Κυτταρική φυσιολογία: Μια επισκόπηση της δομής, της λειτουργίας και της συμπεριφοράς

Ως βασικές μονάδες ζωής, τα κύτταρα εκτελούν σημαντικές λειτουργίες στο προκαρυώτες και ευκαρυώτες. Η κυτταρική φυσιολογία επικεντρώνεται στις εσωτερικές δομές και διαδικασίες μέσα στους ζωντανούς οργανισμούς.

Από τη διαίρεση στην επικοινωνία, αυτός ο τομέας μελετά πώς κύτταρα ζήσε, δουλέψε και πέθανε.

Ένα μέρος της κυτταρικής φυσιολογίας είναι η μελέτη του τρόπου με τον οποίο συμπεριφέρονται τα κύτταρα. Υπάρχει ένας σημαντικός σύνδεσμος μεταξύ της δομής των κυττάρων, της λειτουργίας και της συμπεριφοράς. Για παράδειγμα, οργανίδια στα ευκαρυωτικά έχουν συγκεκριμένους ρόλους που βοηθούν τη λειτουργία του κυττάρου και συμπεριφέρεται σωστά.

Όταν καταλαβαίνετε τη φυσιολογία και τη βιολογία των κυττάρων, ο τρόπος συμπεριφοράς ενός κυττάρου έχει νόημα. Συντονισμένη συμπεριφορά είναι σημαντικό για τους πολυκύτταρους οργανισμούς, επειδή υπάρχουν πολλά κύτταρα που πρέπει να συνεργαστούν. Η σωστή συμπεριφορά των κυττάρων δημιουργεί λειτουργικούς ιστούς και έναν υγιή οργανισμό.

Ωστόσο, όταν η συμπεριφορά των κυττάρων πάει στραβά, μπορεί να οδηγήσει σε ασθένειες, όπως ο καρκίνος. Για παράδειγμα, εάν κυτταρική διαίρεση είναι εκτός ελέγχου, τα κύτταρα μπορούν να πολλαπλασιαστούν και να σχηματίσουν όγκους.

Αν και τα κελιά μπορεί να διαφέρουν, υπάρχουν βασικές συμπεριφορές που πολλές από αυτές μοιράζονται. Περιλαμβάνουν:

• Κυτταρική διαίρεση και ανάπτυξη. Τα κύτταρα πρέπει να αναπτύσσονται και να διαιρούνται με την πάροδο του χρόνου. Η μίωση και η μύωση είναι οι δύο πιο συνηθισμένοι τύποι κυτταρικής διαίρεσης. Μίτωσις παράγει δύο πανομοιότυπα θυγατρικά κύτταρα, ενώ η μύωση δημιουργεί τέσσερα διαφορετικά θυγατρικά κύτταρα με το μισό DNA.
• Κυτταρικός μεταβολισμός. Όλα τα ζωντανά πλάσματα χρειάζονται ενέργεια ή καύσιμο για να ζήσουν και ο μεταβολισμός τους βοηθά να το επιτύχουν. Τα περισσότερα κελιά χρησιμοποιούν είτε κυτταρική αναπνοή ή φωτοσύνθεση, οι οποίες είναι μια σειρά χημικών διεργασιών.
• Κινητή επικοινωνία. Τα ζωντανά κύτταρα πρέπει συχνά να επικοινωνούν και να διαδίδουν πληροφορίες σε ολόκληρο τον οργανισμό. Μπορούν να χρησιμοποιήσουν υποδοχείς ή προσδέματα, συνδέσμους κενού ή πλασμωδικά δεδομένα για επικοινωνία.
• Κυτταρική μεταφορά. Η κυτταρική μεταφορά μετακινεί υλικά σε ένα α κυτταρική μεμβράνη. Αυτό μπορεί να είναι ενεργή ή παθητική μεταφορά.
• Κυτταρική κινητικότητα. Η κινητικότητα επιτρέπει στα κελιά να μετακινούνται από τη μία τοποθεσία στην άλλη. Μπορούν να κολυμπούν, να σέρνονται, να γλιστρούν ή να χρησιμοποιούν άλλες μεθόδους.
  

Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τη φυσιολογία των κυττάρων και τη μεταφορά μεμβρανών. Οι οργανισμοί πρέπει να μεταφέρουν ουσίες μέσα και έξω από τα κύτταρα τους και κατά μήκος της λιπιδικής διπλής στιβάδας της μεμβράνης πλάσματος.

Παθητική και ενεργή μεταφορά είναι δύο συνηθισμένοι τύποι κυτταρικής μεταφοράς. Υπάρχουν κάποιες βασικές διαφορές μεταξύ ενεργητικής και παθητικής μεταφοράς.

Η παθητική μεταφορά δεν χρησιμοποιεί ενέργεια για τη μετακίνηση ουσιών. Μια μέθοδος που χρησιμοποιούν τα κελιά είναι διάχυσηκαι μπορείτε να το χωρίσετε σε απλός ή διευκολύνεται διάχυση. Οι ουσίες μπορούν να μετακινηθούν από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλής συγκέντρωσης. Η όσμωση είναι ένα παράδειγμα απλής διάχυσης που περιλαμβάνει νερό.

Απλή διάχυση περιλαμβάνει μόρια που κινούνται προς τα κάτω στην κλίση συγκέντρωσης μέσω της μεμβράνης πλάσματος. Αυτά τα μόρια είναι μικρά και μη πολικά. Διευκόλυνση της διάχυσης είναι παρόμοιο αλλά περιλαμβάνει κανάλια μεταφοράς μεμβράνης. Τα μεγάλα και πολικά μόρια εξαρτώνται από τη διευκόλυνση της διάχυσης.

Ενεργή μεταφορά χρειάζεται ενέργεια για να μετακινήσει ουσίες. Τα μόρια μπορούν να κινηθούν ενάντια στη βαθμίδα συγκέντρωσης από περιοχές χαμηλής συγκέντρωσης σε περιοχές υψηλής συγκέντρωσης χάρη σε πηγές ενέργειας όπως το ATP. Οι πρωτεΐνες φορέα βοηθούν τα κύτταρα κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας και τα κύτταρα μπορούν να χρησιμοποιούν αντλία πρωτονίων ή κανάλι ιόντων.

Ενδοκυττάρωση και εξωκυττάρωση είναι παραδείγματα ενεργού μεταφοράς σε κύτταρα. Βοηθούν στην κίνηση μεγάλων μορίων μέσα στα κυστίδια. Κατά τη διάρκεια της ενδοκυττάρωσης, το κύτταρο συλλαμβάνει ένα μόριο και το μετακινεί μέσα. Κατά τη διάρκεια της εξωκυττάρωσης, το κύτταρο μετακινεί ένα μόριο στο εξωτερικό της μεμβράνης του.

Τα κελιά μπορούν να λαμβάνουν, να ερμηνεύουν και να αποκρίνονται σε σήματα. Αυτός ο τύπος επικοινωνίας τους βοηθά να ανταποκρίνονται στο περιβάλλον τους και να διαδίδουν πληροφορίες μέσα σε έναν πολυκυτταρικό οργανισμό. Η σηματοδότηση καθοδηγεί τη συμπεριφορά των κυττάρων επιτρέποντας στα κύτταρα να ανταποκρίνονται σε συγκεκριμένα σήματα από το περιβάλλον τους ή από άλλα κελιά.

Μεταγωγή σήματος είναι ένας άλλος όρος για την κυτταρική σηματοδότηση και αναφέρεται στη μετάδοση πληροφοριών. Ένας καταρράκτης μεταγωγής σήματος είναι ένα μονοπάτι ή μια σειρά χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν μέσα στο κύτταρο μετά την έναρξη ενός ερεθίσματος. Η σηματοδότηση μπορεί να ελέγξει την ανάπτυξη των κυττάρων, την κίνηση, το μεταβολισμό και πολλά άλλα. Ωστόσο, όταν η κυτταρική επικοινωνία πάει στραβά, μπορεί να προκαλέσει ασθένειες όπως ο καρκίνος.

Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τα βασικά της επικοινωνίας των κυττάρων. Η γενική διαδικασία ξεκινά όταν το κελί ανιχνεύει ένα χημικό σήμα. Αυτό πυροδοτεί μια χημική αντίδραση που βοηθά τελικά το κύτταρο να ανταποκριθεί σε αυτό. Υπάρχει μια τελική απόκριση που οδηγεί στο επιθυμητό αποτέλεσμα.

Για παράδειγμα, ένα κελί λαμβάνει ένα σήμα από το σώμα που λέει ότι χρειάζεται περισσότερα κυτταρική διαίρεση. Περνάει από έναν καταρράκτη σηματοδότησης που τελειώνει με την έκφραση γονιδίων που θα οδηγήσουν στην κυτταρική διαίρεση και το κύτταρο αρχίζει να διαιρείται.

Τα περισσότερα από τα σήματα σε ένα κελί είναι χημικά. Τα κύτταρα ονομάζονται πρωτεΐνες υποδοχείς και τα μόρια που ονομάζονται προσδέματα που τους βοηθούν κατά τη διάρκεια της σηματοδότησης.

Για παράδειγμα, ένα κύτταρο μπορεί να απελευθερώσει μια πρωτεΐνη στον εξωκυτταρικό χώρο για να ειδοποιήσει άλλα κύτταρα. Η πρωτεΐνη μπορεί να επιπλέει σε ένα δεύτερο κύτταρο, το οποίο το παίρνει επειδή το κύτταρο έχει τον κατάλληλο υποδοχέα για αυτό. Στη συνέχεια, το δεύτερο κελί λαμβάνει το σήμα και μπορεί να ανταποκριθεί σε αυτό.

Μπορείτε να βρείτε διασταυρώσεις κενού στα ζωικά κύτταρα και πλασμωδικά δεδομένα στα φυτικά κύτταρα, τα οποία είναι κανάλια που βοηθούν τα κύτταρα να επικοινωνούν. Αυτά τα κανάλια συνδέουν κοντινά κελιά. Επιτρέπουν στα μικρά μόρια να περάσουν από αυτά, έτσι ώστε τα σήματα να μπορούν να ταξιδεύουν.

Αφού τα κελιά λάβουν σήματα, μπορούν να τα ερμηνεύσουν. Αυτό συμβαίνει μέσω μιας διαμορφωτικής αλλαγής ή βιοχημικών αντιδράσεων. Οι καταρράκτες μεταγωγής σήματος μπορούν να μετακινήσουν τις πληροφορίες μέσω του κελιού. Η φωσφορυλίωση μπορεί να ενεργοποιήσει ή να απενεργοποιήσει τις πρωτεΐνες προσθέτοντας μια φωσφορική ομάδα.

Ορισμένοι καταρράκτες μεταγωγής σήματος περιλαμβάνουν ενδοκυτταρικούς αγγελιοφόρους ή δεύτερους αγγελιοφόρους, όπως Ca²⁺, cAMP, NO και cGMP. Αυτά τείνουν να είναι μη πρωτεϊνικά μόρια, όπως ιόντα ασβεστίου, που μπορεί να είναι άφθονα στο κύτταρο.

Για παράδειγμα, ορισμένα κύτταρα έχουν πρωτεΐνες που μπορούν να δεσμεύσουν ιόντα ασβεστίου, τα οποία μπορούν να αλλάξουν το σχήμα και τη δραστηριότητα των πρωτεϊνών.

Τα κελιά μπορούν να ανταποκρίνονται σε σήματα με διάφορους τρόπους. Για παράδειγμα, ενδέχεται να κάνουν αλλαγές στο γονιδιακή έκφραση που μπορεί να αλλάξει τον τρόπο συμπεριφοράς του κελιού.

Μπορεί επίσης να στείλουν σήματα ανατροφοδότησης για να επιβεβαιώσουν ότι έλαβαν το αρχικό σήμα και απάντησαν. Τελικά, η σηματοδότηση μπορεί να επηρεάσει τη λειτουργία των κυττάρων.

Κινητικότητα κυττάρων είναι σημαντικό γιατί βοηθά τους οργανισμούς να μετακινούνται από τη μία τοποθεσία στην άλλη. Αυτό μπορεί να είναι απαραίτητο για την απόκτηση τροφής ή τη διαφυγή κινδύνου. Συχνά, το κύτταρο πρέπει να κινηθεί ως απάντηση στις περιβαλλοντικές αλλαγές. Τα κύτταρα μπορεί να σέρνονται, να κολυμπούν, να γλιστρούν ή να χρησιμοποιούν άλλες μεθόδους.

ο μαστίγια και βλεφαρίδες μπορεί να βοηθήσει ένα κελί να κινηθεί. Ο ρόλος των μαστιγίων ή των κτυπημάτων δομών είναι η προώθηση ενός κυττάρου. Ο ρόλος των βλεφαρίδων ή των τριχοειδών δομών είναι να κινείται εμπρός και πίσω σε ένα ρυθμικό μοτίβο. Τα σπερματοζωάρια έχουν μαστίγια, ενώ τα κύτταρα που ευθυγραμμίζουν την αναπνευστική οδό έχουν βλεφαρίδες.

Η κυτταρική σηματοδότηση μπορεί να οδηγήσει σε κυτταρική κίνηση σε οργανισμούς. Αυτή η κίνηση μπορεί να είναι προς ή μακριά από σήματα και μπορεί να παίζει ρόλο στην ασθένεια. Χημειοταξία είναι η κίνηση των κυττάρων προς ή μακριά από μια υψηλότερη χημική συγκέντρωση, και είναι ένα σημαντικό μέρος της κυτταρικής απόκρισης.

Για παράδειγμα, η χημειοταξία επιτρέπει στα καρκινικά κύτταρα να κινηθούν προς μια περιοχή του σώματος που προωθεί περισσότερη ανάπτυξη.

Τα κύτταρα μπορούν να συστέλλονται και αυτός ο τύπος κίνησης συμβαίνει στο μυϊκά κύτταρα. Η διαδικασία ξεκινά με ένα σήμα από το νευρικό σύστημα.

Στη συνέχεια, τα κύτταρα αποκρίνονται ξεκινώντας χημικές αντιδράσεις. Οι αντιδράσεις επηρεάζουν τις μυϊκές ίνες και προκαλούν συστολές.