Structura și funcția unei celule

Celulele reprezintă cele mai mici sau cel puțin cele mai ireductibile obiecte care prezintă toate calitățile asociate cu perspectiva magică numită „viață”, precum metabolism (extragerea energiei din surse externe pentru alimentarea proceselor interne) și reproducere. În acest sens, aceștia ocupă aceeași nișă în biologie ca și atomii în chimie: cu siguranță pot fi împărțiți în bucăți mai mici, dar izolat, acele bucăți nu pot face cu adevărat o mulțime. În orice caz, corpul uman conține cu siguranță o mulțime dintre ele - cu mult peste 30 de trilioane (adică 30 milion milion).

Un refren comun atât în ​​științele naturii, cât și în lumea ingineriei este „forma se potrivește funcției”. Acest înseamnă, în esență, că, dacă ceva are o treabă dată de făcut, va arăta probabil că este capabil să o facă acel loc de muncă; dimpotrivă, dacă se pare că se face ceva pentru îndeplinirea unei sarcini sau sarcini date, atunci există șanse mari să facă exact acel lucru.

Organizarea celulelor și procesele pe care le desfășoară sunt intim legate, chiar inseparabile și stăpânesc elementele de bază ale structurii și funcției celulare sunt atât recompensatoare în sine, cât și necesare pentru înțelegerea deplină a naturii vieții lucruri.

Conceptul de materie - atât vie, cât și non-vie - ca fiind format dintr-un număr mare de unități discrete, similare, a existat de atunci al lui Democrit, un savant grec a cărui viață s-a întins în secolele V și IV î.Hr. Dar, din moment ce celulele sunt mult prea mici pentru a fi văzute cu ochiul fără ajutor, abia în secolul al XVII-lea, după inventarea primelor microscopii, oricine a fost capabil să vizualizeze efectiv lor.

În general, lui Robert Hooke i se atribuie faptul că a inventat termenul de „celulă” într-un context biologic în 1665, deși activitatea sa în acest domeniu s-a axat pe plută; aproximativ 20 de ani mai târziu, Anton van Leeuwenhoek a descoperit bacterii. Cu toate acestea, ar mai dura câteva secole înainte ca părțile specifice ale unei celule și funcțiile lor să poată fi clarificate și descrise pe deplin. În 1855, omul de știință relativ obscur Rudolph Virchow a teorizat, corect, că celulele vii pot proveni doar din alte celule vii, chiar dacă primele observații ale replicării cromozomilor erau încă la câteva decenii distanță.

Procariotele, care se întind pe domeniile taxonomice Bacteria și Archaea, există de aproximativ trei miliarde și jumătate de ani, adică aproximativ trei sferturi din vârsta Pământului. (Taxonomie este știința care se ocupă cu clasificarea viețuitoarelor; domeniu este categoria de cel mai înalt nivel din cadrul ierarhiei.) Organismele procariote constau de obicei doar dintr-o singură celulă.

Eucariotele, al treilea domeniu, includ animale, plante și ciuperci - pe scurt, tot ceea ce este viu pe care îl poți vedea fără instrumente de laborator. Se consideră că celulele acestor organisme au apărut din procariote ca urmare a endosimbioza (din greacă din „a trăi împreună înăuntru”). În urmă cu aproape 3 miliarde de ani, o celulă a înghițit o bacterie aerobă (care utilizează oxigen), care a servit scopurilor ambelor forme de viață deoarece bacteria „înghițită” a furnizat un mijloc de producere a energiei pentru celula gazdă oferind în același timp un mediu de susținere pentru endosimbiont.
Citiți mai multe despre asemănările și diferențele dintre celulele procariote și eucariote.

Celulele variază foarte mult în ceea ce privește dimensiunea, forma și distribuția conținutului lor, în special în domeniul eucariotelor. Aceste organisme sunt mult mai mari și mult mai diverse decât procariotele și în spiritul „formei” funcția de potrivire "menționată anterior, aceste diferențe sunt evidente chiar și la nivelul celulelor individuale.

Consultați orice diagramă celulară și, indiferent de organismul din care aparține celula, sunteți sigur că vedeți anumite caracteristici. Acestea includ un membrană plasmatică, care cuprinde conținutul celular; citoplasma, care este un mediu de tip jeleu care formează cea mai mare parte a interiorului celulei; acidul dezoxiribonucleic (ADN), materialul genetic pe care celulele îl trec de la celulele fiice care se formează atunci când o celulă se împarte în două în timpul reproducerii; și ribozomi, care sunt structuri care sunt locurile sintezei proteinelor.

Procariotele au, de asemenea, un perete celular extern membranei celulare, la fel ca și plantele. În eucariote, ADN-ul este închis într-un nucleu, care are propria sa membrană plasmatică foarte asemănătoare cu cea care înconjoară celula în sine.

Membrana plasmatică a celulelor este formată dintr-o dublu strat de fosfolipide, a cărei organizare rezultă din proprietățile electrochimice ale părților sale constitutive. Moleculele de fosfolipide din fiecare dintre cele două straturi includ hidrofil "capete", care sunt atrase de apă din cauza încărcăturii lor și hidrofob „cozi”, care nu sunt încărcate și, prin urmare, tind să îndepărteze apa. Porțiunile hidrofobe ale fiecărui strat se confruntă reciproc pe interiorul membranei duble. Latura hidrofilă a stratului exterior este orientată spre exteriorul celulei, în timp ce partea hidrofilă a stratului interior este orientată către citoplasmă.

În mod crucial, membrana plasmatică este semipermeabil, ceea ce înseamnă că, mai degrabă ca un bouncer la un club de noapte, acordă intrarea anumitor molecule în timp ce refuză intrarea altora. Molecule mici, cum ar fi glucoza (zahărul care servește ca sursă finală de combustibil pentru toate celulele) și dioxidul de carbon se poate deplasa liber în și în afara celulei, evitând moleculele de fosfolipide aliniate perpendicular pe membrană ca întreg. Alte substanțe sunt transportate activ prin membrană prin „pompe” alimentate cu adenozin trifosfat (ATP), o nucleotidă care servește drept „monedă” energetică a tuturor celulelor.
Citiți mai multe despre structura și funcția membranei plasmatice.

Nucleul funcționează ca creierul celulelor eucariote. Membrana plasmatică din jurul nucleului se numește înveliș nuclear. În interiorul nucleului sunt cromozomi, care sunt „bucăți” de ADN; numărul cromozomilor variază de la specie la specie (oamenii au 23 de tipuri distincte, dar 46 în total - unul din fiecare tip de la mamă și unul de la tată).

Când o celulă eucariotă se împarte, ADN-ul din interiorul nucleului o face mai întâi, după ce toți cromozomii sunt reproduși. Acest proces, numit mitoză, este detaliat mai târziu.

Ribozomii se găsesc în citoplasma celulelor eucariote și procariote. În eucariote ele sunt grupate de-a lungul anumitor organite (structurile legate de membrană care au funcții specifice, cum ar fi organele precum ficatul și rinichii, fac în corp la o scară mai mare). Ribozomii produc proteine ​​folosind instrucțiuni purtate în „codul” ADN-ului și transmise ribozomilor de către acidul ribonucleic mesager (ARNm).

După ce ARNm este sintetizat în nucleu folosind ADN ca șablon, acesta părăsește nucleul și se atașează de ribozomi, care asamblează proteine ​​din 20 diferite aminoacizi. Se numește procesul de producere a ARNm transcriere, în timp ce sinteza proteinelor în sine este cunoscută sub numele de traducere.

Nicio discuție despre compoziția și funcția celulelor eucariote nu ar putea fi completă sau chiar relevantă fără un tratament amănunțit al mitocondriilor. Aceste organite care sunt remarcabile în cel puțin două moduri: au ajutat oamenii de știință să învețe multe despre originile evolutive ale celulelor în general și sunt aproape exclusiv responsabile de diversitatea vieții eucariote, permițând dezvoltarea celulelor respiraţie.

Toate celulele folosesc zahărul cu șase atomi de carbon pentru combustibil. Atât în ​​procariote, cât și în eucariote, glucoza suferă o serie de reacții chimice denumite în mod colectiv glicoliză, care generează o cantitate mică de ATP pentru nevoile celulei. În aproape toate procariotele, acesta este sfârșitul liniei metabolice. Dar în eucariote, care sunt capabile să utilizeze oxigen, produsele glicolizei trec în mitocondrii și suferă reacții suplimentare.

Primul dintre acestea este Ciclul Krebs, care creează o cantitate mică de ATP, dar funcționează mai ales pentru a stoca molecule intermediare pentru marele final al respirației celulare, lanțul de transport al electronilor. Ciclul Krebs are loc în matrice mitocondriilor (versiunea organitei de citoplasmă privată), în timp ce lanțul de transport al electronilor, care produce majoritatea covârșitoare a ATP în eucariote, transpare pe mitocondria interioară membrană.

Celulele eucariote se laudă cu o serie de elemente specializate care subliniază nevoile metabolice extinse și corelate ale acestor celule complexe. Acestea includ:

• Reticul endoplasmatic: Această organetă este o rețea de tubuli constând dintr-o membrană plasmatică care este continuă cu învelișul nuclear. Sarcina sa este de a modifica proteinele nou fabricate pentru a le pregăti pentru funcțiile lor celulare din aval ca enzime, elemente structurale și așa mai departe, adaptându-le pentru nevoile specifice ale celulei. De asemenea, produce carbohidrați, lipide (grăsimi) și hormoni. Reticulul endoplasmatic apare fie ca neted, fie ca dur la microscopie, forme care sunt prescurtate SER și respectiv RER. RER este atât de desemnat, deoarece a „împânzit” cu ribozomi; aici se produce modificarea proteinelor. SER, pe de altă parte, este locul în care sunt asamblate substanțele menționate mai sus.
• Corpuri Golgi: Numit și aparatul Golgi. Arată ca un teanc turtit de saci legați de membrană și împachetează lipide și proteine ​​în ele vezicule care apoi se desprind de reticulul endoplasmatic. Veziculele livrează lipidele și proteinele către alte părți ale celulei.
  
• Lizozomi: Toate procesele metabolice generează deșeuri, iar celula trebuie să posede un mijloc de a scăpa de ele. Această funcție este îngrijită de lizozomi, care conțin enzime digestive care descompun proteinele, grăsimile și alte substanțe, inclusiv organele uzate.
• Vacuole și vezicule: Aceste organite sunt saci care navighează în jurul diferitelor componente celulare, ducându-le de la o locație intracelulară la alta. Principalele diferențe constau în faptul că veziculele se pot contopi cu alte componente membranare ale celulei, în timp ce vacuolele nu. În celulele vegetale, unele vacuole conțin enzime digestive care pot descompune molecule mari, nu spre deosebire de lizozomi.
• Citoschelet: Acest material constă din microtubuli, complexe proteice care oferă suport structural prin extinderea de la nucleu prin citoplasmă până la membrana plasmatică. În acest sens, ele sunt ca grinzile și grinzile unei clădiri, acționând pentru a împiedica întreaga celulă dinamică să se prăbușească în sine.

Atunci când celulele bacteriene se divid, procesul este simplu: celula copiază toate elementele sale, inclusiv ale sale ADN-ul, în timp ce aproximativ dublează dimensiunea, apoi se împarte în două într-un proces cunoscut sub numele de fisiune binară.

Diviziunea celulelor eucariote este mai implicată. În primul rând, ADN-ul din nucleu este reprodus în timp ce învelișul nuclear se dizolvă, iar apoi cromozomii reproduși se separă în nuclee fiice. Aceasta este cunoscută sub numele de mitoză și constă din patru etape distincte: profază, metafază, anafază și telofază; multe surse inserează un al cincilea stadiu, numit prometafază, imediat după profază. După aceea, nucleul se împarte și se formează noi învelișuri nucleare în jurul celor două seturi identice de cromozomi.

În cele din urmă, celula în ansamblu se împarte într-un proces cunoscut sub numele de citokinezie. Când anumite defecte sunt prezente în ADN datorită malformațiilor (mutațiilor) moștenite sau prezenței substanțelor chimice dăunătoare, diviziunea celulară poate continua necontrolată; aceasta este baza cancerului, un grup de boli pentru care nu rămâne nici un remediu, deși tratamentele continuă să se îmbunătățească pentru a permite o calitate a vieții mult îmbunătățită.