Η δομή και η λειτουργία ενός κελιού

Τα κελιά αντιπροσωπεύουν τα μικρότερα, ή τουλάχιστον τα πιο αμετάκλητα, αντικείμενα που διαθέτουν όλες τις ιδιότητες που σχετίζονται με τη μαγική προοπτική που ονομάζεται «ζωή», όπως μεταβολισμός (εξαγωγή ενέργειας από εξωτερικές πηγές για την τροφοδοσία εσωτερικών διεργασιών) και αναπαραγωγή. Από αυτή την άποψη, καταλαμβάνουν την ίδια θέση στη βιολογία με τα άτομα στη χημεία: Μπορούν σίγουρα να χωριστούν σε μικρότερα κομμάτια, αλλά μεμονωμένα, αυτά τα κομμάτια δεν μπορούν πραγματικά να κάνουν πολλά. Σε κάθε περίπτωση, το ανθρώπινο σώμα περιέχει σίγουρα πολλά από αυτά - πάνω από 30 τρισεκατομμύρια (δηλαδή 30 εκατομμύριο εκατομμύριο).

Ένα κοινό ρεφρέν τόσο στις φυσικές επιστήμες όσο και στον κόσμο της μηχανικής είναι το "form fits function." Αυτό ουσιαστικά σημαίνει ότι εάν κάτι έχει μια δεδομένη δουλειά να κάνει, πιθανότατα θα μοιάζει με το ότι είναι ικανό να κάνει αυτή η δουλειά? Αντίθετα, εάν κάτι φαίνεται να έχει γίνει για την εκπλήρωση μιας συγκεκριμένης εργασίας ή καθηκόντων, τότε υπάρχει μια καλή πιθανότητα αυτό ακριβώς κάνει αυτό το πράγμα.

Η οργάνωση των κυττάρων και οι διαδικασίες που πραγματοποιούν είναι στενά συνδεδεμένες, ακόμη και αδιαχώριστες, και κυριαρχούν τα βασικά στοιχεία της δομής και της λειτουργίας των κυττάρων είναι τόσο ικανοποιητικά όσο και απαραίτητα για την πλήρη κατανόηση της φύσης της ζωής πράγματα.

Η έννοια της ύλης - τόσο ζωντανή όσο και μη - ως αποτελούμενη από τεράστιο αριθμό διακριτών, παρόμοιων μονάδων υπάρχει από τότε του Δημόκριτου, Έλληνα μελετητή του οποίου η ζωή εκτείνεται στον 5ο και 4ο αιώνα π.Χ. Αλλά επειδή τα κύτταρα είναι πολύ μικρά για να τα δούμε με το αβοήθητο μάτι, μόλις τον 17ο αιώνα, μετά την εφεύρεση των πρώτων μικροσκοπίων, ο καθένας ήταν σε θέση να απεικονίσει πραγματικά τους.

Ο Robert Hooke θεωρείται γενικά ότι επινοεί τον όρο «κελί» σε ένα βιολογικό πλαίσιο το 1665, αν και το έργο του σε αυτόν τον τομέα επικεντρώθηκε στον φελλό. περίπου 20 χρόνια αργότερα, ο Anton van Leeuwenhoek ανακάλυψε βακτήρια. Θα ήταν άλλοι αρκετοί αιώνες, ωστόσο, πριν τα συγκεκριμένα μέρη ενός κελιού και οι λειτουργίες τους θα μπορούσαν να αποσαφηνιστούν και να περιγραφούν πλήρως. Το 1855, ο σχετικά ασαφής επιστήμονας Rudolph Virchow θεωρούσε σωστά ότι τα ζωντανά κύτταρα μπορούν να προέρχονται μόνο από άλλα ζωντανά κύτταρα, παρόλο που οι πρώτες παρατηρήσεις αναπαραγωγής χρωμοσωμάτων ήταν ακόμη μερικές δεκαετίες μακριά.

Οι προκαρυώτες, οι οποίοι εκτείνονται στα ταξονομικά πεδία Βακτήρια και Αρχαία, υπάρχουν για περίπου τρεισήμισι δισεκατομμύρια χρόνια, δηλαδή περίπου τα τρία τέταρτα της ηλικίας της ίδιας της Γης. (Ταξινόμηση είναι η επιστήμη που ασχολείται με την ταξινόμηση των ζωντανών πραγμάτων · τομέα είναι η κατηγορία υψηλότερου επιπέδου εντός της ιεραρχίας.) Οι προκαρυωτικοί οργανισμοί αποτελούνται συνήθως από ένα μόνο κύτταρο.

Οι ευκαρυώτες, ο τρίτος τομέας, περιλαμβάνουν ζώα, φυτά και μύκητες - εν ολίγοις, οτιδήποτε ζωντανό που μπορείτε πραγματικά να δείτε χωρίς εργαστηριακά όργανα. Τα κύτταρα αυτών των οργανισμών πιστεύεται ότι προήλθαν από προκαρυωτικά ως αποτέλεσμα ενδοσυμβίωση (από τους Έλληνες από το "ζουν μαζί μέσα"). Πριν από 3 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, ένα κύτταρο κατακλύστηκε ένα αερόβιο (που χρησιμοποιεί οξυγόνο) βακτήριο, το οποίο εξυπηρετούσε τους σκοπούς και των δύο μορφών ζωής επειδή το «καταπιεί» βακτήριο παρείχε ένα μέσο παραγωγής ενέργειας για το κύτταρο ξενιστή παρέχοντας παράλληλα ένα υποστηρικτικό περιβάλλον για το endosymbiont.
Διαβάστε περισσότερα για τις ομοιότητες και τις διαφορές των προκαρυωτικών και των ευκαρυωτικών κυττάρων.

Τα κύτταρα ποικίλλουν ευρέως σε μέγεθος, σχήμα και κατανομή του περιεχομένου τους, ειδικά εντός του χώρου των ευκαρυωτικών. Αυτοί οι οργανισμοί είναι πολύ μεγαλύτεροι καθώς και πολύ πιο διαφορετικοί από τους προκαρυωτικούς, και στο πνεύμα της «μορφής ταιριάζει με τη λειτουργία "που αναφέρθηκε προηγουμένως, αυτές οι διαφορές είναι εμφανείς ακόμη και στο επίπεδο των μεμονωμένων κυττάρων.

Συμβουλευτείτε οποιοδήποτε διάγραμμα κυττάρων και ανεξάρτητα από τον οργανισμό στον οποίο ανήκει το κελί, είστε βέβαιοι ότι θα δείτε ορισμένα χαρακτηριστικά. Αυτά περιλαμβάνουν ένα μεμβράνη πλάσματος, που περικλείει τα κυτταρικά περιεχόμενα. ο κυτόπλασμα, το οποίο είναι ένα ζελέ μέσο που σχηματίζει το μεγαλύτερο μέρος του εσωτερικού του κυττάρου. δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA), το γενετικό υλικό που περνούν τα κύτταρα στα θυγατρικά κύτταρα που σχηματίζονται όταν ένα κύτταρο χωρίζεται σε δύο κατά την αναπαραγωγή. και ριβοσώματα, που είναι δομές που είναι οι θέσεις σύνθεσης πρωτεϊνών.

Τα προκαρυωτικά έχουν επίσης ένα κυτταρικό τοίχωμα εξωτερικό της κυτταρικής μεμβράνης, όπως και τα φυτά. Στα ευκαρυωτικά, το DNA περικλείεται σε έναν πυρήνα, ο οποίος έχει τη δική του μεμβράνη πλάσματος πολύ παρόμοια με αυτήν που περιβάλλει το ίδιο το κύτταρο.

Η μεμβράνη πλάσματος των κυττάρων αποτελείται από α διπλοστιβάδα φωσφολιπιδίου, η οργάνωση του οποίου απορρέει από τις ηλεκτροχημικές ιδιότητες των συστατικών μερών του. Τα μόρια φωσφολιπιδίου σε καθένα από τα δύο στρώματα περιλαμβάνει υδρόφιλο "κεφάλια", τα οποία έλκονται από το νερό λόγω της φόρτισης τους, και υδροφόβος "ουρές", οι οποίες δεν φορτίζονται και επομένως τείνουν να απομακρύνονται από το νερό. Τα υδρόφοβα τμήματα κάθε στρώματος αντικριστά στο εσωτερικό της διπλής μεμβράνης. Η υδρόφιλη πλευρά του εξωτερικού στρώματος βλέπει στο εξωτερικό του κυττάρου, ενώ η υδρόφιλη πλευρά του εσωτερικού στρώματος βλέπει στο κυτόπλασμα.

Βασικά, η μεμβράνη του πλάσματος είναι ημιπερατό, πράγμα που σημαίνει ότι, μάλλον σαν ψευτοπαλλικαρά σε ένα νυχτερινό κέντρο διασκέδασης, παρέχει είσοδο σε ορισμένα μόρια ενώ αρνείται την είσοδο σε άλλους. Μικρά μόρια όπως η γλυκόζη (το σάκχαρο που χρησιμεύει ως η απόλυτη πηγή καυσίμου για όλα τα κύτταρα) και το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να κινείται ελεύθερα μέσα και έξω από το κύτταρο, αποφεύγοντας τα φωσφολιπιδικά μόρια ευθυγραμμισμένα κάθετα προς τη μεμβράνη ως ολόκληρος. Άλλες ουσίες μεταφέρονται ενεργά μέσω της μεμβράνης μέσω "αντλιών" που τροφοδοτούνται από τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), ένα νουκλεοτίδιο που χρησιμεύει ως το "νόμισμα" ενέργειας όλων των κυττάρων.
Διαβάστε περισσότερα για τη δομή και τη λειτουργία της μεμβράνης του πλάσματος.

Ο πυρήνας λειτουργεί ως ο εγκέφαλος των ευκαρυωτικών κυττάρων. Η μεμβράνη πλάσματος γύρω από τον πυρήνα ονομάζεται πυρηνικός φάκελος. Μέσα στον πυρήνα είναι χρωμοσώματα, τα οποία είναι "κομμάτια" DNA. ο αριθμός των χρωμοσωμάτων ποικίλλει από είδος σε είδος (οι άνθρωποι έχουν 23 διαφορετικά είδη, αλλά 46 συνολικά - ένας από κάθε τύπο από τη μητέρα και ένας από τον πατέρα).

Όταν ένα ευκαρυωτικό κύτταρο διαιρείται, το DNA μέσα στον πυρήνα το κάνει πρώτα, αφού αναπαραχθούν όλα τα χρωμοσώματα. Αυτή η διαδικασία, που ονομάζεται μίτωσις, αναλύεται αργότερα.

Τα ριβοσώματα βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα τόσο των ευκαρυωτικών όσο και των προκαρυωτικών κυττάρων. Σε ευκαρυώτες συσσωρεύονται κατά μήκος ορισμένων οργανίδια (δομές που συνδέονται με μεμβράνη που έχουν συγκεκριμένες λειτουργίες, όπως όργανα όπως το ήπαρ και τα νεφρά στο σώμα σε μεγαλύτερη κλίμακα). Τα ριβοσώματα παράγουν πρωτεΐνες χρησιμοποιώντας οδηγίες που μεταφέρονται στον "κώδικα" του DNA και μεταδίδονται στα ριβοσώματα με αγγελιοφόρο ριβονουκλεϊκό οξύ (mRNA).

Αφού το mRNA συντεθεί στον πυρήνα χρησιμοποιώντας DNA ως πρότυπο, αφήνει τον πυρήνα και προσκολλάται σε ριβοσώματα, τα οποία συγκεντρώνουν πρωτεΐνες μεταξύ 20 διαφορετικών αμινοξέα. Η διαδικασία δημιουργίας mRNA καλείται μεταγραφή, ενώ η ίδια η σύνθεση πρωτεϊνών είναι γνωστή ως μετάφραση.

Καμία συζήτηση για τη σύνθεση και τη λειτουργία των ευκαρυωτικών κυττάρων δεν θα μπορούσε να είναι πλήρης ή ακόμη και σχετική χωρίς διεξοδική θεραπεία των μιτοχονδρίων. Αυτά τα οργανίδια είναι αξιοσημείωτα με τουλάχιστον δύο τρόπους: Έχουν βοηθήσει τους επιστήμονες να μάθουν πολλά για την εξελικτική προέλευση γενικά τα κύτταρα, και είναι σχεδόν αποκλειστικά υπεύθυνα για την ποικιλομορφία της ευκαρυωτικής ζωής επιτρέποντας την ανάπτυξη κυτταρικών αναπνοή.

Όλα τα κύτταρα χρησιμοποιούν τη γλυκόζη ζάχαρης έξι-άνθρακα για καύσιμο. Και στους προκαρυώτες και στους ευκαρυωτικούς, η γλυκόζη υφίσταται μια σειρά χημικών αντιδράσεων που ονομάζονται συλλογικά γλυκόλυση, που παράγει μια μικρή ποσότητα ATP για τις ανάγκες του κελιού. Σε σχεδόν όλους τους προκαρυωτικούς, αυτό είναι το τέλος της μεταβολικής γραμμής. Αλλά σε ευκαρυωτικά, τα οποία είναι ικανά να χρησιμοποιούν οξυγόνο, τα προϊόντα της γλυκόλυσης περνούν στα μιτοχόνδρια και υφίστανται περαιτέρω αντιδράσεις.

Το πρώτο από αυτά είναι το Κύκλος Krebs, η οποία δημιουργεί μια μικρή ποσότητα ATP, αλλά λειτουργεί κυρίως για την αποθήκευση ενδιάμεσων μορίων για το μεγάλο φινάλε της κυτταρικής αναπνοής, αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Ο κύκλος Krebs λαμβάνει χώρα στο μήτρα των μιτοχονδρίων (η έκδοση του οργανικού ενός ιδιωτικού κυτταροπλάσματος), ενώ η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, που παράγει τη συντριπτική πλειοψηφία του ATP στα ευκαρυωτικά, εμφανίζεται στο εσωτερικό μιτοχονδριακό μεμβράνη.

Τα ευκαρυωτικά κύτταρα διαθέτουν έναν αριθμό εξειδικευμένων στοιχείων που υπογραμμίζουν τις εκτεταμένες, αλληλένδετες μεταβολικές ανάγκες αυτών των πολύπλοκων κυττάρων. Αυτά περιλαμβάνουν:

• Ενδοπλασματικό πρόγραμμα: Αυτό το οργανικό είναι ένα δίκτυο σωληναρίων που αποτελείται από μια μεμβράνη πλάσματος που είναι συνεχής με τον πυρηνικό φάκελο. Η δουλειά του είναι να τροποποιήσει τις νεοπαρασκευασμένες πρωτεΐνες για να τις προετοιμάσει για τις κατάντη κυτταρικές λειτουργίες τους όπως ένζυμα, δομικά στοιχεία και ούτω καθεξής, προσαρμόζοντάς τις για τις συγκεκριμένες ανάγκες του κυττάρου. Παράγει επίσης υδατάνθρακες, λιπίδια (λίπη) και ορμόνες. Το ενδοπλασματικό δίκτυο εμφανίζεται είτε ως ομαλό είτε τραχύ στη μικροσκοπία, μορφές που συντομεύονται SER και RER αντίστοιχα. Το RER είναι τόσο καθορισμένο επειδή "γεμίζει" με ριβοσώματα. Εδώ συμβαίνει η τροποποίηση πρωτεΐνης. Το SER, από την άλλη πλευρά, είναι όπου συγκεντρώνονται οι προαναφερθείσες ουσίες.
• Σώματα Golgi: Ονομάζεται επίσης συσκευή Golgi. Μοιάζει με μια πεπλατυσμένη στοίβα σάκων που συνδέονται με μεμβράνη και συσκευάζει λιπίδια και πρωτεΐνες κυστίδια που στη συνέχεια απομακρύνονται από το ενδοπλασματικό δίκτυο. Τα κυστίδια παραδίδουν τα λιπίδια και τις πρωτεΐνες σε άλλα μέρη του κυττάρου.
  
• Λυσοσώματα: Όλες οι μεταβολικές διεργασίες δημιουργούν απόβλητα και το κύτταρο πρέπει να διαθέτει μέσα για να το απαλλαγεί. Αυτή η λειτουργία φροντίζεται από λυσοσώματα, τα οποία περιέχουν πεπτικά ένζυμα που διαλύουν τις πρωτεΐνες, τα λίπη και άλλες ουσίες, συμπεριλαμβανομένων των ίδιων των φθαρμένων οργάνων.
• Vacuoles και κυστίδια: Αυτά τα οργανίδια είναι σάκοι που περνούν γύρω από διάφορα κυτταρικά συστατικά, τα παίρνουν από τη μία ενδοκυτταρική τοποθεσία στην άλλη. Οι κύριες διαφορές είναι ότι τα κυστίδια μπορούν να συντηχθούν με άλλα μεμβρανώδη συστατικά του κυττάρου, ενώ τα κενοτόπια δεν μπορούν. Στα φυτικά κύτταρα, ορισμένα κενοτόπια περιέχουν πεπτικά ένζυμα που μπορούν να διαλύσουν μεγάλα μόρια, όχι σε αντίθεση με τα λυσοσώματα.
• Κυτταροσκελετός: Αυτό το υλικό αποτελείται από μικροσωληνίσκους, πρωτεϊνικά σύμπλοκα που προσφέρουν δομική υποστήριξη επεκτείνοντας από τον πυρήνα μέσω του κυτοπλάσματος μέχρι τη μεμβράνη του πλάσματος. Από αυτή την άποψη, μοιάζουν με τις δοκούς και τους δοκούς ενός κτιρίου, που ενεργούν για να αποτρέψουν την κατάρρευση ολόκληρου του δυναμικού κελιού.

Όταν τα βακτηριακά κύτταρα διαιρούνται, η διαδικασία είναι απλή: Το κελί αντιγράφει όλα τα στοιχεία του, συμπεριλαμβανομένου του DNA, ενώ διπλασιάζεται περίπου σε μέγεθος, και στη συνέχεια χωρίζεται σε δύο σε μια διαδικασία γνωστή ως δυαδική σχάση.

Η ευκαρυωτική κυτταρική διαίρεση εμπλέκεται περισσότερο. Πρώτα, το DNA στον πυρήνα αναδιπλώνεται ενώ ο πυρηνικός φάκελος διαλύεται και στη συνέχεια τα αντιγραφόμενα χρωμοσώματα διαχωρίζονται σε θυγατρικούς πυρήνες. Αυτό είναι γνωστό ως μίτωση και αποτελείται από τέσσερα ξεχωριστά στάδια: προφάση, μεταφάση, αναφάση και τελοφάση. πολλές πηγές εισάγουν ένα πέμπτο στάδιο, που ονομάζεται προμεταφάση, αμέσως μετά την προφύλαξη. Μετά από αυτό, ο πυρήνας διαιρείται και σχηματίζονται νέοι πυρηνικοί φάκελοι γύρω από τα δύο πανομοιότυπα σύνολα χρωμοσωμάτων.

Τέλος, το κελί ως σύνολο χωρίζεται σε μια διαδικασία γνωστή ως κυτοκίνηση. Όταν υπάρχουν ορισμένα ελαττώματα στο DNA χάρη στις κληρονομικές δυσπλασίες (μεταλλάξεις) ή την παρουσία επιβλαβών χημικών, η κυτταρική διαίρεση μπορεί να προχωρήσει ανεξέλεγκτα. Αυτή είναι η βάση για τους καρκίνους, μια ομάδα ασθενειών για τις οποίες δεν υπάρχει καμία θεραπεία, αν και οι θεραπείες συνεχίζουν να βελτιώνονται για να επιτρέψουν την πολύ βελτιωμένη ποιότητα ζωής.