Strukturen og funksjonen til en celle

Celler representerer de minste, eller i det minste de mest irredusible, objektene som har alle egenskapene knyttet til det magiske prospektet som kalles "liv", som f.eks. metabolisme (utvinne energi fra eksterne kilder for å drive interne prosesser) og reproduksjon. I denne forbindelse har de samme nisje i biologi som atomer gjør i kjemi: De kan absolutt brytes ned i mindre biter, men isolert sett kan ikke disse brikkene gjøre mye. I alle fall inneholder menneskekroppen absolutt mange av dem - godt over 30 billioner (det er 30 million million).

Et vanlig refreng i både naturvitenskap og ingeniørverden er "form fit function." Dette betyr egentlig at hvis noe har en gitt jobb å gjøre, vil det sannsynligvis se ut som det er i stand til å gjøre den jobben; omvendt, hvis noe ser ut til å være laget for å utføre en gitt oppgave eller oppgaver, så er det en god sjanse for at dette er akkurat det den tingen gjør.

Organiseringen av celler og prosessene de utfører er nært beslektet, til og med uadskillelig, og mestrer grunnleggende om cellestruktur og funksjon er både givende i seg selv og nødvendig for å forstå livets natur tingene.

Begrepet materie - både levende og ikke-levende - som består av et stort antall diskrete, lignende enheter har eksistert siden tiden av Democritus, en gresk lærd hvis liv strakte seg over 5. og 4. århundre f.Kr. Men siden celler er altfor små til å bli sett med uten hjelp, var det først på 1600-tallet, etter oppfinnelsen av de første mikroskopene, at noen faktisk var i stand til å visualisere dem.

Robert Hooke er generelt kreditert for å ha laget begrepet "celle" i en biologisk sammenheng i 1665, selv om hans arbeid i dette området fokuserte på kork; omtrent 20 år senere oppdaget Anton van Leeuwenhoek bakterier. Det vil imidlertid ta flere hundre år før de spesifikke delene av en celle og deres funksjoner kunne avklares og beskrives fullstendig. I 1855 teoriserte den relativt uklare forskeren Rudolph Virchow riktig at levende celler bare kan komme fra andre levende celler, selv om de første observasjonene av kromosomreplikasjon fortsatt var noen tiår unna.

Prokaryoter, som strekker seg over de taksonomiske domenene Bakterier og Archaea, har eksistert i omtrent tre og en halv milliard år, som er omtrent tre fjerdedeler av jorden selv. (Taksonomi er vitenskapen som tar for seg klassifiseringen av levende ting; domene er kategorien på høyeste nivå i hierarkiet.) Prokaryote organismer består vanligvis bare av en enkelt celle.

Eukaryoter, det tredje domenet, inkluderer dyr, planter og sopp - kort sagt alt levende som du faktisk kan se uten laboratorieinstrumenter. Cellene til disse organismer antas å ha oppstått fra prokaryoter som et resultat av endosymbiose (fra gresk fra "å bo sammen inne"). For nær 3 milliarder år siden slukte en celle en aerob (oksygenbrukende) bakterie, som tjente formålet med begge livsformer fordi den "svelgte" bakterien ga vertscellen et middel til energiproduksjon mens den ga et støttende miljø for endosymbiont.
Les mer om likhetene og forskjellene mellom prokaryote og eukaryote celler.

Celler varierer mye i størrelse, form og distribusjon av innholdet, spesielt innenfor eukaryoter. Disse organismer er mye større så vel som mye mer forskjellige enn prokaryoter, og i ånden av "form passer funksjon "referert tidligere, er disse forskjellene tydelige selv på nivået av individuelle celler.

Ta kontakt med ethvert cellediagram, og uansett hvilken organisme cellen tilhører, er du sikker på å se visse funksjoner. Disse inkluderer en plasmamembran, som omslutter mobilinnholdet; de cytoplasma, som er et geleaktig medium som danner det meste av cellens indre; deoksyribonukleinsyre (DNA), det genetiske materialet som celler passerer til dattercellene som dannes når en celle deler seg i to under reproduksjon; og ribosomer, som er strukturer som er stedene for proteinsyntese.

Prokaryoter har også en cellevegg utenfor cellemembranen, i likhet med planter. I eukaryoter er DNA lukket i en kjerne, som har sin egen plasmamembran veldig lik den som omgir selve cellen.

Plasmamembranen til celler består av en fosfolipid dobbeltlag, hvis organisasjon følger av de elektrokjemiske egenskapene til dets bestanddeler. Fosfolipidmolekylene i hvert av de to lagene inkluderer hydrofile "hoder", som trekkes til vann på grunn av ladningen, og hydrofob "haler", som ikke er ladet og derfor har en tendens til å peke vekk fra vann. De hydrofobe delene av hvert lag vender mot hverandre på det indre av dobbeltmembranen. Den hydrofile siden av det ytre laget vender ut mot cellen, mens den hydrofile siden av det indre laget vender mot cytoplasmaet.

Avgjørende er at plasmamembranen er det semipermeable, noe som betyr at den, i likhet med en spretter på en nattklubb, gir adgang til visse molekyler mens den nekter adgang til andre. Små molekyler som glukose (sukkeret som fungerer som den ultimate drivstoffkilden for alle celler) og karbondioksid kan bevege seg fritt inn og ut av cellen, og unnvike fosfolipidmolekylene justert vinkelrett på membranen som en hel. Andre stoffer blir aktivt transportert over membranen av "pumper" drevet av adenosintrifosfat (ATP), et nukleotid som fungerer som energi "valuta" for alle celler.
Les mer om strukturen og funksjonen til plasmamembranen.

Kjernen fungerer som hjernen til eukaryote celler. Plasmamembranen rundt kjernen kalles kjernekonvolutten. Inne i kjernen er kromosomer, som er "biter" av DNA; antall kromosomer varierer fra art til art (mennesker har 23 forskjellige typer, men 46 i det hele tatt - en av hver type fra moren og en fra faren).

Når en eukaryot celle deler seg, gjør DNA-en inne i kjernen det først, etter at alle kromosomene er replikert. Denne prosessen, kalt mitose, er detaljert senere.

Ribosomer finnes i cytoplasmaet til både eukaryote og prokaryote celler. I eukaryoter er de gruppert langs visse organeller (membranbundne strukturer som har spesifikke funksjoner, som organer som lever og nyrer gjør i kroppen i større skala). Ribosomer lager proteiner ved hjelp av instruksjoner som er ført i "koden" av DNA og overført til ribosomene av messenger ribonukleinsyre (mRNA).

Etter at mRNA er syntetisert i kjernen ved hjelp av DNA som mal, forlater den kjernen og fester seg til ribosomer, som samler proteiner fra 20 forskjellige aminosyrer. Prosessen med å lage mRNA kalles transkripsjon, mens proteinsyntese i seg selv er kjent som oversettelse.

Ingen diskusjoner om eukaryot cellesammensetning og funksjon kunne være fullstendig eller til og med relevant uten en grundig behandling av mitokondrier. Disse organellene som er bemerkelsesverdige på minst to måter: De har hjulpet forskere å lære mye om evolusjonens opprinnelse celler generelt, og de er nesten eneansvarlige for mangfoldet av eukaryotisk liv ved å tillate utvikling av mobilnettet åndedrett.

Alle celler bruker glukose med seks karbon som drivstoff. I både prokaryoter og eukaryoter gjennomgår glukose en serie kjemiske reaksjoner som kollektivt kalles glykolyse, som genererer en liten mengde ATP for cellens behov. I nesten alle prokaryoter er dette slutten på den metabolske linjen. Men i eukaryoter, som er i stand til å bruke oksygen, passerer produktene av glykolyse inn i mitokondriene og gjennomgår ytterligere reaksjoner.

Den første av disse er Krebs sykler, som skaper en liten mengde ATP, men som for det meste fungerer for å lagre mellomliggende molekyler for den store finalen av cellulær respirasjon, elektrontransportkjede. Krebs-syklusen finner sted i matrise av mitokondriene (organellens versjon av et privat cytoplasma), mens elektrontransportkjeden, som produserer det overveldende flertallet av ATP i eukaryoter, transpires på den indre mitokondrie membran.

Eukaryote celler kan skryte av en rekke spesialiserte elementer som understreker de omfattende, sammenhengende metabolske behovene til disse komplekse cellene. Disse inkluderer:

• Endoplasmatisk retikulum: Denne organellen er et nettverk av tubuli som består av en plasmamembran som er kontinuerlig med kjernekapslingen. Dens jobb er å modifisere nyproduserte proteiner for å forberede dem på deres nedstrøms cellulære funksjoner som enzymer, strukturelle elementer og så videre, og skreddersy dem etter cellens spesifikke behov. Det produserer også karbohydrater, lipider (fett) og hormoner. Endoplasmatisk retikulum fremstår som enten glatt eller grovt ved mikroskopi, former som er forkortet henholdsvis SER og RER. RER er så utpekt fordi den "besatt" med ribosomer; det er her proteinmodifiseringen skjer. SER, derimot, er der de ovennevnte stoffene er samlet.
• Golgi-kropper: Også kalt Golgi-apparatet. Det ser ut som en flat bunke med membranbundne sekker, og den pakker lipider og proteiner i blemmer som deretter bryter vekk fra det endoplasmatiske retikulumet. Blærene leverer lipidene og proteinene til andre deler av cellen.
  
• Lysosomer: Alle metabolske prosesser genererer avfall, og cellen må ha et middel for å bli kvitt det. Denne funksjonen blir ivaretatt av lysosomer, som inneholder fordøyelsesenzymer som bryter ned proteiner, fett og andre stoffer, inkludert utslitte organeller selv.
• Vakuoles og vesikler: Disse organellene er sekker som skyver rundt forskjellige mobilkomponenter og tar dem fra ett intracellulært sted til det neste. Hovedforskjellene er at vesikler kan smelte sammen med andre membranholdige komponenter i cellen, mens vakuoler ikke kan. I planteceller inneholder noen vakuoler fordøyelsesenzymer som kan bryte ned store molekyler, ikke ulikt lysosomer.
• Cytoskelett: Dette materialet består av mikrotubuli, proteinkomplekser som gir strukturell støtte ved å strekke seg fra kjernen gjennom cytoplasmaet helt ut til plasmamembranen. I denne forbindelse er de som bjelkene og bjelkene til en bygning, og virker for å hindre at hele den dynamiske cellen kollapser inn i seg selv.

Når bakterieceller deler seg, er prosessen enkel: Cellen kopierer alle elementene, inkludert dens DNA, mens det omtrent fordobles i størrelse, og deretter deles i to i en prosess kjent som binær fisjon.

Eukaryot celledeling er mer involvert. Først replikeres DNA i kjernen mens kjernekonvolutten oppløses, og deretter skilles de replikerte kromosomene i datterkjerner. Dette er kjent som mitose, og består av fire forskjellige stadier: profase, metafase, anafase og telofase; mange kilder setter inn et femte trinn, kalt prometafase, rett etter profase. Etter det deler kjernen seg, og nye kjernekonvolutter dannes rundt de to identiske settene med kromosomer.

Til slutt deler cellen seg i en prosess kjent som cytokinese. Når visse mangler er tilstede i DNA takket være arvelige misdannelser (mutasjoner) eller tilstedeværelsen av skadelige kjemikalier, kan celledeling fortsette ukontrollert; dette er grunnlaget for kreft, en gruppe sykdommer som det ikke er noen kur mot, selv om behandlingene fortsetter å forbedres for å gi en betydelig forbedret livskvalitet.