Co dělají všechny části buňky?

Buňky jsou základními stavebními kameny života. Méně poeticky jsou to nejmenší jednotky živých věcí, které si zachovávají všechny základní vlastnosti spojené se samotným životem (např. Syntéza bílkovin, spotřeba paliva a genetický materiál). Výsledkem je, že i přes svou malou velikost musí buňky vykonávat širokou škálu funkcí, koordinovaných i nezávislých. To zase znamená, že musí obsahovat širokou škálu odlišných fyzických částí.

Většina prokaryotických organismů se skládá pouze z jedné buňky, zatímco těla eukaryot, jako jste vy, obsahují biliony. Eukaryotické buňky obsahují specializované struktury zvané organely, které zahrnují membránu podobnou té, která obklopuje celou buňku. Tyto organely jsou pozemními jednotkami buňky a neustále se starají o to, aby byly splněny všechny okamžité potřeby buňky.

Všechny buňky obsahují v absolutním minimu buněčnou membránu, genetický materiál a cytoplazmu, nazývanou také cytosol. Tímto genetickým materiálem je deoxyribonukleová kyselina nebo DNA. U prokaryot je DNA shlukována v jedné části cytoplazmy, ale není uzavřena membránou, protože pouze eukaryoty mají jádro. Všechny buňky mají buněčnou membránu sestávající z fosfolipidové dvojvrstvy; prokaryotické buňky mají buněčnou stěnu přímo mimo buněčnou membránu pro větší stabilitu a ochranu. Buňky rostlin, které spolu s houbami a zvířaty jsou eukaryoty, mají také buněčné stěny.

Všechny buňky mají také ribozomy. U prokaryot se tyto volně vznášejí v cytoplazmě; u eukaryot jsou obvykle vázány na endoplazmatické retikulum. Ribozomy jsou často klasifikovány jako druh organel, ale v některých schématech se nekvalifikují jako takové, protože jim chybí membrána. Neoznačení organel ribosomů vede ke konzistentnosti schématu „pouze eukaryoty mají organely“. Tyto eukaryotické organely zahrnují kromě endoplazmatického retikula také mitochondrie (nebo v rostlinách, chloroplasty), Golgiho těla, lysozomy, vakuoly a cytoskelet.

Buněčná membrána, nazývaná také plazmatická membrána, je fyzickou hranicí mezi vnitřním prostředím buňky a vnějším světem. Nezaměňujte však toto základní hodnocení s návrhem, že role buněčné membrány je pouze ochranná, nebo že membrána je pouze jakýmsi druhem svévolné vlastnosti. Tato vlastnost všech buněk, prokaryotických i eukaryotických, je produktem několika miliard let evoluce a je v ve skutečnosti multifunkční, dynamický zázrak, který pravděpodobně funguje spíše jako entita se skutečnou inteligencí než pouhá bariéra.

Buněčná membrána se skvěle skládá z fosfolipidové dvojvrstvy, což znamená, že je složena ze dvou identických vrstev složených z molekul fosfolipidů (nebo přesněji fosfoglycerolipidů). Každá jednotlivá vrstva je asymetrická a skládá se z jednotlivých molekul, které nesou něco ve vztahu k chobotnicím nebo k balónkům s několika střapci. „Hlavy“ jsou fosfátové části, které mají síťovou nerovnováhu elektrochemického náboje a jsou proto považovány za polární. Protože voda je také polární a protože molekuly s podobnými elektrochemickými vlastnostmi mají tendenci agregovat dohromady, je tato část fosfolipidu považována za hydrofilní. „Ocasy“ jsou lipidy, konkrétně pár mastných kyselin. Na rozdíl od fosforečnanů nejsou nabité a jsou tedy hydrofobní. Fosfát je navázán na jednu stranu glycerolového zbytku se třemi uhlíky ve středu molekuly a dvě mastné kyseliny jsou spojeny s druhou stranou.

Protože hydrofobní lipidové konce se v roztoku spontánně spojují, je dvojvrstva nastavena tak, že dva fosfátové vrstvy směřují ven a směrem do vnitřku buňky, zatímco dvě lipidové vrstvy se mísí na vnitřní straně dvouvrstvá. To znamená, že dvojité membrány jsou zarovnány jako zrcadlové obrazy, jako jsou dvě strany vašeho těla.

Membrána neudržuje pouze to, aby se škodlivé látky nedostaly dovnitř. Je selektivně propustný a umožňuje životně důležité látky, ale vylučuje ostatní, jako vyhazovač v módním nočním klubu. Také selektivně umožňuje vyhazování odpadních produktů. Některé proteiny vložené do membrány fungují jako iontová čerpadla k udržení rovnováhy (chemické rovnováhy) v buňce.

Buněčná cytoplazma, alternativně nazývaná cytosol, představuje guláš, ve kterém různé složky buňky „plavou“. Všechny buňky, prokaryotické a eukaryotické, mají cytoplazmu, bez níž by buňka nemohla mít strukturální integritu víc než prázdný balón.

Pokud jste někdy viděli želatinový dezert s kousky ovoce vloženými dovnitř, můžete myslet na želatinu sama jako cytoplazma, ovoce jako organely a miska, která drží želatinu jako buněčnou membránu nebo buňku stěna. Konzistence cytoplazmy je vodnatá a označuje se také jako matrice. Bez ohledu na typ dotyčné buňky obsahuje cytoplazma mnohem vyšší hustotu proteinů a molekulární „mašinérii“ než oceánská voda nebo jiné neživé prostředí, které je dokladem práce buněčné membrány při udržování homeostázy (jiné slovo pro „rovnováhu“, jak je aplikováno na živé věci) uvnitř buňky.

U prokaryot, genetického materiálu buňky, DNA, kterou používá k reprodukci a směrování zbytku buňky k výrobě proteinových produktů pro živý organismus, se nachází v cytoplazmě. V eukaryotech je uzavřena ve struktuře zvané jádro.

Jádro je vymezeno z cytoplazmy jaderným obalem, který je fyzicky podobný plazmatické membráně buňky. Jaderná obálka obsahuje jaderné póry, které umožňují příliv a odchod určitých molekul. Tato organela je největší v jakékoli buňce, představuje až 10 procent objemu buňky, a je snadno viditelná pomocí jakéhokoli mikroskopu dostatečně silného na to, aby odhalila samotné buňky. Vědci věděli o existenci jádra od 30. let 20. století.

Uvnitř jádra je chromatin, název formy DNA má název, když se buňka nepřipravuje na rozdělení: stočený, ale nerozdělený na chromozomy, které se při mikroskopii jeví jako odlišné. Nukleolus je část jádra obsahující rekombinantní DNA (rDNA), DNA určenou pro syntézu ribozomální RNA (rRNA). Nakonec je nukleoplazma vodnatá látka uvnitř jaderného obalu, která je analogická cytoplazmě ve vlastní buňce.

Kromě ukládání genetického materiálu určuje jádro, kdy se buňka bude dělit a rozmnožovat.

Mitochondrie se nacházejí ve zvířecích eukaryotech a představují „elektrárny“ buněk, protože v těchto podlouhlých organelách dochází k aerobnímu dýchání. Aerobní dýchání generuje 36 až 38 molekul ATP nebo adenosintrifosfátu (hlavní zdroj energie buněk) pro každou molekulu glukózy (hlavní měna paliva v těle), kterou spotřebuje; glykolýza na druhou stranu, která nevyžaduje kyslík, generuje pouze asi jednu desetinu tohoto množství energie (4 ATP na molekulu glukózy). Bakterie se mohou dostat na samotnou glykolýzu, ale eukaryoty ne.

Aerobní dýchání probíhá ve dvou krocích, na dvou různých místech v mitochondriích. Prvním krokem je Krebsův cyklus, řada reakcí, ke kterým dochází na mitochondriální matrici, která je podobná nukleoplazmě nebo cytoplazmě jinde. V Krebsově cyklu - nazývaném také cyklus kyseliny citronové nebo cyklus trikarboxylové kyseliny - dvě molekuly pyruvátu, molekula se třemi uhlíky produkovaná glykolýzou, vstupuje do matrice pro každou jednu molekulu glukózy se šesti uhlíky spotřebované. Tam pyruvát prochází cyklem reakcí, které generují materiál pro další Krebsovy cykly a další Důležité je, že vysokoenergetické nosiče elektronů pro další krok v aerobním metabolismu, transport elektronů řetěz. Tyto reakce probíhají na mitochondriální membráně a jsou prostředkem, kterým se molekuly ATP uvolňují během aerobního dýchání.

Zvířata, rostliny a houby jsou eukaryoty, které v současnosti obývají Zemi. Zatímco zvířata využívají k výrobě paliva, vody a oxidu uhličitého glukózu a kyslík, rostliny k výrobě kyslíku a glukózy využívají vodu, oxid uhličitý a sluneční energii. Pokud toto uspořádání nevypadá jako náhoda, není; proces, který rostliny používají pro své metabolické potřeby, se nazývá fotosyntéza a jedná se v podstatě o aerobní dýchání, které probíhá přesně opačným směrem.

Protože rostlinné buňky pomocí kyslíku nerozkládají vedlejší produkty glukózy, mitochondrie nemají ani nepotřebují. Místo toho mají rostliny chloroplasty, které ve skutečnosti přeměňují světelnou energii na chemickou. Každá rostlinná buňka má kdekoli od 15 nebo 20 do přibližně 100 chloroplastů, o nichž se předpokládá, že jako mitochondrie ve zvířecích buňkách kdysi existovaly jako volně stojící bakterie ve dnech před vývojem eukaryot po zjevném pohlcení těchto menších organismů a začlenění metabolického aparátu těchto bakterií do jejich vlastní.

Pokud jsou mitochondrie elektrárny buněk, jsou továrnami ribozomy. Ribozomy nejsou vázány membránami a nejsou tedy technicky organely, ale pro větší pohodlí jsou často seskupeny do skutečných organel.

Ribozomy se nacházejí v cytoplazmě prokaryot a eukaryot, ale na druhém jsou často připojeny k endoplazmatickému retikulu. Skládají se z asi 60 procent bílkovin a asi 40 procent rRNA. rRNA je nukleová kyselina, jako je DNA, messenger RNA (mRNA) a transfer RNA (tRNA).

Ribozomy existují z jednoho prostého důvodu: k výrobě proteinů. Dělají to procesem translace, což je přeměna genetických instrukcí kódovaných v rRNA prostřednictvím DNA na proteinové produkty. Ribozomy shromažďují proteiny z 20 typů aminokyselin v těle, z nichž každá je dopravována k ribozomu určitým typem tRNA. Pořadí, ve kterém jsou tyto aminokyseliny přidávány, je specifikováno mRNA, z nichž každá obsahuje informace odvozené od jedné DNA gen - to je délka DNA, která slouží jako plán pro jediný proteinový produkt, ať už je to enzym, hormon nebo oko pigment.

Překlad je považován za třetí a poslední část takzvaného centrálního dogmatu biologie malého rozsahu: DNA vytváří mRNA a mRNA vytváří nebo alespoň nese pokyny pro proteiny. Ve velkém schématu je ribozom jedinou částí buňky, která se při svém fungování spoléhá na všechny tři standardní typy RNA (mRNA, rRNA a tRNA).

Většina zbývajících organel jsou vezikuly nebo biologické „vaky“ nějakého druhu. Golgiho těla, která mají při mikroskopickém vyšetření charakteristické uspořádání „lívanců“, obsahují nově syntetizované proteiny; těla Golgiho těla je uvolňují v malých vezikulích jejich sevřením, přičemž tato malá těla mají svou vlastní uzavřenou membránu. Většina z těchto malých vezikul končí v endoplazmatickém retikulu, které je jako dálniční nebo železniční systém pro celou buňku. Některé druhy endoplazmatik mají k sobě připojených mnoho ribozomů, které jim pod mikroskopem dodávají „drsný“ vzhled; podle toho se tyto organely nazývají drsné endoplazmatické retikulum nebo RER. Naproti tomu endoplazmatické retikulum bez ribozomů se nazývá hladké endoplazmatické retikulum nebo SER.

Buňky také obsahují lysozomy, vezikuly, které obsahují silné enzymy, které štěpí odpad nebo nežádoucí návštěvníky. Jsou jako mobilní odpověď na uklizenou posádku.