Τι κάνουν όλα τα μέρη ενός κελιού;

Τα κύτταρα είναι τα βασικά δομικά στοιχεία της ζωής. Λιγότερο ποιητικά, είναι οι μικρότερες μονάδες ζωντανών όντων που διατηρούν όλες τις βασικές ιδιότητες που σχετίζονται με την ίδια τη ζωή (π.χ. σύνθεση πρωτεϊνών, κατανάλωση καυσίμου και γενετικό υλικό). Ως αποτέλεσμα, παρά το μικρό τους μέγεθος, τα κύτταρα πρέπει να εκτελούν μια μεγάλη ποικιλία λειτουργιών, τόσο συντονισμένων όσο και ανεξάρτητων. Αυτό με τη σειρά του σημαίνει ότι πρέπει να περιέχουν ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών φυσικών μερών.

Οι περισσότεροι προκαρυωτικοί οργανισμοί αποτελούνται από ένα μόνο κύτταρο, ενώ τα σώματα των ευκαρυωτικών όπως εσείς περιέχουν τρισεκατομμύρια. Τα ευκαρυωτικά κύτταρα περιέχουν εξειδικευμένες δομές που ονομάζονται οργανίδια, οι οποίες περιλαμβάνουν μια μεμβράνη παρόμοια με αυτήν που περιβάλλει ολόκληρο το κύτταρο. Αυτά τα οργανίδια είναι τα επίγεια στρατεύματα του κυττάρου, διασφαλίζοντας συνεχώς ότι ικανοποιούνται όλες οι στιγμές προς στιγμή των κυττάρων.

Όλα τα κύτταρα περιέχουν, στο απόλυτο ελάχιστο, κυτταρική μεμβράνη, γενετικό υλικό και κυτταρόπλασμα, που ονομάζονται επίσης κυτοσόλη. Αυτό το γενετικό υλικό είναι δεοξυριβονουκλεϊνικό οξύ ή DNA. Στα προκαρυωτικά, το DNA συγκεντρώνεται σε ένα μέρος του κυτταροπλάσματος, αλλά δεν περικλείεται από μια μεμβράνη επειδή μόνο οι ευκαρυωτικοί έχουν πυρήνα. Όλα τα κύτταρα έχουν κυτταρική μεμβράνη αποτελούμενη από φωσφολιπιδική διπλή στιβάδα. τα προκαρυωτικά κύτταρα έχουν ένα κυτταρικό τοίχωμα ακριβώς έξω από την κυτταρική μεμβράνη για πρόσθετη σταθερότητα και προστασία. Τα κύτταρα των φυτών, τα οποία μαζί με τους μύκητες και τα ζώα είναι ευκαρυωτικά, έχουν επίσης κυτταρικά τοιχώματα.

Όλα τα κύτταρα έχουν επίσης ριβοσώματα. Στα προκαρυωτικά, αυτά επιπλέουν ελεύθερα στο κυτόπλασμα. στα ευκαρυωτικά συνδέονται συνήθως με το ενδοπλασματικό δίκτυο. Τα ριβοσώματα συχνά ταξινομούνται ως ένας τύπος οργάνης, αλλά σε ορισμένα σχήματα δεν πληρούν τις προϋποθέσεις ως τέτοιες επειδή δεν έχουν μεμβράνη. Η μη επισήμανση των ριβοσωμάτων των οργανιδίων καθιστά το σχήμα "μόνο τα ευκαρυωτικά που έχουν οργανίδια" συνεπή. Αυτά τα ευκαρυωτικά οργανίδια περιλαμβάνουν, εκτός από το ενδοπλασματικό δίκτυο, μιτοχόνδρια (ή σε φυτά, χλωροπλάστες), σώματα Golgi, λυσοσώματα, κενοτόπια και τον κυτταροσκελετό.

Η κυτταρική μεμβράνη, που ονομάζεται επίσης μεμβράνη πλάσματος, είναι ένα φυσικό όριο μεταξύ του εσωτερικού περιβάλλοντος του κυττάρου και του εξωτερικού κόσμου. Ωστόσο, μην κάνετε λάθος αυτήν τη βασική εκτίμηση για την υπόδειξη ότι ο ρόλος της κυτταρικής μεμβράνης είναι απλώς προστατευτικός ή ότι η μεμβράνη είναι απλώς ένα είδος αυθαίρετης γραμμής ιδιοτήτων. Αυτό το χαρακτηριστικό όλων των κυττάρων, προκαρυωτικών καθώς και ευκαρυωτικών, είναι το προϊόν λίγων δισεκατομμυρίων ετών εξέλιξης και βρίσκεται σε στην πραγματικότητα ένα πολυλειτουργικό, δυναμικό θαύμα που λειτουργεί αναμφισβήτητα περισσότερο σαν μια οντότητα με γνήσια νοημοσύνη παρά απλώς εμπόδιο.

Η κυτταρική μεμβράνη αποτελείται φημισμένα από μια διπλή στιβάδα φωσφολιπιδίων, που σημαίνει ότι αποτελείται από δύο όμοια στρώματα που αποτελούνται από μόρια φωσφολιπιδίου (ή πιο σωστά, φωσφογλυκερολιπίδια). Κάθε μονό στρώμα είναι ασύμμετρο, αποτελούμενο από μεμονωμένα μόρια που έχουν σχέση με καλαμάρια ή μπαλόνια που φέρουν μερικές φούντες. Οι "κεφαλές" είναι τα τμήματα φωσφορικών, τα οποία έχουν καθαρή ανισορροπία ηλεκτροχημικού φορτίου και επομένως θεωρούνται πολικά. Επειδή το νερό είναι επίσης πολικό και επειδή μόρια με παρόμοιες ηλεκτροχημικές ιδιότητες τείνουν να συσσωματώνονται μαζί, αυτό το μέρος του φωσφολιπιδίου θεωρείται υδρόφιλο. Οι «ουρές» είναι λιπίδια, συγκεκριμένα ένα ζευγάρι λιπαρών οξέων. Σε αντίθεση με τα φωσφορικά άλατα, αυτά είναι μη φορτισμένα και έτσι υδρόφοβα. Το φωσφορικό προσκολλάται στη μία πλευρά ενός υπολείμματος γλυκερόλης τριών-άνθρακα στη μέση του μορίου, και τα δύο λιπαρά οξέα ενώνονται στην άλλη πλευρά.

Επειδή οι ουρές των υδρόφοβων λιπιδίων συνδέονται αυθόρμητα μεταξύ τους σε διάλυμα, η διπλή στιβάδα ρυθμίζεται έτσι ώστε οι δύο τα στρώματα φωσφορικού βλέπουν προς τα έξω και προς το εσωτερικό των κυττάρων, ενώ τα δύο στρώματα λιπιδίων αναμιγνύονται στο εσωτερικό του διπλής στιβάδας. Αυτό σημαίνει ότι οι διπλές μεμβράνες ευθυγραμμίζονται ως καθρέφτες, όπως και οι δύο πλευρές του σώματός σας.

Η μεμβράνη δεν κρατά απλώς επιβλαβείς ουσίες από το να φτάσουν στο εσωτερικό. Είναι επιλεκτικά διαπερατό, επιτρέποντας ζωτικής σημασίας ουσίες, αλλά φραγή άλλων, όπως το ψευτοπαλλικαρά σε ένα μοντέρνο νυχτερινό κέντρο διασκέδασης. Επιτρέπει επίσης επιλεκτικά την απόρριψη αποβλήτων. Ορισμένες πρωτεΐνες που είναι ενσωματωμένες στη μεμβράνη δρουν ως αντλίες ιόντων για να διατηρήσουν την ισορροπία (χημική ισορροπία) μέσα στο κύτταρο.

Το κυτταρόπλασμα κυττάρων, εναλλακτικά ονομάζεται κυτοσόλιο, αντιπροσωπεύει το στιφάδο στο οποίο τα διάφορα συστατικά του κυττάρου "κολυμπούν". Όλα τα κελιά, προκαρυωτικά και ευκαρυωτικά, έχουν ένα κυτταρόπλασμα, χωρίς το οποίο το κύτταρο δεν θα μπορούσε πλέον να έχει δομική ακεραιότητα από ένα άδειο μπαλόνι.

Εάν έχετε δει ποτέ ένα επιδόρπιο ζελατίνης με κομμάτια φρούτα ενσωματωμένα στο εσωτερικό, ίσως να σκεφτείτε τη ζελατίνη το ίδιο ως το κυτταρόπλασμα, ο καρπός ως οργανίδια και το πιάτο που κρατά τη ζελατίνη ως κυτταρική μεμβράνη ή κύτταρο τείχος. Η συνοχή του κυτοπλάσματος είναι υδαρή, και αναφέρεται επίσης ως μήτρα. Ανεξάρτητα από τον τύπο του εν λόγω κυττάρου, το κυτταρόπλασμα περιέχει πολύ υψηλότερη πυκνότητα πρωτεϊνών και μοριακών "μηχανημάτων" απ 'ό, τι το νερό των ωκεανών ή οποιαδήποτε μη περιβάλλον, το οποίο αποτελεί απόδειξη της δουλειάς που κάνει η κυτταρική μεμβράνη στη διατήρηση της ομοιόστασης (μια άλλη λέξη για την «ισορροπία» όπως εφαρμόζεται στα ζωντανά) κύτταρα.

Στα προκαρυωτικά, το γενετικό υλικό του κυττάρου, το DNA που χρησιμοποιεί για την αναπαραγωγή καθώς και να κατευθύνει το υπόλοιπο κύτταρο για την παραγωγή πρωτεϊνικών προϊόντων για τον ζωντανό οργανισμό, βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα. Στα ευκαρυωτικά, περικλείεται σε μια δομή που ονομάζεται πυρήνας.

Ο πυρήνας οριοθετείται από το κυτταρόπλασμα με πυρηνικό περίβλημα, ο οποίος είναι φυσιολογικά παρόμοιος με τη μεμβράνη πλάσματος του κυττάρου. Ο πυρηνικός φάκελος περιέχει πυρηνικούς πόρους που επιτρέπουν την εισροή και την έξοδο ορισμένων μορίων. Αυτό το οργανικό είναι το μεγαλύτερο σε οποιοδήποτε κύτταρο, που αντιπροσωπεύει έως και 10 τοις εκατό του όγκου ενός κυττάρου και είναι άμεσα ορατό χρησιμοποιώντας οποιοδήποτε μικροσκόπιο αρκετά ισχυρό για να αποκαλύψει τα ίδια τα κύτταρα. Οι επιστήμονες γνωρίζουν την ύπαρξη του πυρήνα από το 1830.

Μέσα στον πυρήνα είναι η χρωματίνη, το όνομα για τη μορφή που παίρνει το DNA όταν το κύτταρο δεν προετοιμάζεται να διαιρεθεί: κουλουριασμένο, αλλά δεν χωρίζεται σε χρωμοσώματα που εμφανίζονται ξεχωριστά στη μικροσκοπία. Ο πυρήνας είναι το μέρος του πυρήνα που περιέχει ανασυνδυασμένο DNA (rDNA), το DNA αφιερωμένο στη σύνθεση ριβοσωμικού RNA (rRNA). Τέλος, το νουκλεόπλασμα είναι μια υδαρή ουσία εντός του πυρηνικού περιβλήματος που είναι ανάλογη με το κυτταρόπλασμα στο κατάλληλο κύτταρο.

Εκτός από την αποθήκευση γενετικού υλικού, ο πυρήνας καθορίζει πότε το κύτταρο θα διαιρεθεί και θα αναπαραχθεί.

Τα μιτοχόνδρια βρίσκονται σε ευκαρυώτες ζώων και αντιπροσωπεύουν τους "σταθμούς παραγωγής ενέργειας" των κυττάρων, καθώς αυτά τα επιμήκη οργανίδια είναι εκεί όπου πραγματοποιείται αερόβια αναπνοή. Η αερόβια αναπνοή παράγει 36 έως 38 μόρια ATP ή τριφωσφορική αδενοσίνη (η κύρια πηγή ενέργειας των κυττάρων) για κάθε μόριο γλυκόζης (το τελικό νόμισμα καυσίμου του σώματος) που καταναλώνει. Η γλυκόλυση, από την άλλη πλευρά, η οποία δεν απαιτεί οξυγόνο για να προχωρήσει, παράγει μόνο περίπου το ένα δέκατο αυτής της πολύ ενέργειας (4 ATP ανά μόριο γλυκόζης). Τα βακτήρια μπορούν να περάσουν μόνο με γλυκόλυση, αλλά τα ευκαρυωτικά δεν μπορούν.

Η αερόβια αναπνοή πραγματοποιείται σε δύο βήματα, σε δύο διαφορετικές τοποθεσίες στα μιτοχόνδρια. Το πρώτο βήμα είναι ο κύκλος Krebs, μια σειρά αντιδράσεων που συμβαίνουν στη μιτοχονδριακή μήτρα, η οποία μοιάζει με το νουκλεόπλασμα ή το κυτταρόπλασμα αλλού. Στον κύκλο Krebs - ονομάζεται επίσης κύκλος κιτρικού οξέος ή κύκλος τρικαρβοξυλικού οξέος - δύο μόρια πυροσταφυλικού, ένα μόριο τριών-άνθρακα που παράγεται σε γλυκόλυση, εισάγετε τη μήτρα για κάθε ένα μόριο γλυκόζης έξι-άνθρακα καταναλώθηκε. Εκεί, το πυροσταφυλικό υφίσταται έναν κύκλο αντιδράσεων που δημιουργούν υλικό για περαιτέρω κύκλους Krebs και, περισσότερο το σημαντικότερο είναι οι φορείς υψηλής ενέργειας ηλεκτρονίων για το επόμενο βήμα στον αερόβιο μεταβολισμό, τη μεταφορά ηλεκτρονίων αλυσίδα. Αυτές οι αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στη μιτοχονδριακή μεμβράνη και είναι τα μέσα με τα οποία τα μόρια ATP απελευθερώνονται κατά την αερόβια αναπνοή.

Τα ζώα, τα φυτά και οι μύκητες είναι τα ευκαρυωτικά της νότας που κατοικούν επί του παρόντος στη Γη. Ενώ τα ζώα χρησιμοποιούν τη γλυκόζη και το οξυγόνο για την παραγωγή καυσίμου, νερού και διοξειδίου του άνθρακα, τα φυτά χρησιμοποιούν νερό, διοξείδιο του άνθρακα και την ενέργεια του ήλιου για να τροφοδοτήσουν την παραγωγή οξυγόνου και γλυκόζης. Εάν αυτή η ρύθμιση δεν μοιάζει με σύμπτωση, δεν είναι. Η διεργασία που χρησιμοποιούν τα φυτά για τις μεταβολικές τους ανάγκες ονομάζεται φωτοσύνθεση και ουσιαστικά η αερόβια αναπνοή εκτελείται ακριβώς στην αντίθετη κατεύθυνση.

Επειδή τα φυτικά κύτταρα δεν διασπώνουν υποπροϊόντα γλυκόζης χρησιμοποιώντας οξυγόνο, δεν έχουν ή χρειάζονται μιτοχόνδρια. Αντ 'αυτού, τα φυτά διαθέτουν χλωροπλάστες, οι οποίοι στην πραγματικότητα μετατρέπουν την ελαφριά ενέργεια σε χημική ενέργεια. Κάθε φυτικό κύτταρο έχει οπουδήποτε από 15 ή 20 έως περίπου 100 χλωροπλάστες, οι οποίοι, όπως τα μιτοχόνδρια σε ζωικά κύτταρα, πιστεύεται ότι υπήρχαν κάποτε ως ελεύθεροι βακτήρια τις ημέρες πριν από την εξάπλωση των ευκαρυωτικών μετά από προφανώς καταπίεση αυτών των μικρότερων οργανισμών και ενσωμάτωση του μεταβολικού μηχανήματος αυτών των βακτηρίων στα τα δικά.

Εάν τα μιτοχόνδρια είναι οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας των κυττάρων, τα ριβοσώματα είναι τα εργοστάσια. Τα ριβοσώματα δεν δεσμεύονται από μεμβράνες και επομένως δεν είναι τεχνικά οργανίδια, αλλά συχνά ομαδοποιούνται με αληθινά οργανίδια για ευκολία.

Τα ριβοσώματα βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα προκαρυωτικών και ευκαρυωτικών, αλλά στο τελευταίο συνδέονται συχνά με το ενδοπλασματικό δίκτυο. Αποτελούνται από περίπου 60 τοις εκατό πρωτεΐνη και περίπου 40 τοις εκατό rRNA. Το rRNA είναι ένα νουκλεϊκό οξύ, όπως το DNA, το RNA messenger (mRNA) και το RNA μεταφοράς (tRNA).

Τα ριβοσώματα υπάρχουν για έναν απλό λόγο: την παραγωγή πρωτεϊνών. Το κάνουν μέσω της διαδικασίας μετάφρασης, που είναι η μετατροπή γενετικών οδηγιών που κωδικοποιούνται στο rRNA μέσω DNA σε πρωτεϊνικά προϊόντα. Τα ριβοσώματα συγκεντρώνουν πρωτεΐνες από τους 20 τύπους αμινοξέων στο σώμα, καθένας από τους οποίους μεταφέρεται στο ριβοσώμα με έναν συγκεκριμένο τύπο tRNA. Η σειρά με την οποία προστίθενται αυτά τα αμινοξέα καθορίζεται από το mRNA, καθένα από τα οποία περιέχει τις πληροφορίες που προέρχονται από ένα μόνο Γονίδιο DNA - δηλαδή, μήκος DNA που χρησιμεύει ως σχεδιάγραμμα για ένα προϊόν πρωτεΐνης, είτε πρόκειται για ένζυμο, ορμόνη ή μάτι χρώμα.

Η μετάφραση θεωρείται το τρίτο και τελευταίο μέρος του λεγόμενου κεντρικού δόγματος της βιολογίας μικρής κλίμακας: Το DNA παράγει mRNA και το mRNA δημιουργεί, ή τουλάχιστον μεταφέρει οδηγίες για πρωτεΐνες. Στο γενικό σχήμα, το ριβόσωμα είναι το μόνο μέρος του κυττάρου που βασίζεται ταυτόχρονα και στους τρεις τυπικούς τύπους RNA (mRNA, rRNA και tRNA) για να λειτουργήσει.

Τα περισσότερα από τα υπόλοιπα οργανίδια είναι κυστίδια, ή βιολογικοί "σάκοι" κάποιου είδους. Τα σώματα Golgi, τα οποία έχουν μια χαρακτηριστική διάταξη "στοίβα τηγανίτας" σε μικροσκοπική εξέταση, περιέχουν πρόσφατα συντεθειμένες πρωτεΐνες. τα σώματα Golgi τα απελευθερώνουν σε μικρά κυστίδια τσιμπώντας αυτά, και σε αυτό το σημείο αυτά τα μικρά σώματα έχουν τη δική τους κλειστή μεμβράνη. Τα περισσότερα από αυτά τα μικρά κυστίδια καταλήγουν στο ενδοπλασματικό δίκτυο, το οποίο είναι σαν αυτοκινητόδρομος ή σιδηροδρομικό σύστημα για ολόκληρο το κελί. Μερικά είδη ενδοπλασματικών συνδέονται με πολλά ριβοσώματα, δίνοντάς τους μια «τραχιά» εμφάνιση κάτω από ένα μικροσκόπιο. Κατά συνέπεια, αυτά τα οργανίδια ονομάζονται τραχύ ενδοπλασματικό δίκτυο ή RER. Αντιθέτως, το ενδοπλασματικό δίκτυο χωρίς ριβοσώματα ονομάζεται ομαλό ενδοπλασματικό δίκτυο, ή SER.

Τα κύτταρα περιέχουν επίσης λυσοσώματα, κυστίδια που περιέχουν ισχυρά ένζυμα που διαλύουν τα απόβλητα ή ανεπιθύμητους επισκέπτες. Αυτά είναι σαν την κυτταρική απάντηση σε ένα πλήρωμα καθαρισμού.