Strukturen og funktionen af ​​en celle

Celler repræsenterer de mindste eller i det mindste de mest irreducerbare genstande, der har alle de kvaliteter, der er forbundet med det magiske udsyn kaldet "liv", såsom stofskifte (ekstraherer energi fra eksterne kilder til at drive interne processer) og reproduktion. I denne henseende har de samme niche i biologien som atomer gør inden for kemi: De kan bestemt opdeles i mindre stykker, men isoleret set kan disse stykker ikke rigtig gøre meget. Under alle omstændigheder indeholder den menneskelige krop bestemt mange af dem - langt over 30 billioner (det er 30 million million).

Et almindeligt refræn i både naturvidenskab og ingeniørverden er "form passer funktion". Det her betyder i det væsentlige, at hvis noget har et givet job at gøre, vil det sandsynligvis se ud som om det er i stand til at gøre det job; omvendt, hvis noget ser ud til at være lavet til at udføre en given opgave eller opgaver, så er der en god chance for, at dette er præcis, hvad den ting gør.

Organiseringen af ​​celler og de processer, de udfører, er nært beslægtede, endda uadskillelige og mestrer grundlæggende om cellestruktur og funktion er både givende i sig selv og nødvendigt for fuldt ud at forstå livets natur ting.

Begrebet stof - både levende og ikke-levende - som består af et stort antal diskrete, lignende enheder har eksisteret siden tiden af Democritus, en græsk forsker, hvis liv strakte sig over det 5. og 4. århundrede f.Kr. Men da celler er alt for små til at blive set med uden hjælp, var det først i det 17. århundrede, efter opfindelsen af ​​de første mikroskoper, at nogen faktisk kunne visualisere dem.

Robert Hooke er generelt krediteret med at opfinde udtrykket "celle" i en biologisk sammenhæng i 1665, skønt hans arbejde på dette område fokuserede på kork; omkring 20 år senere opdagede Anton van Leeuwenhoek bakterier. Det ville dog gå endnu flere århundreder, før de specifikke dele af en celle og deres funktioner kunne afklares og beskrives fuldt ud. I 1855 teoriserede den relativt uklare videnskabsmand Rudolph Virchow, at levende celler kun kan komme fra andre levende celler, selvom de første observationer af kromosomreplikation stadig var et par årtier væk.

Prokaryoter, der spænder over de taksonomiske domæner Bakterier og Arkæer, har eksisteret i omkring tre og en halv milliard år, hvilket er omkring tre fjerdedele af selve jordens alder. (Taxonomi er videnskaben, der beskæftiger sig med klassificeringen af ​​levende ting; domæne er kategorien på højeste niveau inden for hierarkiet.) Prokaryote organismer består normalt kun af en enkelt celle.

Eukaryoter, det tredje domæne, inkluderer dyr, planter og svampe - kort sagt alt i live, som du rent faktisk kan se uden laboratorieinstrumenter. Cellerne i disse organismer antages at være opstået fra prokaryoter som et resultat af endosymbiose (fra grækerne fra "at bo sammen inde"). For tæt på 3 milliarder år siden opslugte en celle en aerob (iltbrugende) bakterie, der tjente formålet med begge livsformer fordi den "slugte" bakterie tilvejebragte et middel til energiproduktion til værtscellen, mens den tilvejebragte et støttende miljø til endosymbiont.
Læs mere om ligheder og forskelle mellem prokaryote og eukaryote celler.

Celler varierer meget i størrelse, form og distribution af deres indhold, især inden for eukaryoter. Disse organismer er meget større såvel som meget mere forskelligartede end prokaryoter og i ånden af ​​"form passer til funktion "der er henvist til tidligere, er disse forskelle tydelige selv på niveauet for individuelle celler.

Konsulter ethvert cellediagram, og uanset hvilken organisme cellen tilhører, er du sikker på at se visse funktioner. Disse inkluderer en plasma membran, som omslutter det cellulære indhold; det cytoplasma, som er et gelélignende medium, der danner det meste af cellens indre; deoxyribonukleinsyre (DNA), det genetiske materiale, som celler passerer videre til dattercellerne, der dannes, når en celle deler sig i to under reproduktion; og ribosomer, som er strukturer, der er stedet for proteinsyntese.

Prokaryoter har også en cellevæg uden for cellemembranen, ligesom planter har. I eukaryoter er DNA lukket i en kerne, der har sin egen plasmamembran, der ligner den, der omgiver selve cellen.

Plasmamembranen i celler består af en phospholipid dobbeltlaghvis organisering følger af de elektrokemiske egenskaber af dets bestanddele. Fosfolipidmolekylerne i hvert af de to lag inkluderer hydrofil "hoveder", som trækkes til vand på grund af deres ladning, og hydrofob "haler", som ikke er ladede og derfor har en tendens til at pege væk fra vand. De hydrofobe dele af hvert lag vender mod hinanden på det indre af dobbeltmembranen. Den hydrofile side af det ydre lag vender ud mod cellen, mens den hydrofile side af det indre lag vender mod cytoplasmaet.

Det er afgørende, at plasmamembranen er semipermeable, hvilket betyder, at det i stedet for en bouncer på en natklub giver adgang til bestemte molekyler, mens det nægter andre adgang. Små molekyler såsom glukose (sukkeret, der fungerer som den ultimative brændstofkilde for alle celler) og kuldioxid kan bevæge sig frit ind og ud af cellen og undvige de phospholipidmolekyler, der er justeret vinkelret på membranen som en hel. Andre stoffer transporteres aktivt over membranen med "pumper" drevet af adenosintrifosfat (ATP), et nukleotid, der fungerer som energi "valuta" for alle celler.
Læs mere om strukturen og funktionen af ​​plasmamembranen.

Kernen fungerer som hjernen i eukaryote celler. Plasmamembranen omkring kernen kaldes kernekapslen. Inde i kernen er kromosomer, som er "klumper" af DNA; antallet af kromosomer varierer fra art til art (mennesker har 23 forskellige slags, men 46 i alt - en af ​​hver type fra moderen og en fra faderen).

Når en eukaryot celle deler sig, gør DNA'et inde i kernen det først, efter at alle kromosomerne er replikeret. Denne proces kaldes mitose, er detaljeret senere.

Ribosomer findes i cytoplasmaet i både eukaryote og prokaryote celler. I eukaryoter er de grupperet langs visse organeller (membranbundne strukturer, der har specifikke funktioner, som organer som lever og nyrer gør i kroppen i større skala). Ribosomer fremstiller proteiner ved hjælp af instruktioner, der er transporteret i "koden" af DNA og transmitteret til ribosomerne af messenger ribonukleinsyre (mRNA).

Efter at mRNA er syntetiseret i kernen ved hjælp af DNA som en skabelon, forlader den kernen og binder sig til ribosomer, som samler proteiner blandt 20 forskellige aminosyrer. Processen med at fremstille mRNA kaldes transkription, mens proteinsyntese i sig selv er kendt som oversættelse.

Ingen diskussion af eukaryot cellesammensætning og funktion kunne være komplet eller endda relevant uden en grundig behandling af mitokondrier. Disse organeller, der er bemærkelsesværdige på mindst to måder: De har hjulpet forskere med at lære meget om den evolutionære oprindelse celler generelt, og de er næsten eneansvarlige for mangfoldigheden af ​​det eukaryote liv ved at tillade udvikling af cellulær respiration.

Alle celler bruger glukose med seks kulstof til brændstof. I både prokaryoter og eukaryoter gennemgår glucose en række kemiske reaktioner, der kollektivt betegnes glykolyse, der genererer en lille mængde ATP til cellens behov. I næsten alle prokaryoter er dette slutningen på den metaboliske linje. Men i eukaryoter, som er i stand til at bruge ilt, passerer glycolyseprodukterne ind i mitokondrierne og gennemgår yderligere reaktioner.

Den første af disse er Krebs cykler, som skaber en lille mængde ATP, men som oftest fungerer til at oplagre mellemliggende molekyler til den store finale af cellulær respiration, elektrontransportkæde. Krebs-cyklussen finder sted i matrix af mitokondrierne (organelleversionen af ​​et privat cytoplasma), mens elektrontransportkæden, som producerer det overvældende flertal af ATP i eukaryoter, transpirerer på den indre mitokondrie membran.

Eukaryote celler kan prale af en række specialiserede elementer, der understreger de omfattende, indbyrdes forbundne metaboliske behov for disse komplekse celler. Disse inkluderer:

• Endoplasmatisk retikulum: Denne organelle er et netværk af tubuli, der består af en plasmamembran, der er kontinuerlig med kernekapslen. Dets opgave er at modificere nyligt fremstillede proteiner for at forberede dem til deres nedstrøms cellulære funktioner som enzymer, strukturelle elementer og så videre og skræddersy dem til cellens specifikke behov. Det fremstiller også kulhydrater, lipider (fedtstoffer) og hormoner. Det endoplasmatiske retikulum fremstår som enten glat eller groft ved mikroskopi, former, der henholdsvis forkortes SER og RER. RER er så udpeget, fordi den "besat" med ribosomer; dette er hvor proteinmodifikationen finder sted. SER er derimod, hvor de førnævnte stoffer samles.
• Golgi-kroppe: Også kaldet Golgi-apparatet. Det ligner en flad stak af membranbundne sække, og den pakker lipider og proteiner i blærer der derefter bryder væk fra det endoplasmatiske retikulum. Vesiklerne leverer lipiderne og proteinerne til andre dele af cellen.
  
• Lysosomer: Alle metaboliske processer genererer affald, og cellen skal have et middel til at slippe af med det. Denne funktion er taget hånd om af lysosomer, som indeholder fordøjelsesenzymer, der nedbryder proteiner, fedtstoffer og andre stoffer, inklusive udslidte organeller selv.
• Vakuoler og blærer: Disse organeller er sække, der skifter rundt om forskellige cellulære komponenter og tager dem fra et intracellulært sted til det næste. De væsentligste forskelle er, at vesikler kan smelte sammen med andre membranagtige komponenter i cellen, hvorimod vakuoler ikke kan. I planteceller indeholder nogle vakuoler fordøjelsesenzymer, der kan nedbryde store molekyler, ikke ligesom lysosomer gør.
• Cytoskelet: Dette materiale består af mikrotubuli, proteinkomplekser, der tilbyder strukturel støtte ved at strække sig fra kernen gennem cytoplasmaet helt ud til plasmamembranen. I denne henseende er de som bjælker og bjælker i en bygning, der virker for at forhindre, at hele den dynamiske celle kollapser i sig selv.

Når bakterieceller deler sig, er processen enkel: Cellen kopierer alle dens elementer, herunder dens DNA, mens det omtrent fordobles i størrelse og derefter opdeles i to i en proces kendt som binær fission.

Eukaryotisk celledeling er mere involveret. Først replikeres DNA'et i kernen, mens kernekapslen opløses, og derefter adskilles de replikerede kromosomer i datterkerner. Dette er kendt som mitose og består af fire forskellige stadier: profase, metafase, anafase og telofase; mange kilder indsætter et femte trin, kaldet prometaphase, lige efter profase. Derefter deler kernen sig, og der dannes nye nukleare konvolutter omkring de to identiske sæt kromosomer.

Endelig deler cellen sig som helhed i en proces kendt som cytokinese. Når visse defekter er til stede i DNA'et takket være arvelige misdannelser (mutationer) eller tilstedeværelsen af ​​skadelige kemikalier, kan celledeling fortsætte ukontrolleret; dette er grundlaget for kræft, en gruppe af sygdomme, for hvilke der stadig ikke er nogen kur, selvom behandlinger fortsat forbedres for at muliggøre en meget forbedret livskvalitet.