الهيكل الخلوي: التعريف والبنية والوظيفة (مع رسم بياني)

ربما تعرف بالفعل الدور الذي يلعبه الهيكل العظمي الخاص بك في حياتك ؛ يعطي بنية جسمك ويساعدك على الحركة.

بدونها ، ستكون مثل نقطة بشرية أكثر من كونها شخصًا متحركًا وعاملاً. كما يوحي اسمه ، يخدم الهيكل الخلوي غرضًا مشابهًا جدًا في بدائيات النواة و الخلايا حقيقية النواة.

هل تساءلت يومًا ما الذي يجعل الخلايا تبدو مستديرة ويمنعها من الانهيار في الكرات اللزجة؟ أو كيف تنظم العديد من العضيات داخل الخلية وتتحرك داخل الخلية ، أو كيف تنتقل الخلية نفسها؟ تعتمد الخلايا على الهيكل الخلوي لجميع هذه الوظائف.

إن الوحدة الهيكلية المهمة للهيكل الخلوي هي حقًا شبكة من ألياف البروتين في السيتوبلازم الذي يعطي الخلية شكلها ويمكنها من أداء وظائف مهمة مثل الخلية حركة.

اقرأ المزيد عن عضيات الخلية الأخرى ووظائفها.

بينما قد يتخيل بعض الناس الخلايا على أنها غير منظمة ، تكشف المجاهر القوية المستخدمة في بيولوجيا الخلية أن الخلايا منظمة للغاية.

أحد المكونات الرئيسية أمر حيوي للحفاظ على هذا الشكل والمستوى التنظيمي: الهيكل الخلوي من الخلية. تشكل خيوط البروتين التي يتكون منها الهيكل الخلوي شبكة من الألياف عبر الخلية.

توفر هذه الشبكة الدعم الهيكلي لغشاء البلازما ، وتساعد على استقرار العضيات في مواقعها الصحيحة وتمكن الخلية من خلط محتوياتها حولها حسب الحاجة. بالنسبة لبعض أنواع الخلايا ، يسمح الهيكل الخلوي للخلية بالتحرك والسفر باستخدام هياكل متخصصة.

تتكون هذه من خيوط البروتين عند الحاجة لتحرك الخلية.

الخدمة التي يوفرها الهيكل الخلوي لتشكيل الخلية منطقية للغاية. تمامًا مثل الهيكل العظمي البشري ، تخلق شبكة بروتين الهيكل الخلوي الدعم الهيكلي حاسمة للحفاظ على سلامة الخلية ومنعها من الانهيار في داخلها الجيران.

بالنسبة للخلايا ذات الأغشية شديدة السوائل ، فإن شبكة البروتينات التي يتكون منها الهيكل الخلوي مهمة بشكل خاص للحفاظ على محتويات الخلية داخل الخلية.

هذا يسمي سلامة الغشاء.

تعتمد بعض الخلايا عالية التخصص أيضًا على الهيكل الخلوي للدعم الهيكلي.

بالنسبة لهذه الخلايا ، فإن الحفاظ على الشكل الفريد للخلية يجعل من الممكن للخلية أن تعمل بشكل صحيح. وتشمل هذه الخلايا العصبية، أو خلايا الدماغ ، التي لها أجسام خلوية مستديرة ، وأذرع متفرعة تسمى التشعبات وذيول ممتدة.

هذا الشكل المميز للخلية يجعل من الممكن للخلايا العصبية التقاط الإشارات باستخدام أذرع التغصنات الخاصة بها وتمرير تلك الإشارات عبر ذيولها المحورية وإلى التشعبات المنتظرة للدماغ المجاور زنزانة. هذه هي الطريقة التي تتواصل بها خلايا الدماغ مع بعضها البعض.

ومن المنطقي أيضًا أن تستفيد الخلايا من التنظيم الذي تمنحه شبكة الألياف البروتينية للهيكل الخلوي. يوجد أكثر من 200 نوع من الخلايا في جسم الإنسان ومجموع إجمالي يبلغ حوالي 30 تريليون خلية في كل إنسان على هذا الكوكب.

يجب أن تؤدي العضيات الموجودة في كل هذه الخلايا مجموعة متنوعة من عمليات الخلية، مثل بناء الجزيئات الحيوية وتحطيمها ، وإطلاق الطاقة للجسم لاستخدامها وإجراء مجموعة من التفاعلات الكيميائية التي تجعل الحياة ممكنة.

لكي تعمل هذه الوظائف بشكل جيد على مستوى الكائن الحي بأكمله ، تحتاج كل خلية إلى بنية وطريقة مماثلة للقيام بالأشياء.

لأداء هذه الأدوار المهمة ، يعتمد الهيكل الخلوي على ثلاثة أنواع مختلفة من الخيوط:

1. أنابيب مجهرية
2. المتوسطة الشعيرات
3. الميكروفيلامين

جميع هذه الألياف صغيرة جدًا لدرجة أنها غير مرئية تمامًا بالعين المجردة. اكتشفها العلماء فقط بعد اختراع ميكروسكوب الكتروني عرض الجزء الداخلي من الزنزانة.

لتصور مدى صغر هذه الألياف البروتينية ، من المفيد فهم مفهوم نانومتر، والتي تتم كتابتها أحيانًا كـ نانومتر. النانومترات هي وحدات قياس تمامًا مثل البوصة وحدة قياس.

ربما تكون قد خمنت من كلمة الجذر متر أن وحدة النانومتر تنتمي إلى النظام المتري ، تمامًا مثل السنتيمتر.

يستخدم العلماء نانومتر لقياس الأشياء الصغيرة للغاية ، مثل الذرات وموجات الضوء.

وذلك لأن النانومتر الواحد يساوي واحدًا من المليار من المتر. هذا يعني أنك إذا أخذت عصا قياس مترًا ، يبلغ طولها حوالي 3 أقدام عند تحويلها إلى النظام الأمريكي للقياس ، وتقسيمه إلى مليار قطعة متساوية ، قطعة واحدة تساوي واحدًا نانومتر.

تخيل الآن أنه يمكنك قطع خيوط البروتين التي تشكل الهيكل الخلوي للخلية وقياسها قطر الدائرة عبر الوجه المقطوع.

يبلغ قطر كل ليف ما بين 3 و 25 نانومتر ، اعتمادًا على نوع الشعيرة. على سبيل المثال ، يبلغ قطر شعرة الإنسان 75000 نانومتر. كما ترى ، فإن الخيوط التي يتكون منها الهيكل الخلوي صغيرة للغاية.

أنابيب مجهرية هي أكبر الألياف الثلاثة للهيكل الخلوي ، حيث يبلغ قطرها من 20 إلى 25 نانومتر. المتوسطة الشعيرات هي ألياف الهيكل الخلوي متوسطة الحجم ويبلغ قطرها حوالي 10 نانومتر.

أصغر خيوط البروتين الموجودة في الهيكل الخلوي هي الميكروفيلامين. يبلغ قطر هذه الألياف الشبيهة بالخيوط من 3 إلى 6 نانومتر فقط.

من الناحية الواقعية ، هذا أصغر بمقدار 25000 مرة من قطر شعرة الإنسان العادية.

•••علم

تحصل الأنابيب الدقيقة على اسمها من شكلها العام ونوع البروتين الذي تحتوي عليه. وهي تشبه الأنبوب وتتكون من وحدات متكررة من ألفا وبيتا توبيولين بروتينالبوليمرات يربطون معا.

اقرأ المزيد عن الوظيفة الرئيسية للأنابيب الدقيقة في الخلايا.

إذا كنت ستشاهد خيوط الأنابيب الدقيقة تحت المجهر الإلكتروني ، فستبدو مثل سلاسل من البروتينات الصغيرة الملتوية معًا في شبكة لولبية ضيقة.

ترتبط كل وحدة بروتين مع جميع الوحدات المحيطة بها ، مما ينتج عنه بنية قوية جدًا وصلبة جدًا. في الواقع ، الأنابيب الدقيقة هي أكثر المكونات الهيكلية صلابة التي يمكن أن تجدها في الخلايا الحيوانية ، والتي لا تحتوي على جدران خلوية مثل الخلايا النباتية.

لكن الأنابيب الدقيقة ليست جامدة فقط. كما أنها تقاوم قوى الانضغاط والالتواء. تزيد هذه الجودة من قدرة الأنابيب الدقيقة على الحفاظ على شكل الخلية وسلامتها ، حتى تحت الضغط.

تعطي الأنابيب الدقيقة الخلية أيضًا قطبية، مما يعني أن للخلية جانبان أو قطبان فريدان. هذه القطبية هي جزء مما يجعل من الممكن للخلية أن تنظم مكوناتها ، مثل العضيات و أجزاء أخرى من الهيكل الخلوي ، لأنه يعطي الخلية طريقة لتوجيه تلك المكونات فيما يتعلق بـ أعمدة.

تدعم الأنابيب الدقيقة أيضًا حركة محتويات الخلية داخل الخلية.

تشكل خيوط الأنابيب الدقيقة مسارات تعمل مثل مسارات السكك الحديدية أو الطرق السريعة في الخلية. ناقلات الحويصلات اتبع هذه المسارات لتحريك حمولة الخلايا في السيتوبلازم. هذه المسارات ضرورية لإزالة محتويات الخلايا غير المرغوب فيها مثل البروتينات غير المطوية ، والعضيات القديمة أو المكسورة ، والغزاة الممرضات ، مثل البكتيريا والفيروسات.

تتبع ناقلات الحويصلات ببساطة مسار الأنابيب الدقيقة الصحيح لنقل هذه الشحنة إلى مركز إعادة التدوير بالخلية ، و الايسوسوم. هناك ، ينقذ الليزوزوم ويعيد استخدام بعض الأجزاء ويحلل أجزاء أخرى.

يساعد نظام التتبع الخلية أيضًا على نقل الجزيئات الحيوية المبنية حديثًا ، مثل البروتينات والدهون ، خارج العضيات المصنعة وإلى الأماكن التي تحتاج فيها الخلية إلى الجزيئات.

على سبيل المثال ، تستخدم ناقلات الحويصلات مسارات الأنابيب الدقيقة لنقل بروتينات غشاء الخلية من العضيات إلى غشاء الخلية.

يمكن استخدام بعض الخلايا فقط حركة الخلية للسفر ، وتلك التي تعتمد بشكل عام على هياكل متحركة متخصصة مصنوعة من ألياف الأنابيب الدقيقة.

ربما تكون خلية الحيوانات المنوية هي أسهل طريقة لتصور هذه الخلايا المتنقلة.

كما تعلم ، تبدو خلايا الحيوانات المنوية قليلاً مثل الضفادع الصغيرة ذات ذيول طويلة ، أو الأسواط، التي يجلدونها من أجل السباحة إلى وجهتهم وتخصيب خلية البويضة. يتكون ذيل الحيوانات المنوية من التوبولين وهو مثال على خيوط الأنابيب الدقيقة المستخدمة في حركة الخلايا.

يلعب الهيكل المتحرك الآخر المعروف أيضًا دورًا في التكاثر وهو أهداب. تصطف هذه الهياكل المتحركة الشبيهة بالشعر قناتي فالوب وتستخدم حركة التلويح لتحريك البويضة عبر قناة فالوب إلى الرحم. هذه الأهداب هي ألياف الأنابيب الدقيقة.

الخيوط الوسيطة هي النوع الثاني من الألياف الموجودة في الهيكل الخلوي. يمكنك تصور هذه على أنها الهيكل العظمي الحقيقي للخلية لأن دورها الوحيد هو الدعم الهيكلي. تحتوي هذه الألياف البروتينية الكيراتين، وهو بروتين شائع قد تتعرف عليه من منتجات العناية بالجسم.

يتكون هذا البروتين من شعر الإنسان والأظافر وكذلك الطبقة العليا من الجلد. وهو أيضًا البروتين الذي يشكل قرون ومخالب وحوافر حيوانات أخرى. الكيراتين قوي جدا ومفيد للحماية من التلف.

الدور الرئيسي للخيوط الوسيطة هو تكوين مصفوفة من البروتينات الهيكلية تحت غشاء الخلية. هذا يشبه الشبكة الداعمة التي تعطي الهيكل والشكل للخلية. كما أنه يضفي بعض المرونة على الخلية ، مما يمكّنها من الاستجابة بمرونة تحت الضغط.

إحدى الوظائف المهمة التي تؤديها الخيوط الوسيطة هي المساعدة في تثبيت العضيات في الأماكن الصحيحة داخل الخلية. على سبيل المثال ، تربط الخيوط الوسيطة النواة في مكانها الصحيح داخل الخلية.

يعد هذا التثبيت أمرًا ضروريًا لعمليات الخلية لأن العضيات المختلفة داخل الخلية يجب أن تعمل معًا لأداء وظائف الخلية هذه. في حالة نواة، فإن ربط هذه العضية المهمة بمصفوفة الهيكل الخلوي يعني أن العضيات تعتمد على الحمض النووي يمكن للتعليمات من النواة للقيام بوظائفها الوصول بسهولة إلى تلك المعلومات باستخدام برامج المراسلة و الناقلون.

قد تكون هذه المهمة المهمة مستحيلة إذا لم تكن النواة مثبتة لأن هؤلاء الرسل والناقلون سيحتاجون إلى السفر حول السيتوبلازم بحثًا عن نواة متجولة!

الميكروفيلامين ، وتسمى أيضًا خيوط الأكتين، هي سلاسل من بروتينات الأكتين ملتوية في قضيب حلزوني. يشتهر هذا البروتين بدوره في خلايا العضلات. هناك ، يعملون مع بروتين آخر يسمى الميوسين لتمكين انقباض العضلات.

عندما يتعلق الأمر بالهيكل الخلوي ، فإن الألياف الدقيقة ليست فقط أصغر الألياف. هم أيضا الأكثر ديناميكية. مثل جميع ألياف الهيكل الخلوي ، توفر الألياف الدقيقة الدعم الهيكلي للخلية. بسبب سماتها الفريدة ، تميل الخيوط الدقيقة إلى الظهور عند حواف الخلية.

تعني الطبيعة الديناميكية لخيوط الأكتين أن ألياف البروتين هذه يمكنها تغيير أطوالها بسرعة لتلبية الاحتياجات الهيكلية المتغيرة للخلية. هذا يجعل من الممكن للخلية أن تغير شكلها أو حجمها أو حتى شكلها توقعات خاصة التي تمتد خارج الخلية ، مثل أرجل, lamellipodia و ميكروفيلي.

يمكنك أن تتخيل أرجل كمستشعرات تقوم الخلية بإسقاطها لاستشعار البيئة المحيطة بها ، والتقاط الإشارات الكيميائية وحتى تغيير اتجاه الخلية ، إذا كانت تتحرك. كما يطلق العلماء أحيانًا على فلوبوديا microspikes.

يمكن أن تشكل Filopodia جزءًا من نوع آخر من الإسقاط الخاص ، lamellipodia. هذا هيكل يشبه القدم يساعد الخلية على الحركة والسفر.

ميكروفيلي تشبه الشعر الصغير أو الأصابع التي تستخدمها الخلية أثناء الانتشار. يزيد شكل هذه الإسقاطات من مساحة السطح بحيث يكون هناك مساحة أكبر للجزيئات للتنقل عبر الغشاء من خلال عمليات مثل الامتصاص.

تؤدي هذه الأصابع أيضًا وظيفة رائعة تسمى تدفق السيتوبلازم.

يحدث هذا عندما تمشط خيوط الأكتين عبر السيتوبلازم لإبقائها متحركة. يعزز تدفق السيتوبلازم تعريف ويساعد في نقل المواد المطلوبة ، مثل العناصر الغذائية ، والمواد غير المرغوب فيها ، مثل النفايات وحطام الخلايا ، حول الخلية.