Struktura i funkcja komórki

Komórki reprezentują najmniejsze, a przynajmniej najbardziej nieredukowalne obiekty, które posiadają wszystkie cechy związane z magiczną perspektywą zwaną „życiem”, takie jak metabolizm (pozyskiwanie energii ze źródeł zewnętrznych do zasilania procesów wewnętrznych) oraz reprodukcja. Pod tym względem zajmują tę samą niszę w biologii, co atomy w chemii: z pewnością można je rozłożyć na mniejsze kawałki, ale w izolacji te kawałki nie mogą naprawdę wiele zdziałać. W każdym razie ludzkie ciało z pewnością zawiera ich dużo – grubo ponad 30 bilionów (czyli 30 milion milion).

Powszechnym refrenem zarówno w naukach przyrodniczych, jak iw świecie inżynierii jest „forma pasuje do funkcji”. To zasadniczo oznacza, że ​​jeśli coś ma do wykonania daną pracę, to prawdopodobnie będzie wyglądało na to, że jest zdolne do wykonania ta praca; odwrotnie, jeśli wydaje się, że coś zostało stworzone do wykonania danego zadania lub zadań, istnieje duża szansa, że ​​właśnie to robi.

Organizacja komórek i procesy, które przeprowadzają, są ściśle powiązane, a nawet nierozłączne, a ich opanowanie podstawy budowy i funkcji komórki są zarówno satysfakcjonujące same w sobie, jak i niezbędne do pełnego zrozumienia natury życia rzeczy.

Pojęcie materii – zarówno żywej, jak i nieożywionej – składającej się z ogromnej liczby odrębnych, podobnych jednostek istnieje od czasu Demokryta, greckiego uczonego, którego życie obejmowało V i IV wiek p.n.e. Ale ponieważ komórki są zbyt małe, aby można je było zobaczyć za pomocą nieuzbrojonym okiem, dopiero w XVII wieku, po wynalezieniu pierwszych mikroskopów, każdy był w stanie zwizualizować im.

Robert Hooke jest powszechnie uznawany za ukucie terminu „komórka” w kontekście biologicznym w 1665 roku, chociaż jego praca w tej dziedzinie koncentrowała się na korku; około 20 lat później Anton van Leeuwenhoek odkrył bakterie. Upłynęło jednak jeszcze kilka stuleci, zanim poszczególne części komórki i ich funkcje mogły zostać wyjaśnione i w pełni opisane. W 1855 r. stosunkowo mało znany naukowiec Rudolph Virchow słusznie wysunął teorię, że żywe komórki mogą pochodzić tylko z inne żywe komórki, mimo że pierwsze obserwacje replikacji chromosomów były jeszcze za kilkadziesiąt lat.

Prokarionty, które obejmują domeny taksonomiczne Bakterie i Archaea, istnieją od około trzech i pół miliarda lat, co stanowi około trzech czwartych wieku samej Ziemi. (Taksonomia jest nauką zajmującą się klasyfikacją istot żywych; domena jest kategorią najwyższego poziomu w hierarchii). Organizmy prokariotyczne zwykle składają się tylko z jednej komórki.

Eukarionty, trzecia domena, obejmują zwierzęta, rośliny i grzyby – krótko mówiąc, wszystko, co żyje, co można zobaczyć bez instrumentów laboratoryjnych. Uważa się, że komórki tych organizmów powstały z prokariontów w wyniku: endosymbioza (z greckiego „mieszkać razem w środku”). Blisko 3 miliardy lat temu komórka pochłonęła bakterię tlenową (wykorzystującą tlen), która służyła celom obu form życia ponieważ „połknięta” bakteria zapewniała komórce gospodarza sposób wytwarzania energii, zapewniając jednocześnie wspierające środowisko dla endosymbiont.
Przeczytaj więcej o podobieństwach i różnicach komórek prokariotycznych i eukariotycznych.

Komórki różnią się znacznie pod względem wielkości, kształtu i rozmieszczenia zawartości, zwłaszcza w sferze eukariontów. Organizmy te są znacznie większe i znacznie bardziej zróżnicowane niż prokariota, w duchu „formy” pasuje do funkcji”, o której mowa wcześniej, różnice te są widoczne nawet na poziomie poszczególnych komórek.

Sprawdź dowolny diagram komórki i bez względu na organizm, do którego należy komórka, masz pewność, że zobaczysz pewne cechy. Należą do nich: błona plazmatyczna, który zawiera zawartość komórkową; cytoplazma, który jest galaretowatym medium tworzącym większość wnętrza komórki; kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA), materiał genetyczny, który komórki przekazują do komórek potomnych, które powstają, gdy komórka dzieli się na dwie części podczas rozmnażania; i rybosomy, które są strukturami będącymi miejscami syntezy białek.

Prokariota mają również ścianę komórkową zewnętrzną względem błony komórkowej, podobnie jak rośliny. U eukariontów DNA jest zamknięte w jądrze, które ma własną błonę plazmatyczną bardzo podobną do tej, która otacza samą komórkę.

Błona plazmatyczna komórek składa się z dwuwarstwa fosfolipidowa, którego organizacja wynika z właściwości elektrochemicznych jego części składowych. Cząsteczki fosfolipidów w każdej z dwóch warstw obejmują hydrofilowy „głowy”, które są przyciągane do wody z powodu ich ładunku, oraz, hydrofobowy „ogony”, które nie są naładowane i dlatego mają tendencję do odwracania się od wody. Części hydrofobowe każdej warstwy są zwrócone do siebie po wewnętrznej stronie podwójnej membrany. Strona hydrofilowa warstwy zewnętrznej jest zwrócona na zewnątrz komórki, podczas gdy strona hydrofilowa warstwy wewnętrznej jest zwrócona do cytoplazmy.

Co najważniejsze, błona plazmatyczna jest półprzepuszczalny, co oznacza, że ​​podobnie jak bramkarz w klubie nocnym, umożliwia wejście niektórym cząsteczkom, a innym odmawia wstępu. Małe cząsteczki, takie jak glukoza (cukier, który służy jako ostateczne źródło paliwa dla wszystkich komórek) i dwutlenek węgla może swobodnie poruszać się do i z komórki, unikając cząsteczek fosfolipidów ustawionych prostopadle do błony jako cały. Inne substancje są aktywnie transportowane przez błonę przez „pompy” zasilane trójfosforanem adenozyny (ATP), nukleotydem, który służy jako „waluta” energetyczna wszystkich komórek.
Przeczytaj więcej o strukturze i funkcji błony plazmatycznej.

Jądro pełni funkcję mózgu komórek eukariotycznych. Błona plazmatyczna wokół jądra nazywana jest otoczką jądrową. Wewnątrz jądra są chromosomy, które są „kawałkami” DNA; liczba chromosomów różni się w zależności od gatunku (ludzie mają 23 różne rodzaje, ale w sumie 46 – po jednym z każdego typu od matki i jeden od ojca).

Kiedy komórka eukariotyczna dzieli się, najpierw robi to DNA wewnątrz jądra, po zreplikowaniu wszystkich chromosomów. Ten proces, zwany mitoza, jest szczegółowo opisane w dalszej części.

Rybosomy znajdują się w cytoplazmie zarówno komórek eukariotycznych, jak i prokariotycznych. U eukariontów są skupione wokół pewnych organelle (struktury związane z błoną, które pełnią określone funkcje, takie jak narządy, takie jak wątroba i nerki, działają w organizmie na większą skalę). Rybosomy wytwarzają białka przy użyciu instrukcji zawartych w „kodzie” DNA i przekazywanych do rybosomów przez informacyjny kwas rybonukleinowy (mRNA).

Po zsyntetyzowaniu mRNA w jądrze przy użyciu DNA jako matrycy, opuszcza jądro i przyłącza się do rybosomów, które łączą białka spośród 20 różnych aminokwasy. Proces tworzenia mRNA nazywa się transkrypcja, podczas gdy sama synteza białek jest znana jako tłumaczenie.

Żadna dyskusja na temat składu i funkcji komórek eukariotycznych nie byłaby kompletna ani nawet istotna bez dokładnego leczenia mitochondriów. Te organelle, które są niezwykłe pod co najmniej dwoma względami: pomogły naukowcom wiele dowiedzieć się o ewolucyjnym pochodzeniu komórki w ogóle i są one prawie wyłącznie odpowiedzialne za różnorodność życia eukariotycznego, umożliwiając rozwój komórek oddychanie.

Wszystkie komórki wykorzystują jako paliwo sześciowęglową glukozę. Zarówno u prokariontów, jak i eukariontów, glukoza przechodzi szereg reakcji chemicznych, wspólnie określanych glikoliza, który generuje niewielką ilość ATP na potrzeby komórki. U prawie wszystkich prokariotów jest to koniec linii metabolicznej. Ale u eukariontów, które są zdolne do wykorzystywania tlenu, produkty glikolizy przechodzą do mitochondriów i ulegają dalszym reakcjom.

Pierwszym z nich jest cykl Krebsa, który wytwarza niewielką ilość ATP, ale głównie służy do gromadzenia pośrednich cząsteczek na wielki finał oddychania komórkowego, łańcuch transportu elektronów. Cykl Krebsa odbywa się w matryca mitochondriów (wersji organelli prywatnej cytoplazmy), podczas gdy łańcuch transportu elektronów, który wytwarza przytłaczającą większość ATP u eukariontów, transpiruje na wewnętrznych mitochondriach membrana.

Komórki eukariotyczne mogą pochwalić się szeregiem wyspecjalizowanych elementów, które podkreślają rozległe, powiązane ze sobą potrzeby metaboliczne tych złożonych komórek. Obejmują one:

• Retikulum endoplazmatyczne: Ta organella to sieć kanalików składających się z błony plazmatycznej, która jest ciągła z otoczką jądrową. Jego zadaniem jest modyfikowanie nowo wytworzonych białek w celu przygotowania ich do dalszych funkcji komórkowych, takich jak enzymy, elementy strukturalne itd., dostosowując je do specyficznych potrzeb komórki.. Produkuje również węglowodany, lipidy (tłuszcze) i hormony. Retikulum endoplazmatyczne jest widoczne pod mikroskopem jako gładkie lub szorstkie, formy, które są odpowiednio oznaczane skrótami SER i RER. RER jest tak oznaczony, ponieważ „wysadzany” rybosomami; tutaj zachodzi modyfikacja białka. Z drugiej strony SER to miejsce, w którym montuje się wyżej wymienione substancje.
• Ciała Golgiego: Nazywany również aparatem Golgiego. Wygląda jak spłaszczony stos worków związanych z błoną i pakuje lipidy i białka w pęcherzyki które następnie odrywają się od retikulum endoplazmatycznego. Pęcherzyki dostarczają lipidy i białka do innych części komórki.
  
• Lizosomy: Wszystkie procesy metaboliczne generują odpady, a komórka musi posiadać sposób na ich pozbycie się. O tę funkcję dbają lizosomy, które zawierają enzymy trawienne rozkładające białka, tłuszcze i inne substancje, w tym same zużyte organelle.
• Wakuole i pęcherzyki: Te organelle to woreczki, które przemieszczają się wokół różnych składników komórkowych, przenosząc je z jednego miejsca wewnątrzkomórkowego do drugiego. Główna różnica polega na tym, że pęcherzyki mogą łączyć się z innymi błoniastymi składnikami komórki, podczas gdy wakuole nie. W komórkach roślinnych niektóre wakuole zawierają enzymy trawienne, które mogą rozkładać duże cząsteczki, podobnie jak robią to lizosomy.
• Cytoszkielet: Materiał ten składa się z mikrotubul, kompleksów białkowych, które zapewniają wsparcie strukturalne, rozciągając się od jądra komórkowego przez cytoplazmę aż do błony plazmatycznej. Pod tym względem są one jak belki i dźwigary budynku, działające tak, aby cała dynamiczna komórka nie zapadła się w sobie.

Proces podziału komórek bakteryjnych jest prosty: komórka kopiuje wszystkie swoje elementy, w tym jej DNA, podczas gdy w przybliżeniu podwaja swój rozmiar, a następnie dzieli się na dwie części w procesie znanym jako rozszczepienie binarne.

Bardziej zaangażowany jest podział komórek eukariotycznych. Najpierw DNA w jądrze jest replikowane, podczas gdy otoczka jądrowa rozpuszcza się, a następnie replikowane chromosomy rozdzielają się na jądra potomne. Jest to znane jako mitoza i składa się z czterech odrębnych etapów: profazy, metafazy, anafazy i telofazy; wiele źródeł umieszcza zaraz po profazie piąty etap, zwany prometafazą. Następnie jądro dzieli się i wokół dwóch identycznych zestawów chromosomów tworzą się nowe otoczki jądrowe.

Wreszcie komórka jako całość dzieli się w procesie znanym jako cytokineza. Kiedy pewne defekty są obecne w DNA z powodu dziedzicznych wad rozwojowych (mutacji) lub obecności szkodliwych substancji chemicznych, podział komórki może przebiegać bez kontroli; jest to podstawa nowotworów, grupy chorób, na które nie ma lekarstwa, chociaż metody leczenia wciąż się poprawiają, aby umożliwić znacznie lepszą jakość życia.