العلاقة بين بنية الخلية والوظيفة

"الشكل يناسب الوظيفة" هي لازمة شائعة في عالم كل من الأشكال الطبيعية والبشرية للهندسة. عندما يتعلق الأمر بالبناء الهادف لأداة يومية ، غالبًا ما يكون ذلك واضحًا: من المحتمل أن الطفل الصغير الذي يُعطى مجرفة أو كأسًا للشرب أو زوجًا من الجوارب أو المطرقة تحديد بسهولة نسبية الغرض من هذه الأدوات ، بينما في حالة سلسلة دراجات أو طوق كلب في عزلة ، يكون اللغز أكثر صعوبة إلى حد كبير يحل.

الهياكل الطبيعية ، التي تشكلت على مدى ملايين السنين من التطور ، لا تزال في مكانها لأنه تم اختيارهم بسبب مزايا البقاء التي يمنحونها للكائنات الحية امتلكهم. هذا هو الحال مع الخلايا ، وهي أبسط الهياكل الطبيعية التي تحتوي على جميع خصائص الكيان الديناميكي المعروف باسم الحياة: التكاثر ، والتمثيل الغذائي ، والحفاظ على التوازن الكيميائي والصلابة الفيزيائية.

كما هو الحال في عالم "الماكرو" ، الطريقة التي تتحدث بها أجزاء الخلية عن وظائفها - سواء تلك الموجودة بمفردها وتلك التي تتكامل مع بقية الخلية - موضوع رائع للبيولوجيا في حد ذاته حق.

يختلف تكوين الخلية ووظيفتها بشكل كبير بين الكائنات الحية ، وفي حالة الكائنات المعقدة متعددة الخلايا ، بين الأنسجة والأعضاء المختلفة داخل الكائن الحي نفسه. لكن جميع الخلايا لديها عدد من العناصر المشتركة. وتشمل هذه:

• غشاء الخلية: تشكل هذه البنية البطانة الخارجية للخلية وهي مسؤولة عن كل من السلامة الجسدية للخلية وعن السماح لمواد معينة بالمرور والخروج مع حرمان الآخرين من المرور. يتكون في الواقع من ملف غشاء بلازما مزدوج.
• السيتوبلازم: يشكل هذا المادة الداخلية للخلايا ويتكون من مصفوفة مائية تدعم محتويات الخلايا الداخلية الأخرى ، مثل السقالات. يسمى الجزء السائل غير العضوي بـ العصارة الخلوية، وتحدث معظم التفاعلات الكيميائية في الخلية هنا بمساعدة بروتينات تسمى الإنزيمات.
• المادة الوراثية: تحمل المادة الجينية ، التي تحتوي كل خلية من خلايا الكائن الحي تقريبًا على نسخة كاملة منها ، المعلومات اللازمة لتخليق البروتين في شكل حمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (الحمض النووي). الحمض النووي هو ما ينتقل إلى الأجيال اللاحقة أثناء عملية التكاثر.
• الريبوسومات: هذه البروتينات مسؤولة عن تصنيع جميع البروتينات التي يحتاجها الكائن الحي. يأخذون التوجيه من حامض الريبونوكليك الرسول (مرنا). على الريبوسومات ، ترتبط الأحماض الأمينية الفردية معًا لتكوين سلاسل مكونة البروتينات. يتكون mRNA بواسطة DNA في عملية تسمى النسخ; يُعرف تحويل تعليمات mRNA إلى بروتينات على الريبوسومات ، والتي تتكون من وحدتين فرعيتين ، باسم ترجمة.

يمكن تقسيم الكائنات الحية إلى نوعين: بدائيات النوى، والتي تشمل المجالات Bacteria و Archaea و حقيقيات النواة، والتي تتكون من مجال Eukaryota. معظم بدائيات النوى هي كائنات وحيدة الخلية ، في حين أن جميع حقيقيات النوى تقريبًا - النباتات والحيوانات والفطريات - متعددة الخلايا.

تشمل الخلايا بدائية النواة الهياكل الأربعة الموصوفة بالفعل ، ولكن ليس الكثير ، على الرغم من وجود البكتيريا جدران الخلايا. كثير منهم أيضا لديهم زنزانة كبسولة; الوظيفة الأساسية لهذه هي الحماية. تحتوي بعض بدائيات النوى أيضًا على هياكل شبيهة بالجلد على سطحها تسمى الأسواط. كما يمكنك أن تتخيل من مظهرها ، فهي تستخدم أساسًا للتنقل.

على النقيض من ذلك ، فإن الخلايا حقيقية النواة غنية العضيات، وهي كيانات مرتبطة بالغشاء تخدم الخلية بطرق معينة. الأهم من ذلك ، أن حقيقيات النوى تؤوي حمضها النووي داخل أ نواة، بينما في بدائيات النوى ، التي تفتقر إلى الهياكل الداخلية المرتبطة بالغشاء من أي نوع ، يطفو الحمض النووي في كتلة فضفاضة في السيتوبلازم تسمى منطقة نووية.

تتجلى العلاقة بين أجزاء الخلية ووظائفها بأناقة ووضوح في عضيات حقيقيات النوى. في المقابل ، تتميز جميع العضيات بغشاء بلازما. يتكون كل غشاء بلازما في الخلايا - بما في ذلك غشاء الخلية الخارجي المسمى وكذلك الأغشية التي تحيط بالعضيات - من الفوسفوليبيدطبقة ثنائية.

تتكون هذه الطبقة الثنائية من "ورقتين" فرديتين تواجه كل منهما الأخرى بطريقة صورة معكوسة. يتميز الداخل بامتداد نافرة من الماء، أو طاردة للماء ، أجزاء من كل طبقة ، والتي تتكون من دهون على شكل أحماض دهنية. الأجزاء الخارجية ، في المقابل ، هي محبة للماء، أو البحث عن الماء ، وتتكون من أجزاء الفوسفات من جزيئات الفسفوليبيد.

وهكذا فإن "جدار" واحد من رؤوس الفوسفات المحبة للماء يواجه الجزء الداخلي من العضية (أو في حالة غشاء الخلية بحد ذاته ، السيتوبلازم) بينما يواجه الآخر الجانب الخارجي أو السيتوبلازمي (أو في حالة غشاء الخلية ، السطح الخارجي بيئة).

هيكل الغشاء هو أن الجزيئات الصغيرة مثل الجلوكوز والماء يمكن أن تنجرف بحرية بين جزيئات الفسفوليبيد ، في حين أن الجزيئات الأكبر لا يمكن ويجب ضخها بنشاط داخل أو خارج (أو رفض المرور ، فترة). مرة أخرى ، الهيكل يناسب الوظيفة.

في حين لا يُطلق عليها عادةً اسم عضية نظرًا لأهميتها القصوى ، إلا أن النواة هي في الواقع تجسيد لعضية واحدة. يسمى غشاء البلازما الخاص به المغلف النووي. تحتوي النواة على DNA معبأ في الكروماتينية، وهي مادة غنية بالبروتين تنقسم إلى كروموسومات.

عندما تنقسم الكروموسومات ، والنواة معها ، تسمى العملية الانقسام المتساوي. لكي يحدث هذا ، فإن المغزل الإنقسامية يجب أن تنشأ داخل النواة ، والتي هي أساسًا دماغ الخلية وتستهلك جزءًا كبيرًا من الحجم الكلي لمعظم الخلايا.

هذه العضيات البيضاوية الشكل تقريبًا هي محطات توليد الطاقة لحقيقيات النوى ، لأنها موقع التنفس الهوائي ("بالأكسجين") ، ومصدر معظم الطاقة التي تستمدها حقيقيات النوى من الوقود الذي تأكله (في حالة الحيوانات) أو توليفها بمساعدة ضوء الشمس (في حالة النباتات).

يُعتقد أن الميتوكوندريا نشأت منذ أكثر من ملياري عام عندما اختتمت البكتيريا الهوائية داخل الخلايا الموجودة غير الهوائية وبدأت تتعاون معها في التمثيل الغذائي. الطيات العديدة في غشاءها ، حيث يحدث التنفس الهوائي بالفعل ، هي مثال آخر على التقاء البنية والوظيفة في الخلايا.

تشبه هذه البنية الغشائية "طريقًا سريعًا" من حيث أنها تصل من النواة (وهي في الواقع مرتبطة بغشاءها) ، عبر الخلية ، وصولًا إلى أقاصي السيتوبلازم. يحمل ويعدل المنتجات البروتينية التي تصنعها الريبوسومات.

تسمى بعض الشبكة الإندوبلازمية الشبكة الإندوبلازمية الخشنة لأنه مرصع بالريبوسومات ، كما يمكن رؤيته تحت المجهر ؛ تسمى الأشكال التي تفتقر إلى الريبوسومات بالمقابل الشبكة الإندوبلازمية الملساء.

ال جهاز جولجي يشبه الشبكة الإندوبلازمية من حيث أنه يحزم ويعالج البروتينات وغيرها من الخلايا المولدة المواد ، لكنها مرتبة في أقراص مستديرة مكدسة ، مثل لفافة من العملات المعدنية أو كومة من الفطائر الصغيرة.

الجسيمات المحللة هي مراكز التخلص من النفايات في الخلية ، وبناءً على ذلك ، تحتوي هذه الأجسام الكروية الصغيرة على إنزيمات تذوب وتوزع منتجات تكسير الخلايا الناتجة عن التمثيل الغذائي اليومي. الجسيمات الحالة هي في الواقع نوع من فجوة عصارية، اسم لوحدة مجوفة مرتبطة بالغشاء في الخلايا الغرض منها أن تكون بمثابة حاوية للمواد الكيميائية من نوع ما.

ال الهيكل الخلوي مصنوع من أنابيب مجهرية، البروتينات مرتبة مثل براعم الخيزران الصغيرة وتعمل كعوارض وعوارض دعم هيكلي. تمتد هذه عبر السيتوبلازم بأكمله من النواة إلى غشاء الخلية.