Struktura i funkcija stanice

Stanice predstavljaju najmanje, ili barem najneprivodivije predmete koji imaju sve osobine povezane s čarobnom perspektivom zvanom "život", kao što je metabolizam (vađenje energije iz vanjskih izvora za pokretanje unutarnjih procesa) i reprodukcija. S tim u vezi, oni zauzimaju istu nišu u biologiji kao i atomi u kemiji: oni se sigurno mogu rastaviti na manje dijelove, ali izolirano, ti dijelovi zapravo ne mogu učiniti puno. U svakom slučaju, ljudsko tijelo ih sigurno sadrži puno - više od 30 bilijuna (to je 30 milijuna milijuna).

Uobičajeni refren i u prirodnim znanostima i u inženjerskom svijetu je "oblik odgovara funkciji". Ovaj u osnovi znači da će, ako nešto ima zadani posao, vjerojatno izgledati kao da je sposobno obaviti taj posao; obrnuto, ako se čini da je nešto napravljeno za izvršenje zadanog zadatka ili zadataka, onda postoji velika vjerojatnost da je to upravo ono što ta stvar radi.

Organizacija stanica i procesi koje oni provode usko su povezani, čak i nerazdvojni, i ovladavanje njima osnove stanične strukture i funkcije same su po sebi korisne i nužne za potpuno razumijevanje prirode življenja stvari.

Koncept materije - i žive i nežive - koja se sastoji od velikog broja diskretnih, sličnih jedinica postoji od vremena Demokrita, grčkog učenjaka čiji je život trajao 5. i 4. st. pr. Ali budući da su stanice premale da bi se mogle vidjeti s nepomičnim okom, tek u 17. stoljeću, nakon izuma prvih mikroskopa, itko je mogao stvarno zamisliti ih.

Robert Hooke općenito je zaslužan za to što je 1665. godine u biološkom kontekstu skovao pojam "stanica", iako se njegov rad na ovom području fokusirao na plutu; oko 20 godina kasnije, Anton van Leeuwenhoek otkrio je bakterije. Međutim, trebalo bi proći još nekoliko stoljeća prije nego što bi se pojedini dijelovi stanice i njihove funkcije mogli razjasniti i u potpunosti opisati. 1855. relativno nejasni znanstvenik Rudolph Virchow ispravno je teoretizirao da žive stanice mogu samo potjecati drugim živim stanicama, iako su prva opažanja replikacije kromosoma još bila udaljena nekoliko desetljeća.

Prokarioti, koji obuhvaćaju taksonomske domene Bakterije i Arheje, postoje otprilike tri i pol milijarde godina, što je oko tri četvrtine starosti Zemlje. (Taksonomija je li znanost koja se bavi klasifikacijom živih bića; domena je kategorija najviše razine u hijerarhiji.) Prokariotski se organizmi obično sastoje od samo jedne stanice.

Treća domena eukariota uključuje životinje, biljke i gljive - ukratko, sve živo što zapravo možete vidjeti bez laboratorijskih instrumenata. Vjeruje se da su stanice ovih organizama nastale iz prokariota kao rezultat endosimbioza (od grčkog iz "zajednički život iznutra"). Prije blizu 3 milijarde godina, stanica je progutala aerobnu bakteriju (koja koristi kisik), koja je služila u oba životna oblika jer je "progutana" bakterija osigurala sredstvo za proizvodnju energije za stanicu domaćina, pružajući pritom poticajno okruženje za endosimbiont.
Pročitajte više o sličnostima i razlikama prokariontskih i eukariotskih stanica.

Stanice se vrlo razlikuju u veličini, obliku i raspodjeli svog sadržaja, posebno unutar područja eukariota. Ti su organizmi mnogo veći, kao i mnogo raznolikiji od prokariota, i u duhu "oblika" odgovara funkciji "koja je prethodno spomenuta, ove su razlike vidljive čak i na razini pojedinačnih stanica.

Provjerite bilo koji dijagram stanice i bez obzira kojem organizmu stanica pripada, sigurni ste da vidite određene značajke. Tu spadaju a plazma membrana, koji zatvara stanični sadržaj; the citoplazma, koji je želeu sličan medij koji tvori većinu unutrašnjosti stanice; deoksiribonukleinska kiselina (DNA), genetski materijal koji stanice prelaze u stanice kćeri koje nastaju kad se stanica tijekom reprodukcije podijeli na dva dijela; i ribosomi, koji su strukture koje su mjesta sinteze proteina.

Prokarioti također imaju staničnu stijenku izvan stanične membrane, kao i biljke. U eukariota je DNA zatvorena u jezgru koja ima vlastitu plazemsku membranu vrlo sličnu onoj koja okružuje samu stanicu.

Plazma membrana stanica sastoji se od a fosfolipidni dvoslojčija organizacija proizlazi iz elektrokemijskih svojstava njegovih sastavnih dijelova. Molekule fosfolipida u svakom od dva sloja uključuju hidrofilni "glave", koje se zbog naboja uvlače u vodu, i hidrofobni "repovi", koji se ne pune i zato teže usmjeravati dalje od vode. Hidrofobni dijelovi svakog sloja okrenuti su jedan prema drugome u unutrašnjosti dvostruke membrane. Hidrofilna strana vanjskog sloja okrenuta je prema vanjskoj strani stanice, dok je hidrofilna strana unutarnjeg sloja okrenuta prema citoplazmi.

Presudno je to što je plazma membrana polupropusna, što znači da, poput izbacivača u noćnom klubu, odobrava ulaz određenim molekulama, dok drugim zabranjuje ulazak. Male molekule poput glukoze (šećer koji služi kao krajnji izvor goriva za sve stanice) i ugljični dioksid mogu se slobodno kretati i izlaziti iz stanice, izbjegavajući molekule fosfolipida poredane okomito na membranu kao cijela. Ostale se tvari aktivno prenose preko membrane pomoću "pumpi" koje pokreće adenozin trifosfat (ATP), nukleotid koji služi kao energetska "valuta" svih stanica.
Pročitajte više o strukturi i funkciji plazmatske membrane.

Jezgra funkcionira kao mozak eukariotskih stanica. Plazma membrana oko jezgre naziva se nuklearna ovojnica. Unutar jezgre su kromosomi, koji su "komadi" DNK; broj kromosoma varira od vrste do vrste (ljudi imaju 23 različite vrste, ali sveukupno 46 - po jednu od majke i oca).

Kada se eukariotska stanica podijeli, DNK unutar jezgre to prvo učini, nakon što se svi kromosomi repliciraju. Ovaj postupak, tzv mitoza, detaljno je opisano kasnije.

Ribosomi se nalaze u citoplazmi eukariotskih i prokariontskih stanica. U eukariota su skupljeni uz određene organele (strukture vezane na membranu koje imaju specifične funkcije, poput organa kao što su jetra i bubrezi u većem dijelu tijela). Ribosomi stvaraju proteine ​​pomoću uputa koje se nose u "kodu" DNA i prenose se u ribosome glasnikom ribonukleinske kiseline (mRNA).

Nakon što se mRNA sintetizira u jezgri koristeći DNA kao predložak, ona napušta jezgru i veže se na ribosome koji okupljaju proteine ​​između 20 različitih aminokiseline. Poziva se proces stvaranja mRNA transkripcija, dok je sama sinteza proteina poznata kao prijevod.

Nijedna rasprava o sastavu i funkciji eukariotskih stanica ne može biti potpuna ili čak relevantna bez temeljitog liječenja mitohondrija. Ove organele koje su izvanredne na barem dva načina: Pomogle su znanstvenicima da nauče mnogo o evolucijskom porijeklu stanice općenito, a gotovo su isključivo odgovorne za raznolikost eukariotskog života dopuštajući razvoj staničnih disanje.

Sve stanice koriste šećernu šećera sa šest ugljika za gorivo. I kod prokariota i kod eukariota glukoza prolazi kroz niz kemijskih reakcija koje se zajednički nazivaju glikoliza, koji generira malu količinu ATP-a za potrebe stanice. U gotovo svih prokariota ovo je kraj metaboličke linije. Ali u eukariota, koji su sposobni koristiti kisik, proizvodi glikolize prelaze u mitohondrije i podvrgavaju se daljnjim reakcijama.

Prva od njih je Krebsov ciklus, koji stvara malu količinu ATP-a, ali uglavnom funkcionira kao zaliha srednjih molekula za veliko finale staničnog disanja, lanac za transport elektrona. Krebsov ciklus odvija se u matrica mitohondrija (verzija organele privatne citoplazme), dok je lanac transporta elektrona, koji proizvodi ogromnu većinu ATP-a u eukariotima, transpirira se na unutarnjem mitohondrijumu membrana.

Eukariotske stanice mogu se pohvaliti nizom specijaliziranih elemenata koji ističu opsežne, međusobno povezane metaboličke potrebe ovih složenih stanica. To uključuje:

• Endoplazmatski retikulum: Ova organela je mreža tubula koji se sastoje od plazmatske membrane koja je kontinuirana s nuklearnom ovojnicom. Njegov je posao modificirati novoproizvedene proteine ​​kako bi ih pripremio za svoje stanične funkcije kao enzimi, strukturni elementi i tako dalje, prilagođavajući ih specifičnim staničnim potrebama. Također proizvodi ugljikohidrate, lipide (masti) i hormone. Endoplazmatski retikulum se na mikroskopiji čini glatkim ili grubim, oblici koji su skraćeni SER, odnosno RER. RER je tako označen jer je "zasut" ribosomima; tu se događa modifikacija proteina. S druge strane, SER se okupljaju gore spomenute tvari.
• Golgijeva tijela: Naziva se i Golgijevim aparatom. Izgleda poput spljoštene gomile vrećica vezanih za membranu i spakira lipide i proteine ​​u vezikule koji se tada odvoje od endoplazmatskog retikuluma. Mjehurići dopremaju lipide i proteine ​​u druge dijelove stanice.
  
• Lizozomi: Svi metabolički procesi stvaraju otpad, a stanica ga mora posjedovati sredstvo da ga se riješi. O ovoj se funkciji brinu lizozomi koji sadrže probavne enzime koji razgrađuju proteine, masti i druge tvari, uključujući i same istrošene organele.
• Vakuole i vezikule: Te su organele vrećice koje se kreću oko različitih staničnih komponenata, prenoseći ih s jednog unutarstaničnog mjesta na drugo. Glavne razlike su u tome što se vezikule mogu spojiti s drugim opnastim komponentama stanice, dok se vakuole ne mogu. U biljnim stanicama neke vakuole sadrže probavne enzime koji mogu razgraditi velike molekule, za razliku od lizosoma.
• Citoskelet: Ovaj se materijal sastoji od mikrotubula, proteinskih kompleksa koji pružaju strukturnu potporu protežući se od jezgre kroz citoplazmu pa sve do plazmatske membrane. U tom pogledu, oni su poput greda i nosača zgrade koji djeluju kako bi spriječili da se cijela dinamička stanica uruši u sebi.

Kad se bakterijske stanice podijele, postupak je jednostavan: Stanica kopira sve svoje elemente, uključujući i svoje DNA, dok se približno udvostručuje u veličini, a zatim se razdvaja na dva dijela u procesu poznatom kao binarna fisija.

Podjela eukariotske stanice više je uključena. Prvo se DNA u jezgri replicira dok se nuklearna ovojnica otapa, a zatim se replicirani kromosomi razdvajaju u kćerne jezgre. To je poznato kao mitoza, a sastoji se od četiri različita stupnja: profaze, metafaze, anafaze i telofaze; mnogi izvori umeću petu fazu, koja se naziva prometafaza, odmah nakon profaze. Nakon toga, jezgra se dijeli i stvaraju se nove nuklearne ovojnice oko dva identična seta kromosoma.

Konačno, stanica se u cjelini dijeli u procesu poznatom kao citokineza. Kada su u DNA prisutni određeni nedostaci zahvaljujući nasljednim malformacijama (mutacijama) ili prisutnosti štetnih kemikalija, dioba stanica može se nastaviti neprovjereno; ovo je osnova za karcinome, skupinu bolesti za koje još uvijek nema lijeka, iako se liječenje i dalje poboljšava kako bi se omogućila znatno poboljšana kvaliteta života.