Σχέση μεταξύ της δομής και της λειτουργίας των κυττάρων

Το "Form fits function" είναι ένα κοινό ρεφρέν στον κόσμο τόσο των φυσικών όσο και των ανθρώπινων μορφών της μηχανικής. Όταν πρόκειται για την σκόπιμη κατασκευή ενός καθημερινού εργαλείου, αυτό είναι συχνά προφανές: Ένα μικρό παιδί με ένα φτυάρι, ένα ποτήρι, ένα ζευγάρι κάλτσες ή ένα σφυρί θα μπορούσε πιθανώς καθορίστε με σχετική ευκολία για ποια είναι αυτά τα εργαλεία, ενώ στην περίπτωση, ας πούμε, μια αλυσίδα ποδηλάτου ή ένα κολάρο σκύλου μεμονωμένα, το παζλ είναι πολύ πιο δύσκολο λύσει.

Οι φυσικές δομές, που σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια εκατομμυρίων ετών εξέλιξης, παραμένουν στη θέση τους επειδή έχουν επιλεγεί λόγω των πλεονεκτημάτων επιβίωσης που δίνουν στους οργανισμούς αυτό τα κατέχετε. Αυτό συμβαίνει με τα κύτταρα, τα οποία είναι οι απλούστερες φυσικές δομές που έχουν όλες τις ιδιότητες της δυναμικής οντότητας γνωστές ως ΖΩΗ: αναπαραγωγή, μεταβολισμός, διατήρηση της χημικής ισορροπίας και φυσική σταθερότητα.

Όπως στον κόσμο της «μακροεντολής», ο τρόπος με τον οποίο τα μέρη ενός κελιού μιλούν στις λειτουργίες τους - και αυτά που είναι μόνα τους και εκείνα που είναι ενσωματωμένα στο υπόλοιπο κελί - είναι ένα συναρπαστικό θέμα της βιολογίας από μόνο του σωστά.

Η σύνθεση και η λειτουργία των κυττάρων ποικίλλουν σημαντικά τόσο μεταξύ οργανισμών όσο και, στην περίπτωση πολύπλοκων πολυκυτταρικών οργανισμών, μεταξύ διαφορετικών ιστών και οργάνων εντός του ίδιου οργανισμού. Αλλά όλα τα κελιά έχουν έναν αριθμό κοινών στοιχείων. Αυτά περιλαμβάνουν:

• Κυτταρική μεμβράνη: Αυτή η δομή σχηματίζει την εξωτερική επένδυση του κυττάρου και είναι υπεύθυνη τόσο για τη φυσική ακεραιότητα του κυττάρου όσο και για να επιτρέπει σε ορισμένες ουσίες να εισέρχονται και να εξέρχονται ενώ αρνούνται τη διέλευση άλλων. Στην πραγματικότητα αποτελείται από ένα διπλή μεμβράνη πλάσματος.
• Κυτόπλασμα: Αυτό σχηματίζει την εσωτερική ουσία των κυττάρων και αποτελείται από μια υδαρή μήτρα που υποστηρίζει άλλα περιεχόμενα εσωτερικών κυττάρων, όπως ένα ικρίωμα. Το υγρό, μη οργανικό τμήμα ονομάζεται κυτοσόλη, και οι περισσότερες χημικές αντιδράσεις στο κύτταρο εμφανίζονται εδώ με τη βοήθεια πρωτεϊνών που ονομάζονται ένζυμα.
• Γενετικό υλικό: Το γενετικό υλικό, το οποίο σχεδόν κάθε κύτταρο του οργανισμού περιέχει ένα πλήρες αντίγραφο, φέρει τις πληροφορίες που απαιτούνται για τη σύνθεση πρωτεϊνών με τη μορφή δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA). Το DNA είναι αυτό που μεταδίδεται στις επόμενες γενιές κατά τη διάρκεια της αναπαραγωγικής διαδικασίας.
• Ριβοσώματα: Αυτές οι πρωτεΐνες είναι υπεύθυνες για την παραγωγή όλων των πρωτεϊνών που χρειάζεται ο οργανισμός. Παίρνουν κατεύθυνση από το αγγελιοφόρο ριβονουκλεϊκό οξύ (mRNA). Στα ριβοσώματα, μεμονωμένα αμινοξέα συνδέονται μεταξύ τους για τη δημιουργία αλυσίδων, σχηματίζοντας πρωτεΐνες. Το mRNA παράγεται από DNA σε μια διαδικασία που ονομάζεται μεταγραφή; Η μετατροπή των οδηγιών mRNA σε πρωτεΐνες στα ριβοσώματα, που αποτελούνται από δύο υπομονάδες, είναι γνωστή ως μετάφραση.

Τα έμβια όντα μπορούν να χωριστούν σε δύο τύπους: Προκαρυώτες, που περιλαμβάνουν τους τομείς Βακτήρια και Αρχαία, και ευκαρυώτες, που αποτελούνται από τον τομέα Ευκαρυώτα. Οι περισσότεροι προκαρυώτες είναι μονοκύτταροι οργανισμοί, ενώ σχεδόν όλοι οι ευκαρυώτες - φυτά, ζώα και μύκητες - είναι πολυκύτταροι.

Τα προκαρυωτικά κύτταρα περιλαμβάνουν τις τέσσερις δομές που έχουν ήδη περιγραφεί, αλλά όχι πολλές άλλες, αν και τα βακτήρια έχουν κυτταρικά τοιχώματα. Πολλά από αυτά έχουν επίσης ένα κελί κάψουλα; η κύρια λειτουργία αυτών είναι η προστασία. Μερικοί προκαρυώτες έχουν επίσης κτυπήματα στην επιφάνεια τους που ονομάζονται μαστίγια. Όπως μπορείτε να μαντέψετε από την εμφάνισή τους, αυτά χρησιμοποιούνται κυρίως για την κίνηση.

Αντίθετα, τα ευκαρυωτικά κύτταρα είναι πλούσια σε οργανίδια, που είναι δεσμευμένες σε μεμβράνες οντότητες που εξυπηρετούν το κύτταρο με συγκεκριμένους τρόπους. Είναι σημαντικό ότι τα ευκαρυωτικά στεγάζουν το DNA τους μέσα πυρήνας, ενώ σε προκαρυώτες, που δεν έχουν δομές εσωτερικής σύνδεσης με μεμβράνη οποιουδήποτε είδους, το DNA επιπλέει σε ένα χαλαρό σύμπλεγμα στο κυτταρόπλασμα που ονομάζεται περιοχή νουκλεοειδών.

Η σχέση μεταξύ των τμημάτων ενός κυττάρου και των λειτουργιών τους παρουσιάζεται με κομψότητα και σαφήνεια στα οργανίδια των ευκαρυωτικών. Με τη σειρά του, όλα τα οργανίδια διαθέτουν μεμβράνη πλάσματος. Κάθε μεμβράνη πλάσματος στα κύτταρα - συμπεριλαμβανομένης της εξωτερικής, ονομαζόμενης κυτταρικής μεμβράνης καθώς και των μεμβρανών που περικλείουν οργανίδια - αποτελείται από φωσφολιπίδιοδιπλής στιβάδας.

Αυτή η διπλή στρώση αποτελείται από δύο μεμονωμένα "φύλλα" που βλέπουν το ένα το άλλο με τρόπο καθρέφτη. Το εσωτερικό διαθέτει το υδροφόβος, ή απωθητικό του νερού, τμήματα κάθε στρώσης, τα οποία αποτελούνται από λιπίδια με τη μορφή λιπαρών οξέων. Τα εξωτερικά τμήματα, σε αντίθεση, είναι υδρόφιλο, ή αναζητούν νερό, και αποτελούνται από τα τμήματα φωσφορικών των μορίων φωσφολιπιδίου.

Έτσι, ένα «τοίχωμα» υδρόφιλων φωσφορικών κεφαλών βλέπει στο εσωτερικό του οργανιδίου (ή στην περίπτωση της κυτταρικής μεμβράνης καθαυτής, η κυτταρόπλασμα) ενώ το άλλο βλέπει προς το εξωτερικό, ή κυτταροπλασματικό, πλευρά (ή στην περίπτωση της κυτταρικής μεμβράνης, το εξωτερικό περιβάλλον).

Η δομή της μεμβράνης είναι τέτοια ώστε μικρά μόρια όπως η γλυκόζη και το νερό μπορούν να μετακινούνται ελεύθερα μεταξύ του μόρια φωσφολιπιδίων, ενώ τα μεγαλύτερα δεν μπορούν και πρέπει να αντλούνται ενεργά μέσα ή έξω (ή δεν επιτρέπεται η διέλευση, περίοδος). Και πάλι, η δομή ταιριάζει στη λειτουργία.

Αν και συνήθως δεν ονομάζεται οργανόλη λόγω της υπέρτατης σημασίας του, ο πυρήνας είναι στην πραγματικότητα η πραγματοποίηση ενός. Η μεμβράνη του πλάσματος ονομάζεται πυρηνικός φάκελος. Ο πυρήνας περιέχει DNA συσκευασμένο σε χρωματίνη, η οποία είναι πλούσια σε πρωτεΐνη ύλη χωρισμένη σε χρωμοσώματα.

Όταν τα χρωμοσώματα διαιρούνται και ο πυρήνας μαζί τους, καλείται η διαδικασία μίτωσις. Για να συμβεί αυτό, το μιτωτικός άξονας πρέπει να δημιουργηθεί μέσα στον πυρήνα, ο οποίος είναι ουσιαστικά ο εγκέφαλος του κυττάρου και καταναλώνει ένα σημαντικό κλάσμα του συνολικού όγκου των περισσότερων κυττάρων.

Αυτά τα οργανικά περίπου ωοειδούς σχήματος είναι τα εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής των ευκαρυωτικών, επειδή αποτελούν τη θέση της αερόβιας αναπνοής ("με οξυγόνο"), η πηγή το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που προέρχεται από τα καύσιμα που καταναλώνουν (στην περίπτωση ζώων) ή συντίθεται με τη βοήθεια του ηλιακού φωτός (στην περίπτωση φυτά).

Τα μιτοχόνδρια πιστεύεται ότι προήλθαν πριν από 2 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν τα αερόβια βακτήρια περιήλθαν σε υπάρχοντα, μη αερόβια κύτταρα και άρχισαν να συνεργάζονται μαζί τους μεταβολικά. Οι πολλές πτυχές της μεμβράνης τους, όπου συμβαίνει πραγματικά η αερόβια αναπνοή, είναι ένα άλλο παράδειγμα της συμβολής της δομής και της λειτουργίας στα κύτταρα.

Αυτή η μεμβρανώδης δομή μοιάζει μάλλον με έναν «αυτοκινητόδρομο» στο ότι φτάνει από τον πυρήνα (και στην πραγματικότητα συνδέεται με τη μεμβράνη του), μέσω του κυττάρου, μέχρι τις άκρες του κυτοπλάσματος. Μεταφέρει και τροποποιεί προϊόντα πρωτεΐνης που παράγονται από τα ριβοσώματα.

Κάποιο ενδοπλασματικό πρόγραμμα ονομάζεται τραχύ ενδοπλασματικό δίκτυο επειδή είναι γεμάτο με ριβοσώματα, όπως φαίνεται από ένα μικροσκόπιο. Οι μορφές που δεν διαθέτουν ριβοσώματα καλούνται αντίστοιχα ομαλό ενδοπλασματικό πρόγραμμα.

ο Συσκευές Golgi είναι παρόμοιο με το ενδοπλασματικό δίκτυο δεδομένου ότι συσκευάζει και επεξεργάζεται πρωτεΐνες και άλλα κύτταρα που δημιουργούνται ουσίες, αλλά είναι διατεταγμένες σε στρογγυλούς στοίβες δίσκων, σαν ένα ρολό νομισμάτων ή μια στοίβα μικροσκοπικών τηγανιτών.

Λυσοσώματα είναι τα κέντρα διάθεσης απορριμμάτων των κυττάρων, και κατά συνέπεια, αυτά τα μικρά σφαιρικά σώματα έχουν ένζυμα που διαλύουν και διανέμουν προϊόντα διάσπασης κυττάρων που προκύπτουν από τον καθημερινό μεταβολισμό. Τα λυσοσώματα είναι στην πραγματικότητα ένας τύπος κυτταρικό κενό, ένα όνομα για μια κοίλη, συνδεδεμένη με μεμβράνη μονάδα σε κύτταρα των οποίων ο σκοπός είναι να χρησιμεύσει ως δοχείο χημικών ουσιών κάποιου είδους.

ο κυτταροσκελετός είναι φτιαγμένο από μικροσωληνίσκοι, πρωτεΐνες διατεταγμένες σαν μικροσκοπικά μπαμπού και χρησιμεύουν ως δομικοί δοκοί στήριξης και δοκοί. Αυτά εκτείνονται σε ολόκληρο το κυτταρόπλασμα από τον πυρήνα έως την κυτταρική μεμβράνη.