Mida teevad kõik raku osad?

Rakud on elu põhilised ehituskivid. Vähem poeetiliselt on need elusolendite kõige väiksemad üksused, mis säilitavad kõik elu endaga seotud põhiomadused (nt valgusüntees, kütusekulu ja geneetiline materjal). Selle tulemusena peavad rakud vaatamata oma väiksusele täitma väga erinevaid funktsioone, nii koordineeritult kui ka sõltumatult. See omakorda tähendab, et need peavad sisaldama laias valikus erinevaid füüsilisi osi.

Enamik prokarüootsetest organismidest koosneb ainult ühest rakust, samas kui eukarüootide kehad nagu teie ise sisaldavad triljoneid. Eukarüootsed rakud sisaldavad spetsiaalseid struktuure, mida nimetatakse organellideks ja mille membraan sarnaneb kogu rakku ümbritsevale membraanile. Need organellid on raku maaväed, tagades pidevalt raku kõigi hetkevajaduste rahuldamise.

Kõik rakud sisaldavad absoluutselt minimaalselt rakumembraani, geneetilist materjali ja tsütoplasmat, mida nimetatakse ka tsütosooliks. See geneetiline materjal on desoksüribonukleiinhape ehk DNA. Prokarüootides on DNA koondunud tsütoplasma ühte ossa, kuid see ei ole membraaniga suletud, kuna tuum on ainult eukarüootidel. Kõigil rakkudel on rakumembraan, mis koosneb kahekihilisest fosfolipiidist; prokarüootsete rakkude stabiilsuse ja kaitse tagamiseks on rakusein otse väljaspool rakumembraani. Taimerakkudel, mis koos seente ja loomadega on eukarüoodid, on ka rakuseinad.

Kõigil rakkudel on ka ribosoomid. Prokarüootides hõljuvad need tsütoplasmas vabalt; eukarüootides on need tavaliselt seotud endoplasmaatilise retikulumiga. Ribosoomid liigitatakse sageli teatud tüüpi organellide hulka, kuid mõnes skeemis ei kvalifitseeru nad selliseks, kuna neil puudub membraan. Ribosoomide organellide märgistamata jätmine muudab skeemi "ainult eukarüootidel on organellid". Need eukarüootsed organellid hõlmavad lisaks endoplasmaatilisele retikulumile ka mitokondreid (või taimedes, kloroplastides), Golgi kehasid, lüsosoome, vakuoole ja tsütoskeletti.

Rakumembraan, mida nimetatakse ka plasmamembraaniks, on füüsiline piir raku sisekeskkonna ja välismaailma vahel. Kuid ärge eksitage seda põhihinnangut väitega, et rakumembraani roll on lihtsalt kaitsev või et membraan on lihtsalt mingi meelevaldne omadusjoon. Kõigi rakkude, nii prokarüootsete kui ka eukarüootide omadus on mõne miljardi aasta pikkuse evolutsiooni tulemus ja on tegelikult multifunktsionaalne, dünaamiline ime, mis väidetavalt toimib pigem ehtsa intelligentsusega üksuse kui pelgalt tõke.

Rakumembraan koosneb kuulsalt kahekihilisest fosfolipiidist, see tähendab, et see koosneb kahest identsest kihist, mis koosnevad fosfolipiidmolekulidest (või õigemini fosfoglütserolipiididest). Iga üks kiht on asümmeetriline, koosnedes üksikutest molekulidest, millel on mingi seos kalmaaride või mõne tutiga õhupallidega. "Pead" on fosfaadiosad, millel on elektrokeemilise neto tasakaalustamatus ja mida seetõttu peetakse polaarseteks. Kuna vesi on ka polaarne ja kuna sarnaste elektrokeemiliste omadustega molekulid kipuvad koos agregeeruma, peetakse seda fosfolipiidi osa hüdrofiilseks. "Sabad" on lipiidid, täpsemalt rasvhapete paar. Erinevalt fosfaatidest on need laenguta ja seega hüdrofoobsed. Fosfaat kinnitatakse molekuli keskel asuva kolmesüsinikulise glütseroolijäägi ühele küljele ja kaks rasvhapet teise küljega.

Kuna hüdrofoobsed lipiidisabad seonduvad lahuses üksteisega spontaanselt, on kaksikkiht seatud nii, et need kaks fosfaadikihid on suunatud väljapoole ja raku sisemuse poole, samas kui kaks lipiidikihti segunevad raku siseküljel kahekihiline. See tähendab, et topeltmembraanid on joondatud peegelpiltidena, nagu teie keha kaks külge.

Membraan ei takista kahjulike ainete sattumist siseruumidesse. See on valikuliselt läbilaskev, lubades elutähtsaid aineid, kuid takistades teisi, nagu trendika ööklubi põngerja. Samuti võimaldab see valikuliselt jääkainete väljutamist. Mõned membraanis olevad valgud toimivad ioonipumpadena, et säilitada rakus tasakaal (keemiline tasakaal).

Rakkude tsütoplasma, mida nimetatakse ka tsütosooliks, tähistab hautist, milles raku erinevad komponendid "ujuvad". Kõik lahtrid, prokarüootsed ja eukarüootsed, neil on tsütoplasma, ilma milleta ei saaks rakul olla struktuurilist terviklikkust kui tühjal õhupallil.

Kui olete kunagi näinud želatiinist magustoitu, mille sees on puuviljatükid, võiksite mõelda želatiinile ise tsütoplasmas, vili organellidena ja želatiini rakumembraanina või rakuna hoidev roog sein. Tsütoplasma konsistents on vesine ja seda nimetatakse ka maatriksiks. Vaatamata kõnealuse raku tüübile sisaldab tsütoplasma valkude ja molekulaarse "masina" tunduvalt suuremat tihedust kui ookeanivesi või muu eluta keskkond, mis annab tunnistust tööst, mida rakumembraan homöostaasi (elusolendite suhtes kasutatava "tasakaalu" tähenduses) säilitamisel teeb rakke.

Prokarüootides leidub tsütoplasmas raku geneetilist materjali, DNA-d, mida ta kasutab nii paljunemiseks kui ka ülejäänud raku suunamiseks elusorganismi valgutoodete valmistamiseks. Eukarüootides on see suletud struktuuri, mida nimetatakse tuumaks.

Tuum on tsütoplasmast piiritletud tuumaümbrisega, mis on füüsiliselt sarnane raku plasmamembraaniga. Tuumaümbris sisaldab tuumapoore, mis võimaldavad teatud molekulide sissevoolu ja väljumist. See organell on ükskõik millises rakus suurim, moodustades koguni 10 protsenti raku mahust ja on kergesti nähtav mis tahes mikroskoobi abil, mis on piisavalt võimas, et rakud ise esile tuua. Teadlased on tuuma olemasolust teadlikud juba 1830. aastatest.

Tuuma sees on kromatiin, selle DNA vormi nimi saab siis, kui rakk ei valmista ettevalmistamist jagunemiseks: keerdunud, kuid mitte eraldatud kromosoomideks, mis mikroskoopias eristuvad. Tuum on tuuma osa, mis sisaldab rekombinantset DNA-d (rDNA), ribosomaalse RNA (rRNA) sünteesile pühendatud DNA-d. Lõpuks on nukleoplasm vesine aine tuumaümbrises, mis on analoogne raku tsütoplasmaga.

Lisaks geneetilise materjali säilitamisele määrab tuum kindlaks, millal rakk jaguneb ja paljuneb.

Mitokondreid leidub loomade eukarüootides ja need esindavad rakkude "jõujaamu", kuna just need piklikud organellid toimuvad aeroobse hingamise kaudu. Aeroobne hingamine tekitab iga tarbitud glükoosimolekuli (keha lõplik kütusevaluuta) kohta 36–38 ATP molekuli ehk adenosiinitrifosfaati (rakkude peamine energiaallikas); glükolüüs, mis aga ei vaja edasiseks hapnikku, tekitab vaid umbes kümnendiku nii palju energiat (4 ATP glükoosi molekuli kohta). Bakterid saavad hakkama ainult glükolüüsi teel, kuid eukarüoodid ei saa.

Aeroobne hingamine toimub kahes etapis, mitokondrite piires kahes erinevas kohas. Esimene samm on Krebsi tsükkel, mitokondriaalmaatriksil toimuv reaktsioonide jada, mis sarnaneb mujal paikneva nukleoplasma või tsütoplasmaga. Krebsi tsüklis - mida nimetatakse ka sidrunhappe tsükliks või trikarboksüülhappe tsükliks - kaks püruvaadi molekuli, glükolüüsil toodetav kolme süsinikuga molekul, sisestage iga kuue süsinikuga glükoosi molekuli maatriks tarbitud. Seal läbib püruvaat reaktsioonide tsükli, mis loovad materjali edaspidisteks Krebsi tsükliteks ja muuks mis kõige tähtsam, suure energiaga elektronkandjad aeroobse ainevahetuse järgmiseks etapiks, elektronide transportimiseks kett. Need reaktsioonid toimuvad mitokondriaalmembraanil ja on vahendid, mille abil ATP molekulid aeroobse hingamise käigus vabanevad.

Loomad, taimed ja seened on praegu Maal elavad noodi eukarüoodid. Kui loomad kasutavad kütuse, vee ja süsinikdioksiidi tootmiseks glükoosi ja hapnikku, siis taimed kasutavad hapniku ja glükoosi tootmiseks vett, süsinikdioksiidi ja päikese energiat. Kui see kokkulepe ei tundu juhus, ei ole see nii; protsessitaimi, mida kasutatakse metaboolsete vajaduste rahuldamiseks, nimetatakse fotosünteesiks ja see on sisuliselt aeroobne hingamine, mis kulgeb täpselt vastupidises suunas.

Kuna taimerakud ei lagunda hapnikku kasutades glükoosi kõrvalsaadusi, pole neil mitokondreid ega ole neid vaja. Selle asemel on taimedel kloroplastid, mis muudavad valgusenergia keemiliseks energiaks. Igal taimerakul on kuskil 15 või 20 kuni umbes 100 kloroplastit, mis arvatakse, et nagu loomarakkude mitokondrid on kunagi eksisteerinud iseseisvalt eukarüootide arenemisele eelnenud päevade jooksul pärast nende väiksemate organismide ilmselt neelamist ja nende bakterite metaboolse masina ühendamist oma.

Kui mitokondrid on rakkude elektrijaamad, on ribosoomid tehased. Ribosoomid ei ole membraanidega seotud ja seega ei ole need tehniliselt organellid, kuid mugavuse huvides on need sageli rühmitatud tõeliste organellidega.

Ribosoome leidub prokarüootide ja eukarüootide tsütoplasmas, kuid viimastel kinnituvad need sageli endoplasmaatilise retikulumi külge. Need koosnevad umbes 60 protsendist valgust ja umbes 40 protsendist rRNA-st. rRNA on nukleiinhape, nagu DNA, messenger RNA (mRNA) ja ülekandev RNA (tRNA).

Ribosoomid eksisteerivad ühel lihtsal põhjusel: valkude tootmiseks. Nad teevad seda translatsiooniprotsessi kaudu, mis on DNA kaudu rRNA-s kodeeritud geneetiliste juhiste muundamine valguproduktideks. Ribosoomid koguvad organismis 20 tüüpi aminohapetest valke, millest igaüks transporditakse teatud tüüpi tRNA abil ribosoomi. Nende aminohapete lisamise järjekorra täpsustab mRNA, millest igaüks sisaldab ühest saadud teavet DNA geen - see on DNA pikkus, mis on ühe valguprodukti, olgu see siis ensüüm, hormoon või silm, kavandina pigment.

Tõlkimist peetakse väikesemahulise bioloogia nn keskse dogma kolmandaks ja viimaseks osaks: DNA teeb mRNA ja mRNA teeb valke või vähemalt kannab nende jaoks juhiseid. Suures skeemis on ribosoom ainus raku osa, mis toetub toimimiseks üheaegselt kõigile kolmele RNA tüübile (mRNA, rRNA ja tRNA).

Enamik järelejäänud organellidest on vesiikulid või mingisugused bioloogilised "kotikesed". Golgi kehad, millel on mikroskoopilisel uurimisel iseloomulik "pannkoogivirna" paigutus, sisaldavad äsja sünteesitud valke; Golgi kehad vabastavad need väikestes vesiikulites, pigistades need ära, sel hetkel on neil väikestel kehadel oma suletud membraan. Enamik neist väikestest vesiikulitest kerkib endoplasmaatilisse võrku, mis on kogu raku jaoks nagu maantee- või raudteesüsteem. Mõnel endoplasma liikil on palju ribosoome kinnitatud, mis annab neile mikroskoobi all "karmi" välimuse; vastavalt sellele kannavad need organellid nimetust töötlemata endoplasmaatiline retikulum ehk RER. Seevastu ribosoomivaba endoplasmaatilist retikulumit nimetatakse siledaks endoplasmaatiliseks retikulumiks ehk SER-ks.

Rakud sisaldavad ka lüsosoome, vesiikulid, mis sisaldavad võimsaid ensüüme, mis lagundavad jäätmeid või soovimatuid külastajaid. Need on nagu mobiilne vastus koristusmeeskonnale.