هيكل ووظيفة الخلية

تمثل الخلايا الكائنات الأصغر ، أو على الأقل الأكثر قابلية للاختزال ، والتي تتميز بجميع الصفات المرتبطة بالاحتمال السحري الذي يُطلق عليه "الحياة" ، مثل التمثيل الغذائي (استخراج الطاقة من مصادر خارجية لتشغيل العمليات الداخلية) و التكاثر. في هذا الصدد ، فإنها تحتل نفس المكانة في علم الأحياء مثل الذرات في الكيمياء: يمكن بالتأكيد تقسيمها إلى أجزاء أصغر ، ولكن بمعزل عن هذه القطع ، لا يمكنها فعلاً فعل الكثير. على أي حال ، يحتوي جسم الإنسان بالتأكيد على الكثير منهم - أكثر من 30 تريليون (أي 30 مليون مليون).

لازمة شائعة في كل من العلوم الطبيعية وعالم الهندسة هي "الشكل يناسب الوظيفة". هذا يعني بشكل أساسي أنه إذا كان لدى شيء ما وظيفة معينة للقيام بها ، فمن المحتمل أن يبدو أنه قادر على القيام به أن وظيفة؛ على العكس من ذلك ، إذا ظهر أن شيئًا ما قد تم إنجازه لإنجاز مهمة أو مهام معينة ، فهناك فرصة جيدة لأن هذا هو بالضبط ما يفعله هذا الشيء.

يرتبط تنظيم الخلايا والعمليات التي تنفذها ارتباطًا وثيقًا ، بل لا ينفصلان ، ويتقنون تعتبر أساسيات بنية الخلية ووظيفتها مجزية في حد ذاتها وضرورية لفهم طبيعة الحياة بشكل كامل أشياء.

إن مفهوم المادة - الحية وغير الحية - على أنها تتكون من أعداد هائلة من الوحدات المنفصلة المتشابهة موجودة منذ ذلك الوقت ديموقريطس ، عالم يوناني امتدت حياته إلى القرنين الخامس والرابع قبل الميلاد. ولكن نظرًا لأن الخلايا صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها باستخدام بالعين المجردة ، لم يكن أي شخص قادرًا على تخيله حتى القرن السابع عشر ، بعد اختراع المجاهر الأولى معهم.

يعود الفضل عمومًا إلى روبرت هوك في صياغة مصطلح "خلية" في سياق بيولوجي في عام 1665 ، على الرغم من أن عمله في هذا المجال ركز على الفلين. بعد حوالي 20 عامًا ، اكتشف Anton van Leeuwenhoek البكتيريا. سوف تمر عدة قرون أخرى قبل أن يتم توضيح ووصف الأجزاء المحددة للخلية ووظائفها بشكل كامل. في عام 1855 ، وضع العالم الغامض نسبيًا رودولف فيرشو نظرية مفادها أن الخلايا الحية لا يمكن أن تأتي إلا من خلايا حية أخرى ، على الرغم من أن الملاحظات الأولى لتكاثر الكروموسومات كانت لا تزال على بعد عقدين من الزمن.

بدائيات النوى ، التي تمتد عبر المجالات التصنيفية البكتيريا والأركيا ، كانت موجودة منذ حوالي ثلاثة مليارات ونصف المليار سنة ، أي حوالي ثلاثة أرباع عمر الأرض نفسها. (التصنيف هو العلم الذي يتعامل مع تصنيف الكائنات الحية. نطاق هي أعلى فئة ضمن التسلسل الهرمي.) تتكون الكائنات بدائية النواة عادة من خلية واحدة فقط.

حقيقيات النوى ، المجال الثالث ، تشمل الحيوانات والنباتات والفطريات - باختصار ، أي شيء حي يمكنك رؤيته بالفعل بدون أدوات معملية. يعتقد أن خلايا هذه الكائنات قد نشأت من بدائيات النوى نتيجة لذلك التعايش الداخلي (من اليونانية "العيش معا في الداخل"). منذ ما يقرب من 3 مليارات عام ، ابتلعت خلية بكتيريا هوائية (تستخدم الأكسجين) ، والتي خدمت أغراض شكلي الحياة. لأن البكتيريا "المبتلعة" توفر وسيلة لإنتاج الطاقة للخلية المضيفة مع توفير بيئة داعمة ل التعايش الداخلي.
اقرأ المزيد عن أوجه التشابه والاختلاف بين الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة.

تختلف الخلايا اختلافًا كبيرًا في الحجم والشكل وتوزيع محتوياتها ، خاصةً في عالم حقيقيات النوى. هذه الكائنات أكبر بكثير وكذلك أكثر تنوعًا من بدائيات النوى ، وبروح "الشكل" يناسب الوظيفة "المشار إليها سابقًا ، فإن هذه الاختلافات واضحة حتى على مستوى الخلايا الفردية.

استشر أي مخطط خلية ، وبغض النظر عن الكائن الذي تنتمي إليه الخلية ، فأنت متأكد من رؤية ميزات معينة. وتشمل هذه أ غشاء بلازمي، الذي يحيط بالمحتويات الخلوية ؛ ال السيتوبلازم، وهو وسيط يشبه الهلام يشكل معظم باطن الخلية ؛ الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) ، المادة الوراثية التي تمر بها الخلايا إلى الخلايا الوليدة التي تتشكل عندما تنقسم الخلية إلى اثنتين أثناء التكاثر ؛ والريبوسومات ، وهي الهياكل التي تشكل مواقع تخليق البروتين.

تحتوي بدائيات النوى أيضًا على جدار خلوي خارج غشاء الخلية ، مثل النباتات. في حقيقيات النوى ، يكون الحمض النووي محاطًا بنواة ، لها غشاء بلازما خاص بها مشابه جدًا للغشاء المحيط بالخلية نفسها.

يتكون غشاء البلازما للخلايا من أ طبقة ثنائية الفوسفوليبيد، التي يتبع تنظيمها الخصائص الكهروكيميائية للأجزاء المكونة لها. تتضمن جزيئات الفسفوليبيد في كل من الطبقتين محبة للماء "الرؤوس" التي تنجذب إلى الماء بسبب شحنتها ، و نافرة من الماء "ذيول" ، التي لا تكون مشحونة وبالتالي تميل إلى الابتعاد عن الماء. تواجه الأجزاء الكارهة للماء من كل طبقة بعضها البعض على الجزء الداخلي من الغشاء المزدوج. يواجه الجانب المحب للماء من الطبقة الخارجية السطح الخارجي للخلية ، بينما يواجه الجانب المحب للماء من الطبقة الداخلية السيتوبلازم.

بشكل حاسم ، غشاء البلازما شبه نفاذا، مما يعني أنه مثل الحارس في ملهى ليلي ، فإنه يمنح الدخول إلى جزيئات معينة بينما يمنع دخول الآخرين. جزيئات صغيرة مثل الجلوكوز (السكر الذي يعمل كمصدر وقود نهائي لجميع الخلايا) وثاني أكسيد الكربون يمكن أن تتحرك بحرية داخل وخارج الخلية ، مما يؤدي إلى تفادي جزيئات الفسفوليبيد المحاذاة بشكل عمودي على الغشاء كل. يتم نقل المواد الأخرى بشكل فعال عبر الغشاء بواسطة "مضخات" مدعومة بأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، وهو نيوكليوتيد يعمل بمثابة "عملة" طاقة لجميع الخلايا.
اقرأ المزيد عن هيكل ووظيفة غشاء البلازما.

تعمل النواة كعقل الخلايا حقيقية النواة. يسمى غشاء البلازما حول النواة الغلاف النووي. داخل النواة الكروموسومات، وهي "قطع" من الحمض النووي ؛ يختلف عدد الكروموسومات من نوع لآخر (لدى البشر 23 نوعًا مختلفًا ، ولكن 46 نوعًا في المجموع - واحد من كل نوع من الأم والآخر من الأب).

عندما تنقسم خلية حقيقية النواة ، يقوم الحمض النووي الموجود داخل النواة بذلك أولاً ، بعد تكرار كل الكروموسومات. هذه العملية ، ودعا الانقسام المتساوي، سيتم تفصيله لاحقًا.

تم العثور على الريبوسومات في السيتوبلازم لكل من الخلايا حقيقية النواة والخلايا بدائية النواة. في حقيقيات النوى تتجمع على طول معين العضيات (الهياكل المرتبطة بالغشاء التي لها وظائف محددة ، مثل أعضاء مثل الكبد والكلى في الجسم على نطاق أوسع). تصنع الريبوسومات البروتينات باستخدام التعليمات المنقولة في "كود" الحمض النووي والتي تنتقل إلى الريبوسومات عن طريق الحمض الريبي النووي المرسال (mRNA).

بعد تصنيع الرنا المرسال في النواة باستخدام الحمض النووي كقالب ، فإنه يترك النواة ويلصق نفسه بالريبوسومات ، التي تجمع البروتينات من بين 20 بروتينًا مختلفًا. أحماض أمينية. تسمى عملية صنع mRNA النسخ، بينما يُعرف تخليق البروتين نفسه باسم ترجمة.

لا يمكن أن تكون أي مناقشة لتكوين الخلية حقيقية النواة ووظيفتها كاملة أو حتى ذات صلة بدون معالجة شاملة للميتوكوندريا. هذه العضيات الرائعة من ناحيتين على الأقل: لقد ساعدت العلماء على تعلم الكثير عن الأصول التطورية لـ الخلايا بشكل عام ، وهم المسؤولون الوحيدون تقريبًا عن تنوع الحياة حقيقية النواة من خلال السماح بتطور الخلايا الخلوية التنفس.

تستخدم جميع الخلايا جلوكوز السكر المكون من ستة كربون للوقود. في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى ، يخضع الجلوكوز لسلسلة من التفاعلات الكيميائية تسمى مجتمعة تحلل السكر، والذي يولد كمية صغيرة من ATP لاحتياجات الخلية. في جميع بدائيات النوى تقريبًا ، هذه هي نهاية خط التمثيل الغذائي. ولكن في حقيقيات النوى ، القادرة على استخدام الأكسجين ، تنتقل منتجات تحلل السكر إلى الميتوكوندريا وتخضع لمزيد من التفاعلات.

أول هؤلاء هو دورة كريبس، والذي ينتج كمية صغيرة من ATP ولكنه يعمل في الغالب على تخزين الجزيئات الوسيطة للنهاية الكبرى للتنفس الخلوي ، سلسلة نقل الإلكترون. تجري دورة كريبس في مصفوفة الميتوكوندريا (نسخة العضية من السيتوبلازم الخاص) ، بينما سلسلة نقل الإلكترون ، الذي ينتج الغالبية العظمى من ATP في حقيقيات النوى ، يتحول إلى داخل الميتوكوندريا غشاء.

تفتخر الخلايا حقيقية النواة بعدد من العناصر المتخصصة التي تؤكد على الاحتياجات الأيضية الشاملة والمترابطة لهذه الخلايا المعقدة. وتشمل هذه:

• الشبكة الأندوبلازمية: هذه العضية عبارة عن شبكة من الأنابيب تتكون من غشاء بلازما مستمر مع الغلاف النووي. وتتمثل مهمتها في تعديل البروتينات المصنعة حديثًا لإعدادها لوظائفها الخلوية المصبّة مثل الإنزيمات والعناصر الهيكلية وما إلى ذلك ، وتكييفها وفقًا للاحتياجات المحددة للخلية. كما تقوم بتصنيع الكربوهيدرات والدهون والهرمونات. تظهر الشبكة الإندوبلازمية على أنها إما ناعمة أو خشنة في الفحص المجهري ، وهي أشكال مختصرة SER و RER على التوالي. تم تصنيف RER على هذا النحو لأنه "مرصع" بالريبوسومات ؛ هذا هو المكان الذي يحدث فيه تعديل البروتين. من ناحية أخرى ، فإن SER هو المكان الذي يتم فيه تجميع المواد المذكورة أعلاه.
• جثث جولجي: يُطلق عليه أيضًا جهاز جولجي. يبدو وكأنه كومة مسطحة من الأكياس المرتبطة بالغشاء ، وتعبئ الدهون والبروتينات فيها حويصلات ثم ينفصل عن الشبكة الإندوبلازمية. تنقل الحويصلات الدهون والبروتينات إلى أجزاء أخرى من الخلية.
  
• الجسيمات المحللة: تولد جميع عمليات التمثيل الغذائي نفايات ، ويجب أن تمتلك الخلية وسيلة للتخلص منها. يتم الاعتناء بهذه الوظيفة بواسطة الجسيمات الحالة ، التي تحتوي على إنزيمات هضمية تعمل على تكسير البروتينات والدهون والمواد الأخرى ، بما في ذلك العضيات البالية نفسها.
• الفجوات والحويصلات: هذه العضيات عبارة عن أكياس تنتقل حول مختلف المكونات الخلوية ، وتنقلها من موقع داخل الخلايا إلى آخر. الاختلافات الرئيسية هي أن الحويصلات يمكن أن تندمج مع المكونات الغشائية الأخرى للخلية ، في حين أن الفجوات لا تستطيع ذلك. تحتوي بعض الفجوات في الخلايا النباتية على إنزيمات هضمية يمكنها تكسير الجزيئات الكبيرة ، على عكس الليزوزومات.
• الهيكل الخلوي: تتكون هذه المادة من الأنابيب الدقيقة ، وهي مجمعات بروتينية توفر الدعم الهيكلي عن طريق الامتداد من النواة عبر السيتوبلازم وصولًا إلى غشاء البلازما. في هذا الصدد ، فهي مثل عوارض وعوارض المبنى ، تعمل على منع الخلية الديناميكية بأكملها من الانهيار على نفسها.

عندما تنقسم الخلايا البكتيرية ، تكون العملية بسيطة: تقوم الخلية بنسخ جميع عناصرها ، بما في ذلك عناصرها الحمض النووي ، بينما يتضاعف حجمه تقريبًا ، ثم ينقسم إلى قسمين في عملية تعرف باسم الانشطار الثنائي.

انقسام الخلايا حقيقية النواة أكثر انخراطًا. أولاً ، يتم تكرار الحمض النووي في النواة بينما يذوب الغلاف النووي ، ثم تنفصل الكروموسومات المنسوخة إلى نواة ابنة. يُعرف هذا باسم الانقسام ، ويتكون من أربع مراحل متميزة: الطور ، الطور ، الطور ، الطور البعيدة ؛ العديد من المصادر تدخل مرحلة خامسة ، تسمى مرحلة ما قبل الطور ، مباشرة بعد الطور الأولي. بعد ذلك ، تنقسم النواة وتتشكل مغلفات نووية جديدة حول مجموعتين متطابقتين من الكروموسومات.

أخيرًا ، تنقسم الخلية ككل في عملية تُعرف باسم يظهر. عند وجود عيوب معينة في الحمض النووي بفضل التشوهات الموروثة (الطفرات) أو وجود مواد كيميائية ضارة ، قد يستمر انقسام الخلايا دون رادع ؛ هذا هو أساس السرطانات ، وهي مجموعة من الأمراض التي لا يوجد علاج لها ، على الرغم من استمرار العلاجات في التحسن للسماح بتحسين نوعية الحياة بشكل كبير.