Структурата и функцията на клетката

Клетките представляват най-малките или поне най-неприводимите обекти, които притежават всички качества, свързани с магическата перспектива, наречена „живот“, като напр. метаболизъм (извличане на енергия от външни източници за захранване на вътрешни процеси) и възпроизвеждане. В това отношение те заемат същата ниша в биологията, както атомите в химията: Те със сигурност могат да бъдат разделени на по-малки парчета, но изолирано тези парчета наистина не могат да направят много. Във всеки случай човешкото тяло със сигурност съдържа много от тях - много над 30 трилиона (това са 30 милиона милиона).

Често срещан рефрен както в естествените науки, така и в инженерния свят е „формата отговаря на функцията“. Това по същество означава, че ако нещо има дадена работа, вероятно ще изглежда така, сякаш е способно да я изпълни тази работа; обратно, ако изглежда, че е направено нещо за изпълнение на дадена задача или задачи, тогава има голям шанс това да е точно това, което прави.

Организацията на клетките и процесите, които те извършват, са тясно свързани, дори неразделни и овладяващи основите на клетъчната структура и функция са едновременно възнаграждаващи сами по себе си и необходими за пълно разбиране на същността на живота нещата.

Концепцията за материя - както жива, така и нежива - като състояща се от огромен брой дискретни, подобни единици съществува от времето на Демокрит, гръцки учен, чийто живот обхваща 5 и 4 век пр.н.е. Но тъй като клетките са твърде малки, за да се виждат с невъоръжено око, едва през 17-ти век, след изобретяването на първите микроскопи, всеки успява действително да визуализира тях.

Робърт Хук обикновено се приписва на въвеждането на термина „клетка“ в биологичен контекст през 1665 г., въпреки че работата му в тази област се фокусира върху корк; около 20 години по-късно Антон ван Левенхук открива бактерии. Ще минат още няколко века обаче, преди конкретните части на клетката и техните функции да могат да бъдат изяснени и напълно описани. През 1855 г. относително неясният учен Рудолф Вирхов правилно теоретизира, че живите клетки могат да произхождат само други живи клетки, въпреки че първите наблюдения на хромозомната репликация са все още на няколко десетилетия.

Прокариотите, които обхващат таксономичните области Бактерии и Археи, съществуват от около три и половина милиарда години, което е около три четвърти от възрастта на самата Земя. (Таксономия е науката, занимаваща се с класификацията на живите същества; домейн е категорията от най-високо ниво в йерархията.) Прокариотните организми обикновено се състоят само от една клетка.

Еукариотите, третият домейн, включват животни, растения и гъби - накратко, всичко живо, което всъщност можете да видите без лабораторни инструменти. Смята се, че клетките на тези организми са възникнали от прокариоти в резултат на ендосимбиоза (от гръцки от „живеем заедно вътре“). Преди близо 3 милиарда години клетка погълна аеробна (използваща кислород) бактерия, която служи за целите на двете форми на живот защото "погълнатата" бактерия осигурява средство за производство на енергия за клетката гостоприемник, като същевременно осигурява поддържаща среда за ендосимбионт.
Прочетете повече за приликите и разликите на прокариотните и еукариотните клетки.

Клетките се различават значително по размер, форма и разпределение на съдържанието им, особено в сферата на еукариотите. Тези организми са много по-големи, както и много по-разнообразни от прокариотите и в духа на "форма" отговаря на функция ", посочена по-рано, тези разлики са очевидни дори на нивото на отделните клетки.

Консултирайте се с всяка клетъчна диаграма и без значение към кой организъм принадлежи клетката, вие сте сигурни, че виждате определени характеристики. Те включват a плазмената мембрана, който затваря клетъчното съдържание; на цитоплазма, която е желеобразна среда, формираща по-голямата част от вътрешността на клетката; дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК), генетичният материал, който клетките преминават към дъщерните клетки, които се образуват, когато клетката се раздели на две по време на репродукцията; и рибозоми, които са структури, които са местата на синтеза на протеини.

Прокариотите също имат клетъчна стена, външна за клетъчната мембрана, както и растенията. При еукариотите ДНК е затворена в ядро, което има собствена плазмена мембрана, много подобна на тази, заобикаляща самата клетка.

Плазмената мембрана на клетките се състои от a фосфолипиден двуслой, чиято организация произтича от електрохимичните свойства на съставните му части. Фосфолипидните молекули във всеки от двата слоя включват хидрофилен "глави", които се изтеглят във вода поради заряда им, и хидрофобни „опашки“, които не се зареждат и следователно са склонни да сочат далеч от водата. Хидрофобните части на всеки слой са обърнати един към друг във вътрешността на двойната мембрана. Хидрофилната страна на външния слой е обърната към външността на клетката, докато хидрофилната страна на вътрешния слой е обърната към цитоплазмата.

От решаващо значение е, че плазмената мембрана е полупропусклив, което означава, че по-скоро като изхвърляч в нощен клуб, той дава достъп на определени молекули, като отказва влизане на други. Малки молекули като глюкоза (захарта, която служи като краен източник на гориво за всички клетки) и въглероден диоксид може да се движи свободно в и извън клетката, избягвайки фосфолипидните молекули, подредени перпендикулярно на мембраната като цяло. Други вещества се транспортират активно през мембраната чрез "помпи", задвижвани от аденозин трифосфат (АТФ), нуклеотид, който служи като енергийна "валута" на всички клетки.
Прочетете повече за структурата и функцията на плазмената мембрана.

Ядрото функционира като мозък на еукариотните клетки. Плазмената мембрана около ядрото се нарича ядрена обвивка. Вътре в ядрото са хромозоми, които са „парчета“ от ДНК; броят на хромозомите варира при различните видове (хората имат 23 различни вида, но общо 46 - по един от всеки тип от майката и един от бащата).

Когато една еукариотна клетка се раздели, ДНК вътре в ядрото прави това първо, след като всички хромозоми се репликират. Този процес, т.нар митоза, е подробно описано по-късно.

Рибозомите се намират в цитоплазмата както на еукариотните, така и на прокариотните клетки. В еукариотите те са групирани по определени органели (мембранно-свързани структури, които имат специфични функции, като органи като черния дроб и бъбреците правят в тялото в по-голям мащаб). Рибозомите произвеждат протеини, като използват инструкции, носени в "кода" на ДНК и предадени на рибозомите чрез рибонуклеинова киселина (mRNA).

След като иРНК се синтезира в ядрото, използвайки ДНК като шаблон, тя напуска ядрото и се прикрепва към рибозомите, които събират протеини измежду 20 различни аминокиселини. Процесът на получаване на иРНК се нарича транскрипция, докато самият протеинов синтез е известен като превод.

Никое обсъждане на еукариотния клетъчен състав и функция не може да бъде пълно или дори уместно без задълбочено лечение на митохондриите. Тези органели, които са забележителни поне по два начина: Те са помогнали на учените да научат много за еволюционния произход на клетки като цяло и те са почти единствено отговорни за разнообразието на еукариотния живот, като позволяват развитието на клетъчните дишане.

Всички клетки използват шествъглеродната захар глюкоза за гориво. Както при прокариотите, така и при еукариотите, глюкозата претърпява поредица от химични реакции, обозначени заедно гликолиза, който генерира малко количество АТФ за нуждите на клетката. При почти всички прокариоти това е краят на метаболитната линия. Но при еукариотите, които са способни да използват кислород, продуктите на гликолизата преминават в митохондриите и претърпяват допълнителни реакции.

Първият от тях е Цикъл на Кребс, който създава малко количество АТФ, но най-вече функционира за натрупване на междинни молекули за големия финал на клетъчното дишане, електронна транспортна верига. Цикълът на Кребс се провежда в матрица на митохондриите (версията на органелата на частна цитоплазма), докато електронната транспортна верига, който произвежда преобладаващото мнозинство от АТФ в еукариотите, транспирира се във вътрешния митохондриален мембрана.

Еукариотните клетки могат да се похвалят с редица специализирани елементи, които подчертават обширните, взаимосвързани метаболитни нужди на тези сложни клетки. Те включват:

• Ендоплазмения ретикулум: Тази органела представлява мрежа от тубули, състояща се от плазмена мембрана, която е непрекъсната с ядрената обвивка. Неговата работа е да модифицира новопроизведените протеини, за да ги подготви за техните клетъчни функции надолу по веригата като ензими, структурни елементи и така нататък, като ги приспособи към специфичните нужди на клетката. Също така произвежда въглехидрати, липиди (мазнини) и хормони. Ендоплазменият ретикулум се появява като гладък или груб при микроскопия, форми, които са съкратени съответно SER и RER. RER е обозначен така, защото е "обсипан" с рибозоми; тук се появява модификацията на протеина. SER, от друга страна, е мястото, където се сглобяват гореспоменатите вещества.
• Тела на Голджи: Наричан още апарат на Голджи. Прилича на сплескана купчина мембранно обвързани торбички и тя пакетира липиди и протеини везикули които след това се откъсват от ендоплазмения ретикулум. Везикулите доставят липидите и протеините до други части на клетката.
  
• Лизозоми: Всички метаболитни процеси генерират отпадъци и клетката трябва да притежава средство да се отърве от тях. За тази функция се грижат лизозомите, които съдържат храносмилателни ензими, които разграждат протеини, мазнини и други вещества, включително самите износени органели.
• Вакуоли и везикули: Тези органели са торбички, които се преместват около различни клетъчни компоненти, като ги пренасят от едно вътреклетъчно място на следващото. Основните разлики са, че везикулите могат да се слеят с други мембранни компоненти на клетката, докато вакуолите не могат. В растителните клетки някои вакуоли съдържат храносмилателни ензими, които могат да разграждат големи молекули, за разлика от лизозомите.
• Цитоскелет: Този материал се състои от микротубули, протеинови комплекси, които предлагат структурна подкрепа, като се простира от ядрото през цитоплазмата до плазмената мембрана. В това отношение те са като гредите и гредите на сградата, действайки така, че да не позволят цялата динамична клетка да се срути върху себе си.

Когато бактериалните клетки се делят, процесът е прост: Клетката копира всички свои елементи, включително своите ДНК, докато приблизително се удвоява по размер, и след това се разделя на две в процес, известен като двоично делене.

Делението на еукариотните клетки е по-ангажирано. Първо, ДНК в ядрото се репликира, докато ядрената обвивка се разтваря и след това репликираните хромозоми се разделят на дъщерни ядра. Това е известно като митоза и се състои от четири отделни етапа: профаза, метафаза, анафаза и телофаза; много източници вмъкват пети етап, наречен прометафаза, веднага след профазата. След това ядрото се разделя и около двата еднакви комплекта хромозоми се образуват нови ядрени обвивки.

И накрая, клетката като цяло се разделя в процес, известен като цитокинеза. Когато в ДНК присъстват определени дефекти благодарение на наследствени малформации (мутации) или наличие на увреждащи химикали, клетъчното делене може да продължи непроверено; това е основата за раковите заболявания, група от заболявания, за които все още няма лечение, въпреки че лечението продължава да се подобрява, за да позволи значително подобрено качество на живот.