞は約40億年前に出現した。[ 146 ] [ 147 ]最初の細胞は従属栄養生物であった可能性が高い。初期の細胞膜は、脂質1つにつき1つの脂肪酸鎖しか持たず、後の細胞膜よりも単純で透過性が高かったと考えられる。脂質は水中で自発的に二重層小胞を形成し、RNAに先行した可能性がある。[ 148 ] [ 149 ]
真核細胞は、約22億年前に真核発生と呼ばれる過程で誕生しました。これは、古細菌と細菌が結合して最初の真核生物の共通祖先を作った共生発生が関与していたと広く合意されています。[ 150 ]それは、最後の真核生物の共通祖先を含む単細胞生物の集団へと進化し、その過程で能力を獲得しました。[ 151 ] [ 152 ]
この細胞は、核[ 153 ] [ 151 ]と通性好気性ミトコンドリア[ 150 ]を備え、新たなレベルの複雑さを持っていた。少なくとも1つの中心体と繊毛、性（減数分裂と接合）、ペルオキシソーム、キチンおよび/またはセルロースの細胞壁を持つ休眠嚢を備えていた。[ 154 ] [ 152 ]最後の真核生物の共通祖先は、動物、菌類、植物、および多様な単細胞生物の祖先を含む真核生物の冠群を生み出した。 [ 155 ] [ 156 ]緑色植物は、シアノバクテリア由来の葉緑体を加えた2回目の共生発生によって、約16億年前に誕生した。[ 150 ]
多細胞的な挙動は、単一細胞からクローン化され、目に見える微生物コロニーを形成する微生物によって実証されています。2種以上の微生物のコンソーシアムは、細胞外ポリマー物質（EPS）の分泌によってバイオフィルムを形成することができます。[ 157 ]粘菌は、多細胞のような形で集まったさまざまな微生物のグループで構成されています。
生物における多細胞性の最初の証拠は、30億～35億年前に生息していたシアノバクテリアのような生物から得られます。 [ 158 ]シアノバクテリアは形態が多様で、糸状の形態では、ヘテロシスト（窒素固定用）、アキネート（休眠期の細胞）、ホルモゴニア（生殖運動性糸状体）などの機能的な細胞分化が見られます。これらは、細胞間の結合とともに、多細胞性の最初の兆候と考えられています。[ 159 ]
多細胞性は、細胞外ポリマー物質からなる細菌のEPSと同様の機能を持つ細胞外マトリックス（ECM）の発達によって可能になった。 [ 160 ] EPSは微生物細胞の接着を可能にし、多細胞生物への最初の進化段階であると考えられている。[ 161 ]基底膜は、ほとんどの動物組織を囲む特殊な細胞外マトリックスの一種であり、その形成に不可欠である。[ 162 ]ラミニンドメインの細胞外マトリックス成分は、カドヘリンなどの他のタンパク質と統合されており、2種類のECMのうちの1つである基底膜の進化的な出現に先立つ単細胞の運動性襟鞭毛虫で記述されている。 [ 163 ]基底膜の出現は、多細胞性の起源と一致した。[ 162 ] [ 164 ]もう1つのタイプのECMは、間質マトリックスである。
1665年、ロバート・フックは顕微鏡でコルクの薄片を調べ、小さな囲いの構造を発見した。彼は「それはまるでハチの巣のように、穴が開いていて多孔質であることが非常にはっきりとわかったが、その孔は規則的ではなかった」と記した。[ 165 ]フックの理論をさらに裏付けるために、マティアス・シュライデンとテオドール・シュワンは動物と植物の両方の細胞を研究した。彼らが発見したのは、2種類の細胞の間に大きな違いがあることだった。これにより、細胞は植物と動物の両方にとって基本的なものであるという考えが提唱された。[ 166 ]
{{cite book}}: CS1メンテナンス: 場所の発行元が見つかりません (リンク){{cite encyclopedia}}: CS1メンテナンス: ISBNエラーを無視しました (リンク)…私はそれがハチの巣のように穴だらけで多孔質であることを非常にはっきりと認識できたが、その孔は規則的ではなかった[…]これらの孔、あるいは細胞は[…]実際、私がこれまで見た中で最初の顕微鏡的な孔であり、おそらくこれまで見たことのないものだった。なぜなら、私はそれ以前にそれらについて言及した作家や人物に会ったことがなかったからである…– フックがコルクの薄片について観察した内容を記述している。参照：Robert Hooke Archived 1997-06-06 at the Wayback Machine。