De structuur en functie van een cel

Cellen vertegenwoordigen de kleinste, of op zijn minst de meest onherleidbare, objecten die alle eigenschappen hebben die horen bij het magische vooruitzicht dat 'leven' wordt genoemd, zoals metabolisme (energie halen uit externe bronnen om interne processen aan te drijven) en reproductie. In dit opzicht bezetten ze dezelfde niche in de biologie als atomen in de chemie: ze kunnen zeker in kleinere stukjes worden opgesplitst, maar afzonderlijk kunnen die stukjes niet echt veel doen. In ieder geval bevat het menselijk lichaam er zeker veel – ruim 30 biljoen (dat is 30 miljoen miljoen).

Een veel voorkomend refrein in zowel de natuurwetenschappen als de technische wereld is 'vorm past bij functie'. Dit betekent in wezen dat als iets een bepaalde taak heeft om te doen, het er waarschijnlijk uitziet alsof het in staat is om te doen die baan; omgekeerd, als iets lijkt te zijn gemaakt om een ​​bepaalde taak of taken te volbrengen, dan is de kans groot dat dit precies is wat dat ding doet.

De organisatie van cellen en de processen die ze uitvoeren zijn nauw verwant, zelfs onafscheidelijk, en beheersen deing basisprincipes van celstructuur en -functie is zowel lonend op zichzelf als noodzakelijk om de aard van het leven volledig te begrijpen dingen.

Het concept van materie - zowel levend als niet-levend - als bestaande uit grote aantallen discrete, vergelijkbare eenheden bestaat sinds die tijd van Democritus, een Griekse geleerde wiens leven de 5e en 4e eeuw voor Christus overspande. Maar aangezien cellen veel te klein zijn om gezien te worden met de met het blote oog, was het pas in de 17e eeuw, na de uitvinding van de eerste microscopen, dat iemand daadwerkelijk kon visualiseren hen.

Robert Hooke wordt over het algemeen gecrediteerd met het bedenken van de term "cel" in een biologische context in 1665, hoewel zijn werk op dit gebied zich concentreerde op kurk; ongeveer 20 jaar later ontdekte Anton van Leeuwenhoek bacteriën. Het zou echter nog een paar eeuwen duren voordat de specifieke delen van een cel en hun functies konden worden opgehelderd en volledig beschreven. In 1855 theoretiseerde de relatief obscure wetenschapper Rudolph Virchow, terecht, dat levende cellen alleen kunnen komen van: andere levende cellen, hoewel de eerste waarnemingen van chromosoomreplicatie nog een paar decennia verwijderd waren.

Prokaryoten, die de taxonomische domeinen Bacteria en Archaea omvatten, bestaan ​​al ongeveer drie en een half miljard jaar, wat ongeveer driekwart van de leeftijd van de aarde zelf is. (taxonomie is de wetenschap die zich bezighoudt met de classificatie van levende wezens; domein is de categorie op het hoogste niveau binnen de hiërarchie.) Prokaryotische organismen bestaan ​​meestal uit slechts een enkele cel.

Eukaryoten, het derde domein, omvatten dieren, planten en schimmels - kortom alles wat leeft dat je zonder laboratoriuminstrumenten kunt zien. Aangenomen wordt dat de cellen van deze organismen zijn ontstaan ​​uit prokaryoten als gevolg van: endosymbiose (van het Grieks van "binnen samenleven"). Bijna 3 miljard jaar geleden verzwolg een cel een aërobe (zuurstofverbruikende) bacterie, die voor beide levensvormen diende omdat de "ingelikte" bacterie een middel was voor energieproductie voor de gastheercel en tegelijkertijd een ondersteunende omgeving bood voor de endosymbiont.
Lees meer over de overeenkomsten en verschillen van prokaryotische en eukaryote cellen.

Cellen variëren sterk in grootte, vorm en de verdeling van hun inhoud, vooral binnen het domein van eukaryoten. Deze organismen zijn veel groter en veel diverser dan prokaryoten, en in de geest van "vorm" past bij functie" waarnaar eerder werd verwezen, zijn deze verschillen zelfs op het niveau van individuele cellen duidelijk.

Raadpleeg een willekeurig celdiagram en tot welk organisme de cel ook behoort, u bent verzekerd van het zien van bepaalde kenmerken. Deze omvatten een plasma membraan, die de cellulaire inhoud omsluit; de cytoplasma, een geleiachtig medium dat het grootste deel van het binnenste van de cel vormt; deoxyribonucleïnezuur (DNA), het genetische materiaal dat cellen doorgeven aan de dochtercellen die zich vormen wanneer een cel zich tijdens de voortplanting in tweeën deelt; en ribosomen, die structuren zijn die de plaatsen zijn van eiwitsynthese.

Prokaryoten hebben ook een celwand buiten het celmembraan, net als planten. Bij eukaryoten is het DNA ingesloten in een kern, die zijn eigen plasmamembraan heeft dat erg lijkt op het membraan dat de cel zelf omringt.

Het plasmamembraan van cellen bestaat uit a fosfolipide dubbellaag, waarvan de organisatie volgt uit de elektrochemische eigenschappen van de samenstellende delen. De fosfolipidemoleculen in elk van de twee lagen omvatten: hydrofiel "hoofden", die door hun lading naar het water worden getrokken, en hydrofoob "staarten", die niet zijn opgeladen en daarom de neiging hebben om van het water af te wijzen. De hydrofobe delen van elke laag zijn naar elkaar gericht aan de binnenkant van het dubbele membraan. De hydrofiele kant van de buitenste laag is naar de buitenkant van de cel gericht, terwijl de hydrofiele kant van de binnenste laag naar het cytoplasma is gericht.

Cruciaal is dat het plasmamembraan halfdoorlatend, wat betekent dat het, net als een uitsmijter in een nachtclub, toegang verleent aan bepaalde moleculen en de toegang tot andere weigert. Kleine moleculen zoals glucose (de suiker die dient als de ultieme brandstofbron voor alle cellen) en koolstofdioxide kan vrij in en uit de cel bewegen, de fosfolipidemoleculen ontwijken die loodrecht op het membraan zijn uitgelijnd als een geheel. Andere stoffen worden actief over het membraan getransporteerd door "pompen" aangedreven door adenosinetrifosfaat (ATP), een nucleotide dat dient als de energie "valuta" van alle cellen.
Lees meer over de opbouw en functie van het plasmamembraan.

De kern functioneert als de hersenen van eukaryote cellen. Het plasmamembraan rond de kern wordt de nucleaire envelop genoemd. In de kern bevinden zich chromosomen, die "brokken" DNA zijn; het aantal chromosomen varieert van soort tot soort (mensen hebben 23 verschillende soorten, maar 46 in totaal - een van elk type van de moeder en een van de vader).

Wanneer een eukaryote cel zich deelt, doet het DNA in de kern dit eerst, nadat alle chromosomen zijn gerepliceerd. Dit proces, genaamd mitose, wordt later gedetailleerd.

Ribosomen worden gevonden in het cytoplasma van zowel eukaryote als prokaryotische cellen. In eukaryoten zijn ze geclusterd langs bepaalde organellen (membraangebonden structuren die specifieke functies hebben, zoals organen zoals de lever en de nieren dat op grotere schaal in het lichaam doen). Ribosomen maken eiwitten met behulp van instructies die in de "code" van DNA worden gedragen en naar de ribosomen worden verzonden door boodschapper ribonucleïnezuur (mRNA).

Nadat mRNA in de kern is gesynthetiseerd met behulp van DNA als sjabloon, verlaat het de kern en hecht zich aan ribosomen, die eiwitten samenstellen uit 20 verschillende aminozuren. Het proces van het maken van mRNA heet transcriptie, terwijl eiwitsynthese zelf bekend staat als vertaling.

Geen enkele bespreking van de samenstelling en functie van eukaryote cellen zou compleet of zelfs relevant kunnen zijn zonder een grondige behandeling van mitochondriën. Deze organellen die op minstens twee manieren opmerkelijk zijn: ze hebben wetenschappers geholpen veel te leren over de evolutionaire oorsprong van cellen in het algemeen, en ze zijn bijna als enige verantwoordelijk voor de diversiteit van het eukaryote leven door de ontwikkeling van cellulaire ademhaling.

Alle cellen gebruiken de suikerglucose met zes koolstofatomen als brandstof. In zowel prokaryoten als eukaryoten ondergaat glucose een reeks chemische reacties die gezamenlijk worden genoemd: glycolyse, die een kleine hoeveelheid ATP genereert voor de behoeften van de cel. Bij bijna alle prokaryoten is dit het einde van de stofwisselingslijn. Maar in eukaryoten, die in staat zijn om zuurstof te gebruiken, gaan de producten van glycolyse de mitochondriën binnen en ondergaan verdere reacties.

De eerste hiervan is de citroenzuurcyclus, die een kleine hoeveelheid ATP creëert, maar meestal functioneert om tussenliggende moleculen op te slaan voor de grote finale van cellulaire ademhaling, de elektronentransportketen. De Krebs-cyclus vindt plaats in de Matrix van de mitochondriën (de organel-versie van een privé-cytoplasma), terwijl de elektronentransportketen, die de overgrote meerderheid van ATP in eukaryoten produceert, transpireert op de binnenste mitochondriale membraan.

Eukaryotische cellen beschikken over een aantal gespecialiseerde elementen die de uitgebreide, onderling gerelateerde metabolische behoeften van deze complexe cellen onderstrepen. Waaronder:

• Endoplasmatisch reticulum: Dit organel is een netwerk van buisjes bestaande uit een plasmamembraan dat doorloopt in de nucleaire envelop. Het is zijn taak om nieuw vervaardigde eiwitten aan te passen om ze voor te bereiden op hun stroomafwaartse cellulaire functies als enzymen, structurele elementen enzovoort, en ze af te stemmen op de specifieke behoeften van de cel. Het produceert ook koolhydraten, lipiden (vetten) en hormonen. Het endoplasmatisch reticulum verschijnt als glad of ruw op microscopie, vormen die respectievelijk worden afgekort als SER en RER. Het RER wordt zo genoemd omdat het "bezaaid" is met ribosomen; dit is waar de eiwitmodificatie plaatsvindt. In de SER daarentegen worden bovengenoemde stoffen geassembleerd.
• Golgi-lichamen: Ook wel het Golgi-apparaat genoemd. Het ziet eruit als een afgeplatte stapel membraangebonden zakjes, en het verpakt lipiden en eiwitten in blaasjes die dan loskomen van het endoplasmatisch reticulum. De blaasjes leveren de lipiden en eiwitten aan andere delen van de cel.
  
• Lysosomen: Alle metabolische processen genereren afval, en de cel moet een middel hebben om het kwijt te raken. Deze functie wordt verzorgd door lysosomen, die spijsverteringsenzymen bevatten die eiwitten, vetten en andere stoffen afbreken, inclusief versleten organellen zelf.
• Vacuolen en blaasjes: Deze organellen zijn zakjes die rond verschillende cellulaire componenten pendelen en ze van de ene intracellulaire locatie naar de andere brengen. De belangrijkste verschillen zijn dat blaasjes kunnen fuseren met andere vliezige componenten van de cel, terwijl vacuolen dat niet kunnen. In plantencellen bevatten sommige vacuolen spijsverteringsenzymen die grote moleculen kunnen afbreken, net zoals lysosomen dat doen.
• Cytoskelet: Dit materiaal bestaat uit microtubuli, eiwitcomplexen die structurele ondersteuning bieden door zich van de kern door het cytoplasma helemaal uit te strekken tot aan het plasmamembraan. In dit opzicht zijn ze als de balken en liggers van een gebouw, die ervoor zorgen dat de hele dynamische cel niet op zichzelf instort.

Wanneer bacteriële cellen zich delen, is het proces eenvoudig: de cel kopieert al zijn elementen, inclusief de DNA, terwijl het ongeveer in omvang verdubbelt, en vervolgens in tweeën splitst in een proces dat bekend staat als binaire splitsing.

Eukaryote celdeling is meer betrokken. Eerst wordt het DNA in de kern gerepliceerd terwijl de nucleaire envelop oplost, en vervolgens scheiden de gerepliceerde chromosomen zich in dochterkernen. Dit staat bekend als mitose en bestaat uit vier verschillende stadia: profase, metafase, anafase en telofase; veel bronnen voegen een vijfde fase toe, prometafase genaamd, direct na profase. Daarna verdeelt de kern zich en vormen zich nieuwe nucleaire enveloppen rond de twee identieke sets chromosomen.

Ten slotte deelt de cel als geheel zich in een proces dat bekend staat als: cytokinese. Wanneer bepaalde defecten in het DNA aanwezig zijn dankzij erfelijke misvormingen (mutaties) of de aanwezigheid van schadelijke chemicaliën, kan de celdeling ongecontroleerd doorgaan; dit is de basis voor kankers, een groep ziekten waarvoor nog geen genezing bestaat, hoewel de behandelingen blijven verbeteren om een ​​sterk verbeterde kwaliteit van leven mogelijk te maken.