Struktura a funkce buňky

Buňky představují nejmenší nebo přinejmenším nejvíce neredukovatelné objekty, které mají všechny vlastnosti spojené s kouzelnou perspektivou zvanou „život“, jako například metabolismus (těžba energie z vnějších zdrojů k napájení vnitřních procesů) a reprodukce. V tomto ohledu zaujímají v biologii stejné mezery jako atomy v chemii: Určitě je lze rozdělit na menší kousky, ale izolovaně tyto kousky nedokážou opravdu hodně. V každém případě je lidské tělo určitě obsahuje hodně - více než 30 bilionů (to je 30 milión milión).

Společným refrénem v přírodních vědách i ve strojírenském světě je „forma odpovídá funkci“. Tento v podstatě to znamená, že pokud má něco danou práci dělat, pravděpodobně to bude vypadat, že je schopná dělat tu práci; naopak, pokud se zdá, že je něco vytvořeno pro splnění daného úkolu nebo úkolů, pak je velká šance, že právě to ta věc dělá.

Organizace buněk a procesy, které provádějí, jsou úzce spjaty, dokonce neoddělitelné a zvládají základy buněčné struktury a funkce jsou samy o sobě přínosné a nezbytné pro úplné pochopení podstaty života věci.

Koncept hmoty - živé i neživé - sestávající z velkého množství diskrétních, podobných jednotek existuje od té doby Demokrita, řeckého učence, jehož život trval 5. a 4. století př. n. l. Ale protože buňky jsou příliš malé na to, aby je bylo možné vidět s pouhým okem, až v 17. století, po vynálezu prvních mikroskopů, byl kdokoli schopen skutečně vizualizovat jim.

Robert Hooke je obecně připočítán s vytvořením termínu "buňka" v biologickém kontextu v roce 1665, ačkoli jeho práce v této oblasti se zaměřila na korek; asi o 20 let později objevil Anton van Leeuwenhoek bakterie. Bylo by to však ještě několik století, než by mohly být vyjasněny a plně popsány konkrétní části buňky a jejich funkce. V roce 1855 poměrně obskurní vědec Rudolph Virchow správně předpokládal, že živé buňky mohou pocházet pouze z jiné živé buňky, i když první pozorování replikace chromozomů byla ještě pár desítek let daleko.

Prokaryoty, které pokrývají taxonomické domény Bakterie a Archea, existují již asi tři a půl miliardy let, což je zhruba tři čtvrtiny věku samotné Země. (Taxonomie je věda zabývající se klasifikací živých věcí; doména je kategorie nejvyšší úrovně v hierarchii.) Prokaryotické organismy se obvykle skládají pouze z jedné buňky.

Eukaryota, třetí doména, zahrnují zvířata, rostliny a houby - zkrátka cokoli naživu, co můžete skutečně vidět bez laboratorních nástrojů. Předpokládá se, že buňky těchto organismů vznikly v důsledku prokaryot endosymbióza (z řečtiny z „společného bydlení uvnitř“). Před téměř 3 miliardami let buňka pohltila aerobní bakterii (využívající kyslík), která sloužila účelům obou forem života protože „spolknutá“ bakterie poskytla hostitelské buňce způsob výroby energie a zároveň poskytla podpůrné prostředí pro endosymbiont.
Přečtěte si více o podobnostech a rozdílech prokaryotických a eukaryotických buněk.

Buňky se velmi liší velikostí, tvarem a rozložením jejich obsahu, zejména v oblasti eukaryot. Tyto organismy jsou mnohem větší a mnohem rozmanitější než prokaryoty a v duchu „formy“ fit funkce “zmíněné dříve, tyto rozdíly jsou patrné i na úrovni jednotlivých buněk.

Projděte si jakýkoli buněčný diagram a bez ohledu na to, k jakému organismu buňka patří, máte jistotu, že uvidíte určité funkce. Patří mezi ně a plazmatická membrána, který obklopuje buněčný obsah; the cytoplazma, což je želé podobné médium tvořící většinu vnitřku buňky; deoxyribonukleová kyselina (DNA), genetický materiál, který buňky procházejí do dceřiných buněk, které se tvoří, když se buňka během reprodukce rozdělí na dvě; a ribozomy, což jsou struktury, které jsou místy syntézy proteinů.

Prokaryoty mají také buněčnou stěnu vně buněčné membrány, stejně jako rostliny. U eukaryot je DNA uzavřena v jádru, které má vlastní plazmatickou membránu velmi podobnou té, která obklopuje samotnou buňku.

Plazmatická membrána buněk se skládá z a fosfolipidová dvojvrstva, jehož organizace vyplývá z elektrochemických vlastností jeho složek. Fosfolipidové molekuly v každé ze dvou vrstev obsahují hydrofilní „hlavy“, které jsou kvůli svému náboji přitahovány k vodě, a hydrofobní „ocasy“, které nejsou nabité, a proto mají sklon směřovat od vody. Hydrofobní části každé vrstvy směřují k sobě na vnitřní straně dvojité membrány. Hydrofilní strana vnější vrstvy směřuje k vnějšku buňky, zatímco hydrofilní strana vnitřní vrstvy směřuje k cytoplazmě.

Rozhodující je, že plazmatická membrána je polopropustný, což znamená, že spíše jako vyhazovač v nočním klubu umožňuje vstup určitým molekulám, zatímco ostatním odepírá vstup. Malé molekuly, jako je glukóza (cukr, který slouží jako hlavní zdroj paliva pro všechny buňky) a oxid uhličitý se může volně pohybovat dovnitř a ven z buňky a vyhýbat se fosfolipidovým molekulám zarovnaným kolmo na membránu jako Celý. Další látky jsou aktivně transportovány přes membránu pomocí „pump“ poháněných adenosintrifosfátem (ATP), nukleotidem, který slouží jako energetická „měna“ všech buněk.
Přečtěte si více o struktuře a funkci plazmatické membrány.

Jádro funguje jako mozek eukaryotických buněk. Plazmová membrána kolem jádra se nazývá jaderná obálka. Uvnitř jádra jsou chromozomy, což jsou „kousky“ DNA; počet chromozomů se u jednotlivých druhů liší (lidé mají 23 odlišných druhů, ale celkem 46 - jeden od každého typu od matky a jeden od otce).

Když se eukaryotická buňka rozdělí, DNA uvnitř jádra tak učiní jako první, poté, co se replikují všechny chromozomy. Tento proces se nazývá mitóza, je podrobně popsáno dále.

Ribozomy se nacházejí v cytoplazmě eukaryotických i prokaryotických buněk. V eukaryotech jsou seskupeny podél určitých organely (struktury vázané na membránu, které mají specifické funkce, jako jsou orgány, jako jsou játra a ledviny, v těle ve větším měřítku). Ribosomy vytvářejí bílkoviny pomocí instrukcí nesených v „kódu“ DNA a přenášených na ribozomy messengerovou ribonukleovou kyselinou (mRNA).

Poté, co je mRNA syntetizována v jádru pomocí DNA jako templátu, opustí jádro a připojí se k ribozomům, které sestavují proteiny z 20 různých aminokyseliny. Proces výroby mRNA se nazývá transkripce, zatímco samotná syntéza bílkovin je známá jako překlad.

Žádná diskuse o složení a funkci eukaryotických buněk nemůže být úplná nebo dokonce relevantní bez důkladné léčby mitochondrií. Tyto organely, které jsou pozoruhodné přinejmenším dvěma způsoby: Pomohly vědcům hodně se naučit o evolučním původu buňky obecně a jsou téměř výlučně zodpovědné za rozmanitost eukaryotického života tím, že umožňují vývoj buněk dýchání.

Všechny buňky používají jako palivo cukr se šesti uhlíky. U prokaryot i eukaryot prochází glukóza řadou chemických reakcí, které se souhrnně nazývají glykolýza, který generuje malé množství ATP pro potřeby buňky. U téměř všech prokaryot je to konec metabolické linie. Ale u eukaryot, které jsou schopné využívat kyslík, produkty glykolýzy procházejí do mitochondrií a podstupují další reakce.

První z nich je Krebsův cyklus, který vytváří malé množství ATP, ale většinou slouží k hromadění mezilehlých molekul pro velké finále buněčného dýchání, elektronový transportní řetězec. Krebsův cyklus se odehrává v matice mitochondrií (organelská verze soukromé cytoplazmy), zatímco elektronový transportní řetězec, který produkuje drtivou většinu ATP u eukaryot, se projevuje na vnitřním mitochondriu membrána.

Eukaryotické buňky se mohou pochlubit řadou specializovaných prvků, které podtrhují rozsáhlé, vzájemně související metabolické potřeby těchto komplexních buněk. Tyto zahrnují:

• Endoplazmatické retikulum: Tato organela je síť tubulů sestávající z plazmatické membrány, která je spojitá s jaderným obalem. Jeho úkolem je upravit nově vyrobené proteiny, aby se připravily na jejich následné buněčné funkce jako enzymy, strukturní prvky atd., A přizpůsobit je specifickým potřebám buňky. Vyrábí také sacharidy, lipidy (tuky) a hormony. Endoplazmatické retikulum se v mikroskopii jeví buď jako hladké, nebo drsné, což jsou formy se zkráceným SER a RER. RER je tak označen, protože je „posetý“ ribozomy; zde dochází k modifikaci proteinu. Na druhé straně SER je místo, kde jsou shromážděny výše uvedené látky.
• Golgiho těla: Také se nazývá Golgiho aparát. Vypadá to jako zploštělá hromada vaků vázaných na membránu a balí se do nich lipidy a bílkoviny vezikuly které se pak odlomí od endoplazmatického retikula. Vezikuly dodávají lipidy a proteiny do jiných částí buňky.
  
• Lysosomy: Všechny metabolické procesy vytvářejí odpad a buňka musí mít prostředky, jak se ho zbavit. O tuto funkci se starají lysosomy, které obsahují trávicí enzymy, které štěpí bílkoviny, tuky a další látky, včetně samotných opotřebovaných organel.
• Vakuoly a vezikuly: Tyto organely jsou vaky, které se pohybují kolem různých buněčných složek a přenášejí je z jednoho intracelulárního místa do druhého. Hlavní rozdíly spočívají v tom, že vezikuly mohou fúzovat s jinými membránovými složkami buňky, zatímco vakuoly ne. V rostlinných buňkách obsahují některé vakuoly trávicí enzymy, které mohou štěpit velké molekuly, na rozdíl od lysozomů.
• Cytoskelet: Tento materiál se skládá z mikrotubulů, proteinových komplexů, které nabízejí strukturální podporu prodloužením od jádra přes cytoplazmu až k plazmatické membráně. V tomto ohledu jsou jako trámy a nosníky budovy a působí tak, aby zabránily tomu, aby se celá dynamická buňka sama zhroutila.

Když se bakteriální buňky rozdělí, postup je jednoduchý: Buňka kopíruje všechny její prvky, včetně jejích DNA se přibližně zdvojnásobí a poté se rozdělí na dvě části v procesu známém jako binární štěpení.

Eukaryotické dělení buněk je více zapojeno. Nejprve se DNA v jádře replikuje, zatímco se rozpouští jaderný obal, a poté se replikované chromozomy oddělí do dceřiných jader. Toto se nazývá mitóza a skládá se ze čtyř odlišných fází: profáze, metafáze, anafáze a telofáze; mnoho zdrojů vkládá pátou fázi nazvanou prometafáze hned po profáze. Poté se jádro rozdělí a kolem dvou identických sad chromozomů se vytvoří nové jaderné obálky.

Nakonec se buňka jako celek rozdělí v procesu známém jako cytokineze. Pokud jsou v DNA přítomny určité defekty díky zděděným malformacím (mutacím) nebo přítomnosti škodlivých chemikálií, může buněčné dělení pokračovat nekontrolovaně; toto je základem pro rakovinu, skupinu nemocí, na které stále neexistuje léčba, i když se léčba stále zlepšuje, aby umožnila výrazně lepší kvalitu života.