Wat doen alle delen van een cel?

Cellen zijn de fundamentele bouwstenen van het leven. Minder poëtisch zijn het de kleinste eenheden van levende wezens die alle basiseigenschappen van het leven zelf behouden (bijvoorbeeld eiwitsynthese, brandstofverbruik en genetisch materiaal). Als gevolg hiervan moeten cellen, ondanks hun kleine formaat, een breed scala aan functies uitvoeren, zowel gecoördineerd als onafhankelijk. Dit betekent op zijn beurt dat ze een breed scala aan verschillende fysieke onderdelen moeten bevatten.

De meeste prokaryotische organismen bestaan ​​uit slechts een enkele cel, terwijl de lichamen van eukaryoten zoals jij biljoenen bevatten. Eukaryotische cellen bevatten gespecialiseerde structuren, organellen genaamd, die een membraan bevatten dat lijkt op het membraan dat de hele cel omgeeft. Deze organellen zijn de grondtroepen van de cel en zorgen er voortdurend voor dat aan alle behoeften van de cel wordt voldaan.

Alle cellen bevatten minimaal een celmembraan, genetisch materiaal en cytoplasma, ook wel cytosol genoemd. Dit genetische materiaal is desoxyribonucleïnezuur of DNA. Bij prokaryoten is het DNA geclusterd in een deel van het cytoplasma, maar het wordt niet omsloten door een membraan omdat alleen eukaryoten een kern hebben. Alle cellen hebben een celmembraan dat bestaat uit een fosfolipide dubbellaag; prokaryotische cellen hebben een celwand direct buiten het celmembraan voor extra stabiliteit en bescherming. De cellen van planten, die samen met schimmels en dieren eukaryoten zijn, hebben ook celwanden.

Alle cellen hebben ook ribosomen. Bij prokaryoten drijven deze vrij in het cytoplasma; in eukaryoten zijn ze typisch gebonden aan het endoplasmatisch reticulum. Ribosomen worden vaak geclassificeerd als een soort organel, maar in sommige schema's kwalificeren ze niet als zodanig omdat ze geen membraan hebben. Het niet labelen van ribosomen-organellen maakt het schema "alleen eukaryoten hebben organellen" consistent. Deze eukaryote organellen omvatten, naast het endoplasmatisch reticulum, mitochondriën (of in planten, chloroplasten), Golgi-lichamen, lysosomen, vacuolen en het cytoskelet.

Het celmembraan, ook wel het plasmamembraan genoemd, is een fysieke grens tussen de interne omgeving van de cel en de buitenwereld. Verwar deze fundamentele beoordeling echter niet met de suggestie dat de rol van het celmembraan louter beschermend is, of dat het membraan slechts een soort willekeurige eigenschapslijn is. Dit kenmerk van alle cellen, zowel prokaryote als eukaryote, is het product van een paar miljard jaar evolutie en is in in feite een multifunctioneel, dynamisch wonder dat aantoonbaar meer functioneert als een entiteit met echte intelligentie dan als een barrière.

Het celmembraan bestaat beroemd uit een fosfolipide dubbellaag, wat betekent dat het is samengesteld uit twee identieke lagen bestaande uit fosfolipide-moleculen (of beter gezegd, fosfoglycerolipiden). Elke enkele laag is asymmetrisch en bestaat uit individuele moleculen die iets met inktvissen te maken hebben, of met ballonnen met een paar kwastjes. De "koppen" zijn de fosfaatdelen, die een netto elektrochemische ladingsonbalans hebben en dus als polair worden beschouwd. Omdat water ook polair is en omdat moleculen met vergelijkbare elektrochemische eigenschappen de neiging hebben om samen te aggregeren, wordt dit deel van het fosfolipide als hydrofiel beschouwd. De "staarten" zijn lipiden, in het bijzonder een paar vetzuren. Deze zijn, in tegenstelling tot fosfaten, ongeladen en dus hydrofoob. Het fosfaat is bevestigd aan één kant van een drie-koolstof glycerolresidu in het midden van het molecuul, en de twee vetzuren zijn aan de andere kant verbonden.

Omdat de hydrofobe lipidestaarten spontaan met elkaar associëren in oplossing, is de dubbellaag zo opgezet dat de twee fosfaatlagen zijn naar buiten en naar het binnenste van de cel gericht, terwijl de twee lipidelagen aan de binnenkant van de dubbellaags. Dit betekent dat de dubbele membranen als spiegelbeelden zijn uitgelijnd, zoals de twee kanten van je lichaam.

Het membraan zorgt er niet alleen voor dat schadelijke stoffen het binnenste bereiken. Het is selectief permeabel, laat vitale stoffen binnen maar blokkeert andere, zoals de uitsmijter in een trendy nachtclub. Het maakt ook selectief het uitwerpen van afvalproducten mogelijk. Sommige eiwitten die in het membraan zijn ingebed, werken als ionenpompen om het evenwicht (chemisch evenwicht) in de cel te handhaven.

Het celcytoplasma, ook wel het cytosol genoemd, vertegenwoordigt de stoofpot waarin de verschillende componenten van de cel "zwemmen". alle cellen, prokaryotisch en eukaryoot, hebben een cytoplasma, zonder welke de cel niet meer structurele integriteit zou kunnen hebben dan een lege ballon.

Als je ooit een gelatinedessert met stukjes fruit erin hebt gezien, denk je misschien aan de gelatine zichzelf als het cytoplasma, de vrucht als organellen en de schaal die de gelatine bevat als een celmembraan of cel muur. De consistentie van het cytoplasma is waterig en wordt ook wel matrix genoemd. Ongeacht het type cel in kwestie bevat het cytoplasma een veel hogere dichtheid van eiwitten en moleculaire "machines" dan oceaanwater of niet-levend omgeving, wat een bewijs is van het werk dat het celmembraan doet bij het handhaven van de homeostase (een ander woord voor "evenwicht" zoals toegepast op levende wezens) binnenin cellen.

In prokaryoten wordt het genetische materiaal van de cel, het DNA dat het gebruikt om zich voort te planten en om de rest van de cel te sturen om eiwitproducten voor het levende organisme te maken, gevonden in het cytoplasma. In eukaryoten is het ingesloten in een structuur die de kern wordt genoemd.

De kern wordt afgebakend van het cytoplasma door een nucleaire envelop, die fysiek vergelijkbaar is met het plasmamembraan van de cel. De nucleaire envelop bevat nucleaire poriën die de instroom en uittreding van bepaalde moleculen mogelijk maken. Dit organel is het grootste in elke cel, goed voor maar liefst 10 procent van het volume van een cel, en is gemakkelijk zichtbaar met elke microscoop die krachtig genoeg is om cellen zelf te onthullen. Wetenschappers weten sinds de jaren 1830 van het bestaan ​​van de kern.

Binnen in de kern bevindt zich chromatine, de naam voor de vorm die DNA aanneemt wanneer de cel zich niet voorbereidt om te delen: opgerold, maar niet gescheiden in chromosomen die op microscopie verschillend lijken. De nucleolus is het deel van de kern dat recombinant DNA (rDNA) bevat, het DNA dat is gewijd aan de synthese van ribosomaal RNA (rRNA). Ten slotte is het nucleoplasma een waterige substantie in de nucleaire envelop die analoog is aan het cytoplasma in de eigenlijke cel.

Naast het opslaan van genetisch materiaal, bepaalt de kern wanneer de cel zich zal delen en reproduceren.

Mitochondriën worden aangetroffen in dierlijke eukaryoten en vertegenwoordigen de "krachtcentrales" van cellen, aangezien deze langwerpige organellen de plaats zijn waar aerobe ademhaling plaatsvindt. Aërobe ademhaling genereert 36 tot 38 moleculen ATP, of adenosinetrifosfaat (de belangrijkste energiebron van de cellen) voor elk molecuul glucose (de ultieme brandstofvaluta van het lichaam) dat het verbruikt; glycolyse, aan de andere kant, die geen zuurstof nodig heeft om door te gaan, genereert slechts ongeveer een tiende van deze hoeveelheid energie (4 ATP per glucosemolecuul). Bacteriën kunnen alleen rondkomen van glycolyse, maar eukaryoten niet.

Aërobe ademhaling vindt plaats in twee stappen, op twee verschillende locaties in de mitochondriën. De eerste stap is de Krebs-cyclus, een reeks reacties die plaatsvinden op de mitochondriale matrix, die verwant is aan het nucleoplasma of het cytoplasma elders. In de Krebs-cyclus – ook wel de citroenzuurcyclus of de tricarbonzuurcyclus genoemd – twee moleculen pyruvaat, een molecuul met drie koolstofatomen geproduceerd in glycolyse, gaat de matrix binnen voor elk molecuul van glucose met zes koolstofatomen verbruikt. Daar ondergaat het pyruvaat een cyclus van reacties die materiaal genereren voor verdere Krebs-cycli en, meer belangrijk, hoogenergetische elektronendragers voor de volgende stap in het aerobe metabolisme, het elektronentransport electron ketting. Deze reacties vinden plaats op het mitochondriale membraan en zijn het middel waarmee de ATP-moleculen worden vrijgemaakt tijdens aerobe ademhaling.

Dieren, planten en schimmels zijn de eukaryoten die momenteel op aarde leven. Terwijl dieren glucose en zuurstof gebruiken om brandstof, water en koolstofdioxide te genereren, maken planten gebruik van water, koolstofdioxide en de energie van de zon om zuurstof en glucose te produceren. Als deze regeling geen toeval lijkt, is het dat ook niet; het proces dat planten gebruiken voor hun metabolische behoeften wordt fotosynthese genoemd, en het is in wezen aërobe ademhaling die precies in de tegenovergestelde richting loopt.

Omdat plantencellen geen bijproducten van glucose afbreken met behulp van zuurstof, hebben of hebben ze geen mitochondriën nodig. In plaats daarvan bezitten planten chloroplasten, die in feite lichtenergie omzetten in chemische energie. Elke plantencel heeft ergens tussen de 15 of 20 tot ongeveer 100 chloroplasten, waarvan wordt aangenomen dat ze, net als mitochondriën in dierlijke cellen, ooit als vrijstaande cel hebben bestaan. bacteriën in de dagen voordat eukaryoten evolueerden nadat ze blijkbaar deze kleinere organismen hadden opgeslokt en de metabolische machinerie van deze bacteriën in hun eigen.

Als mitochondriën de krachtcentrales van cellen zijn, zijn ribosomen de fabrieken. Ribosomen zijn niet gebonden door membranen en zijn dus technisch gezien geen organellen, maar voor het gemak worden ze vaak gegroepeerd met echte organellen.

Ribosomen worden gevonden in het cytoplasma van prokaryoten en eukaryoten, maar op de laatste zijn ze vaak gehecht aan het endoplasmatisch reticulum. Ze bestaan ​​uit ongeveer 60 procent eiwit en ongeveer 40 procent rRNA. rRNA is een nucleïnezuur, zoals DNA, messenger RNA (mRNA) en transfer RNA (tRNA).

Ribosomen bestaan ​​om één simpele reden: om eiwitten te maken. Ze doen dit via het translatieproces, dat is de omzetting van genetische instructies die in rRNA zijn gecodeerd via DNA in eiwitproducten. Ribosomen assembleren eiwitten van de 20 soorten aminozuren in het lichaam, die elk door een bepaald type tRNA naar het ribosoom worden gependeld. De volgorde waarin deze aminozuren worden toegevoegd, wordt gespecificeerd door het mRNA, dat elk de informatie bevat die is afgeleid van een enkele DNA-gen - dat wil zeggen een stuk DNA dat dient als een blauwdruk voor een enkel eiwitproduct, of het nu een enzym, een hormoon of een oog is pigment.

Vertaling wordt beschouwd als het derde en laatste deel van het zogenaamde centrale dogma van de kleinschalige biologie: DNA maakt mRNA en mRNA maakt, of draagt ​​in ieder geval instructies voor, eiwitten. In het grote schema is het ribosoom het enige deel van de cel dat tegelijkertijd afhankelijk is van alle drie de standaardtypen RNA (mRNA, rRNA en tRNA) om te kunnen functioneren.

De meeste van de resterende organellen zijn blaasjes, of biologische "zakjes", van een soort. De Golgi-lichamen, die bij microscopisch onderzoek een karakteristieke "pancake-stack"-rangschikking hebben, bevatten nieuw gesynthetiseerde eiwitten; de Golgi-lichaampjes geven deze vrij in kleine blaasjes door deze af te knijpen, waarna deze kleine lichaampjes hun eigen gesloten membraan hebben. De meeste van deze kleine blaasjes komen terecht in het endoplasmatisch reticulum, dat als een snelweg of spoorwegsysteem voor de hele cel is. Aan sommige soorten endoplasma zitten veel ribosomen vast, waardoor ze er onder een microscoop "ruw" uitzien; dienovereenkomstig worden deze organellen ruw endoplasmatisch reticulum of RER genoemd. Daarentegen wordt ribosoomvrij endoplasmatisch reticulum glad endoplasmatisch reticulum of SER genoemd.

Cellen bevatten ook lysosomen, blaasjes die krachtige enzymen bevatten die afvalstoffen of ongewenste bezoekers afbreken. Deze zijn als het mobiele antwoord op een schoonmaakploeg.