Lahtri struktuur ja funktsioon

Rakud esindavad väikseimaid või vähemalt kõige vähem taandatavaid esemeid, millel on kõik maagilise väljavaadega seotud omadused, mida nimetatakse "eluks", näiteks ainevahetus (energia eraldamine välistest allikatest sisemiste protsesside toiteks) ja paljunemine. Selles osas hõivavad nad bioloogias sama niši nagu aatomid keemias: neid saab kindlasti jagada väiksemateks tükkideks, kuid eraldiseisvana ei saa need tükid tegelikult palju ära teha. Igal juhul sisaldab inimkeha neid kindlasti palju - tublisti üle 30 triljoni (see on 30 miljonit miljon).

Nii loodusteaduste kui ka insenerimaailmas on levinud hoidumine "vormi sobivus". See tähendab sisuliselt seda, et kui millelgi on ette nähtud töö, siis tõenäoliselt näib see olevat võimeline seda tegema see töö; vastupidi, kui näib, et antud ülesande või ülesannete täitmiseks on midagi ette nähtud, siis on hea võimalus, et see asi täpselt seda teeb.

Rakkude korraldus ja nende läbiviidavad protsessid on omavahel tihedalt seotud, isegi lahutamatud ja valdavad rakkude struktuuri ja toimimise põhitõed on nii iseenesest tasuvad kui ka vajalikud elamise olemuse täielikuks mõistmiseks asju.

Aine - nii elava kui eluta - mõiste, mis koosneb suurest hulgast diskreetsetest, sarnastest üksustest, on eksisteerinud juba ajast Kreeka õpetlase Democrituse elu, kes kestis 5. ja 4. sajandil e.m.a. Kuid kuna rakud on liiga väikesed, et neid koos palja silmata, suutis igaüks reaalselt visualiseerida alles 17. sajandil, pärast esimeste mikroskoopide leiutamist neid.

Robert Hooke krediteeritakse mõiste "rakk" loomist bioloogilises kontekstis aastal 1665, ehkki tema töö selles valdkonnas keskendus korgile; umbes 20 aastat hiljem avastas Anton van Leeuwenhoek bakterid. Siiski oleks veel mitu sajandit, enne kui raku konkreetseid osi ja nende funktsioone saaks selgitada ja täielikult kirjeldada. Aastal 1855 väitis suhteliselt ebaselge teadlane Rudolph Virchow õigesti, et elusad rakud võivad pärineda ainult teised elusrakud, ehkki kromosoomide replikatsiooni esimesed vaatlused olid veel paarikümne aasta kaugusel.

Prokarüootid, mis hõlmavad taksonoomilisi domeene Bacteria ja Archaea, on eksisteerinud umbes kolm ja pool miljardit aastat, mis on umbes kolm neljandikku Maa enda vanusest. (Taksonoomia on teadus, mis tegeleb elusolendite klassifitseerimisega; domeen on hierarhia kõrgeima taseme kategooria.) Prokarüootsed organismid koosnevad tavaliselt ainult ühest rakust.

Eukarüootid, kolmas domeen, hõlmavad loomi, taimi ja seeni - lühidalt öeldes - kõike muud elusat, mida tegelikult näete ka ilma laborivahenditeta. Arvatakse, et nende organismide rakud on tekkinud prokarüootidest endosümbioos (kreeka keelest "sees elamine koos"). Ligi 3 miljardit aastat tagasi neelas rakk aeroobse (hapnikku kasutava) bakteri, mis teenis mõlema eluvormi eesmärke kuna "neelatud" bakter pakkus peremeesrakule energia tootmise vahendit, pakkudes samal ajal toetavat keskkonda jaoks endosümbiont.
Lisateave prokarüootsete ja eukarüootsete rakkude sarnasuste ja erinevuste kohta.

Rakud on oma suuruse, kuju ja sisu jaotuse poolest väga erinevad, eriti eukarüootide valdkonnas. Need organismid on palju suuremad kui ka mitmekesisemad kui prokarüootid ja "vormi" vaimus sobib funktsioon ", millele on eelnevalt viidatud, ilmnevad need erinevused isegi üksikute rakkude tasandil.

Vaadake mis tahes rakuskeemi ja olenemata sellest, millisesse organismi rakk kuulub, olete kindel, et näete teatud funktsioone. Nende hulka kuuluvad a plasmamembraan, mis ümbritseb raku sisu; tsütoplasma, mis on želeesarnane keskkond, mis moodustab suurema osa raku sisemusest; desoksüribonukleiinhape (DNA) - geneetiline materjal, mida rakud lähevad edasi tütarrakkudele, mis moodustuvad siis, kui rakk paljunemise ajal jaguneb kaheks; ja ribosoomid, mis on struktuurid, mis on valgusünteesi kohad.

Prokarüootidel on rakumembraanist väljaspool ka rakusein, nagu ka taimedel. Eukarüootides on DNA suletud tuuma, millel on oma plasmamembraan, mis on väga sarnane rakku ennast ümbritsevale.

Rakkude plasmamembraan koosneb a fosfolipiidne kahekihiline, mille korraldus tuleneb selle koostisosade elektrokeemilistest omadustest. Mõlemas kihis sisalduvad fosfolipiidmolekulid hõlmavad järgmist hüdrofiilne "pead", mis tõmbuvad veele nende laengu tõttu, ja hüdrofoobne "sabad", mis pole laetud ja kipuvad seetõttu veest eemale osutama. Iga kihi hüdrofoobsed osad on topeltmembraani siseküljel vastamisi. Väliskihi hüdrofiilne külg on suunatud raku välisküljele, sisemise kihi hüdrofiilne külg aga tsütoplasmale.

Oluline on, et plasmamembraan on poolläbilaskev, mis tähendab, et pigem ööklubi põrkajana lubab see teatud molekulidele sisenemist, keelates samas teistele. Väikesed molekulid nagu glükoos (suhkur, mis on kõigi rakkude lõplik kütuseallikas) ja süsinikdioksiid saab rakus vabalt liikuda ja väljuda, vältides membraaniga risti asetsevaid fosfolipiidmolekule tervikuna. Teisi aineid transporditakse aktiivselt üle membraani adenosiintrifosfaadist (ATP), nukleotiidist, mis on kõigi rakkude energia "valuutaks", töötavate "pumpade" kaudu.
Lisateavet plasmamembraani struktuuri ja funktsiooni kohta.

Tuum toimib eukarüootsete rakkude ajuna. Tuuma ümbritsevat plasmamembraani nimetatakse tuumaümbrikuks. Tuuma sees on kromosoomid, mis on DNA tükid; kromosoomide arv on liigiti erinev (inimesel on 23 erinevat liiki, kuid kokku 46 - üks igat tüüpi emalt ja teine ​​isalt).

Kui eukarüootne rakk jaguneb, teeb tuuma sees olev DNA seda kõigepealt pärast kõigi kromosoomide paljunemist. See protsess, nn mitoos, on üksikasjalikum hiljem.

Ribosoome leidub nii eukarüootsete kui ka prokarüootsete rakkude tsütoplasmas. Eukarüootides on need rühmitatud teatud liikide kaupa organellid (membraaniga seotud struktuurid, millel on spetsiifilised funktsioonid, näiteks organid, nagu maks ja neerud, teevad kehas suuremas ulatuses). Ribosoomid valmistavad valke juhiste abil, mis on kantud DNA "koodis" ja mis edastatakse ribosoomidesse ribonukleiinhappe (mRNA) kaudu.

Pärast mRNA sünteesimist tuumas, kasutades matriitsina DNA-d, lahkub see tuumast ja kinnitub ribosoomidesse, mis koondavad valke 20 erineva hulgast aminohapped. MRNA valmistamise protsessi nimetatakse transkriptsioon, samas kui valkude süntees ise on tuntud kui tõlge.

Ükski arutelu eukarüootse raku koostise ja funktsiooni üle ei saaks olla täielik ega isegi asjakohane ilma mitokondrite põhjaliku ravita. Need organellid, mis on tähelepanuväärsed vähemalt kahel viisil: need on aidanud teadlastel palju teada saada rakud üldiselt ja nad vastutavad peaaegu ainuisikuliselt eukarüootse elu mitmekesisuse eest, võimaldades rakulist arengut hingamine.

Kõik rakud kasutavad kütuseks kuue süsinikuga suhkruglükoosi. Nii prokarüootides kui ka eukarüootides läbib glükoos terve rea keemilisi reaktsioone glükolüüs, mis genereerib raku vajadustele väikese koguse ATP-d. Peaaegu kõigis prokarüootides on see ainevahetusliini lõpp. Kuid eukarüootides, mis on võimelised hapnikku kasutama, lähevad glükolüüsi saadused mitokondritesse ja läbivad täiendavaid reaktsioone.

Esimene neist on Krebsi tsükkel, mis loob väikese koguse ATP-d, kuid toimib enamasti vahemolekulide varumisel rakuhingamise lõppfinaali, elektronide transpordiahel. Krebsi tsükkel toimub maatriks mitokondrite (organelli versiooni privaatsest tsütoplasmast), samas kui elektronide mis toodab valdavat enamust ATP-st eukarüootides, avaldub sisemisel mitokondril membraan.

Eukarüootsetes rakkudes on mitmeid spetsiaalseid elemente, mis rõhutavad nende keeruliste rakkude ulatuslikke, omavahel seotud metaboolseid vajadusi. Need sisaldavad:

• Endoplasmaatiline retikulum: See organell on tuubulite võrk, mis koosneb plasmamembraanist, mis on pidev tuumaümbrisega. Tema ülesandeks on modifitseerida vastvalminud valke, et valmistada neid ette raku järgnevateks funktsioonideks nagu ensüümid, struktuurielemendid ja nii edasi, kohandades neid raku konkreetsetele vajadustele. Samuti toodab see süsivesikuid, lipiide (rasvu) ja hormoone. Endoplasmaatiline retikulum ilmub mikroskoopias kas sileda või karedana, vormid, mida lühendatakse vastavalt SER ja RER. RER on nii määratud, kuna see on "naastudega" ribosoomidega; siin toimub valgu modifikatsioon. Seevastu SER on see, kus eelmainitud ained kokku pannakse.
• Golgi kehad: Seda nimetatakse ka Golgi aparaadiks. See näeb välja nagu lamestatud virn membraaniga seotud kotikestest ja see pakendab lipiide ja valke vesiikulid mis siis endoplasmaatilisest retikulumist eralduvad. Vesiikulid viivad lipiidid ja valgud raku teistesse osadesse.
  
• Lüsosoomid: Kõik ainevahetusprotsessid tekitavad jäätmeid ja rakul peab olema vahend neist vabanemiseks. Selle funktsiooni eest hoolitsevad lüsosoomid, mis sisaldavad seedeensüüme, mis lagundavad valke, rasvu ja muid aineid, kaasa arvatud kulunud organellid ise.
• Vakuoolid ja vesiikulid: Need organellid on kotid, mis liiguvad ümber erinevate rakukomponentide, viies need ühest rakusisest kohast teise. Peamised erinevused on see, et vesiikulid võivad sulanduda raku teiste membraaniliste komponentidega, vakuoolid aga mitte. Taimerakkudes sisaldavad mõned vakuoolid seedetrakti ensüüme, mis suudavad lagundada suuri molekule, erinevalt lüsosoomidest.
• Tsütoskelett: See materjal koosneb mikrotuubulitest, valgukompleksidest, mis pakuvad struktuurilist tuge, ulatudes tuumast läbi tsütoplasma kuni plasmamembraanini. Selles suhtes on nad nagu hoone talad ja kandetalad, mis toimivad selleks, et kogu dünaamiline rakk ise sisse ei kukuks.

Bakterirakkude jagunemisel on protsess lihtne: rakk kopeerib kõik oma elemendid, sealhulgas selle DNA, olles ligikaudu kahekordistunud, ja jaguneb siis kahekordseks binaarse lõhustumise protsessis.

Eukarüootse rakkude jagunemine on rohkem seotud. Kõigepealt korratakse tuumas olevat DNA-d ajal, mil tuumaümbris lahustub, ja seejärel eralduvad paljunenud kromosoomid tütartuumadeks. Seda nimetatakse mitoosiks ja see koosneb neljast erinevast etapist: propaas, metafaas, anafaas ja telofaas; paljud allikad lisavad kohe pärast propaasi viienda etapi, mida nimetatakse prometafaasiks. Pärast seda tuum jaguneb ja kahe identsete kromosoomikomplektide ümber moodustuvad uued tuumaümbrikud.

Lõpuks rakk tervikuna jaguneb protsessis, mida nimetatakse tsütokinees. Kui DNA-s esinevad teatud defektid tänu pärilikele väärarengutele (mutatsioonidele) või kahjulike kemikaalide olemasolule, võib rakkude jagunemine toimuda kontrollimatult; see on aluseks vähktõvele - haiguste rühmale, mille vastu pole veel võimalik ravida, kuigi ravi paraneb jätkuvalt, et võimaldada elukvaliteeti tunduvalt paremaks muuta.