Структура и функция клетки

Клетки представляют собой мельчайшие или, по крайней мере, самые несводимые объекты, которые обладают всеми качествами, связанными с магической перспективой, называемой «жизнью», например метаболизм (извлечение энергии из внешних источников для питания внутренних процессов) и воспроизведение. В этом отношении они занимают ту же нишу в биологии, что и атомы в химии: их, безусловно, можно разбить на более мелкие части, но по отдельности эти части не могут сделать много всего. В любом случае, человеческое тело, безусловно, содержит их много - более 30 триллионов (это 30 миллион миллионов).

Как в естественных науках, так и в мире инженерии часто встречается рефрен «форма соответствует функции». Этот по сути означает, что если что-то имеет определенную работу, это, вероятно, будет выглядеть так, как будто оно способно выполнять эта работа; и наоборот, если кажется, что что-то создано для выполнения данной задачи или задач, то есть большая вероятность, что это именно то, что эта вещь делает.

Организация клеток и выполняемые ими процессы тесно связаны, даже неразделимы, и основы клеточной структуры и функций полезны сами по себе и необходимы для полного понимания природы жизни. вещи.

Представление о материи - как живой, так и неживой - как состоящей из огромного числа дискретных, похожих единиц существовало с того времени. Демокрита, греческого ученого, чья жизнь охватывала V-IV вв. до н. э. Но поскольку клетки слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью невооруженным глазом, только в 17 веке, после изобретения первых микроскопов, кто-либо смог реально визуализировать их.

Роберту Гуку обычно приписывают введение термина «клетка» в биологическом контексте в 1665 году, хотя его работа в этой области была сосредоточена на пробке; Примерно 20 лет спустя Антон ван Левенгук открыл бактерии. Однако пройдет еще несколько столетий, прежде чем конкретные части клетки и их функции смогут быть прояснены и полностью описаны. В 1855 году относительно малоизвестный ученый Рудольф Вирхов правильно предположил, что живые клетки могут происходить только из другие живые клетки, хотя до первых наблюдений за репликацией хромосом оставалось еще несколько десятилетий.

Прокариоты, которые охватывают таксономические области Бактерии и Археи, существуют около трех с половиной миллиардов лет, что составляет примерно три четверти возраста самой Земли. (Таксономия наука, занимающаяся классификацией живых существ; домен является категорией самого высокого уровня в иерархии.) Прокариотические организмы обычно состоят только из одной клетки.

Эукариоты, третья область, включают животных, растения и грибы - короче говоря, все живое, что вы действительно можете увидеть без лабораторных инструментов. Считается, что клетки этих организмов произошли от прокариот в результате эндосимбиоз (от греч. от «жить вместе внутри»). Около 3 миллиардов лет назад клетка поглотила аэробную (потребляющую кислород) бактерию, которая служила целям обеих форм жизни. потому что «проглоченная» бактерия обеспечивает средство производства энергии для клетки-хозяина, обеспечивая при этом поддерживающую среду для эндосимбионт.
Узнайте больше о сходствах и различиях прокариотических и эукариотических клеток.

Клетки сильно различаются по размеру, форме и распределению их содержимого, особенно в пределах царства эукариот. Эти организмы намного крупнее и разнообразнее прокариот, и в духе «формы соответствует функции », упомянутой ранее, эти различия очевидны даже на уровне отдельных ячеек.

Проконсультируйтесь с любой клеточной диаграммой, и независимо от того, к какому организму принадлежит клетка, вы наверняка увидите определенные особенности. К ним относятся плазматическая мембрана, в котором заключено клеточное содержимое; в цитоплазма, который представляет собой желеобразную среду, образующую большую часть внутренней части клетки; дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), генетический материал, который клетки передают дочерним клеткам, которые образуются, когда клетка делится на две части во время размножения; и рибосомы, которые представляют собой структуры, являющиеся участками синтеза белка.

Прокариоты также имеют клеточную стенку, внешнюю по отношению к клеточной мембране, как и растения. У эукариот ДНК заключена в ядро, которое имеет собственную плазматическую мембрану, очень похожую на ту, что окружает саму клетку.

Плазматическая мембрана клеток состоит из фосфолипидный бислой, организация которого следует из электрохимических свойств составляющих его частей. Молекулы фосфолипидов в каждом из двух слоев включают гидрофильный "головы", которые тянутся к воде из-за их заряда, и гидрофобный «хвосты», которые не заряжены и поэтому имеют тенденцию указывать в сторону от воды. Гидрофобные части каждого слоя обращены друг к другу внутри двойной мембраны. Гидрофильная сторона внешнего слоя обращена к внешней стороне клетки, а гидрофильная сторона внутреннего слоя обращена к цитоплазме.

Важно отметить, что плазматическая мембрана полупроницаемый, что означает, что, как вышибала в ночном клубе, он разрешает доступ одним молекулам, запрещая доступ другим. Небольшие молекулы, такие как глюкоза (сахар, который служит основным источником топлива для всех клеток) и углекислый газ. может свободно входить и выходить из клетки, уклоняясь от молекул фосфолипидов, расположенных перпендикулярно мембране, как весь. Другие вещества активно транспортируются через мембрану с помощью «насосов», приводимых в действие аденозинтрифосфатом (АТФ), нуклеотидом, который служит энергетической «валютой» всех клеток.
Узнайте больше о структуре и функциях плазматической мембраны.

Ядро функционирует как мозг эукариотических клеток. Плазматическая мембрана вокруг ядра называется ядерной оболочкой. Внутри ядра находятся хромосомы, которые представляют собой «фрагменты» ДНК; количество хромосом варьируется от вида к виду (у людей 23 различных вида, но всего 46 хромосом - по одному каждого типа от матери и по одному от отца).

Когда эукариотическая клетка делится, ДНК внутри ядра делает это первой, после того как все хромосомы реплицируются. Этот процесс, называемый митоз, подробнее будет позже.

Рибосомы находятся в цитоплазме как эукариотических, так и прокариотических клеток. У эукариот они сгруппированы по определенным органеллы (мембраносвязанные структуры, которые выполняют определенные функции, такие как органы, такие как печень и почки в организме в более крупном масштабе). Рибосомы производят белки с помощью инструкций, содержащихся в «коде» ДНК и передаваемых рибосомам с помощью рибонуклеиновой кислоты-мессенджера (мРНК).

После того, как мРНК синтезируется в ядре с использованием ДНК в качестве матрицы, она покидает ядро ​​и прикрепляется к рибосомам, которые собирают белки из 20 различных аминокислоты. Процесс создания мРНК называется транскрипция, а сам синтез белка известен как перевод.

Никакое обсуждение состава и функции эукариотических клеток не может быть полным или даже актуальным без тщательной обработки митохондрий. Эти органеллы примечательны по крайней мере в двух отношениях: они помогли ученым многое узнать об эволюционном происхождении клетки в целом, и они почти единолично несут ответственность за разнообразие эукариотической жизни, разрешая развитие клеточных дыхание.

Все клетки используют в качестве топлива шестиуглеродную сахарную глюкозу. Как у прокариот, так и у эукариот глюкоза претерпевает ряд химических реакций, которые в совокупности называются гликолиз, который производит небольшое количество АТФ для нужд клетки. Практически у всех прокариот это конец метаболической линии. Но у эукариот, которые способны использовать кислород, продукты гликолиза переходят в митохондрии и подвергаются дальнейшим реакциям.

Первый из них - это Цикл Кребса, который создает небольшое количество АТФ, но в основном функционирует для накопления промежуточных молекул для грандиозного финала клеточного дыхания, электронная транспортная цепь. Цикл Кребса имеет место в матрица митохондрий (вариант органелл частной цитоплазмы), в то время как цепь переноса электронов, который производит подавляющее большинство АТФ у эукариот, проявляется во внутренней митохондриальной мембрана.

Эукариотические клетки содержат ряд специализированных элементов, которые подчеркивают обширные взаимосвязанные метаболические потребности этих сложных клеток. Это включает:

• Эндоплазматическая сеть: Эта органелла представляет собой сеть канальцев, состоящую из плазматической мембраны, которая непрерывна с ядерной оболочкой. Его задача - модифицировать вновь произведенные белки, чтобы подготовить их к последующим клеточным функциям в качестве ферментов, структурных элементов и так далее, адаптируя их к конкретным потребностям клетки. Он также производит углеводы, липиды (жиры) и гормоны. Эндоплазматический ретикулум на микроскопии выглядит гладким или шероховатым, эти формы обозначаются сокращенно SER и RER соответственно. RER обозначен так потому, что он «усеян» рибосомами; здесь происходит модификация белка. С другой стороны, SER - это место, где собраны вышеупомянутые вещества.
• Тела Гольджи: Также называется аппаратом Гольджи. Он выглядит как уплощенный набор мембраносвязанных мешочков и упаковывает липиды и белки в пузырьки которые затем отрываются от эндоплазматической сети. Везикулы доставляют липиды и белки в другие части клетки.
  
• Лизосомы: Все метаболические процессы производят отходы, и клетка должна обладать средствами избавления от них. Об этой функции заботятся лизосомы, которые содержат пищеварительные ферменты, расщепляющие белки, жиры и другие вещества, включая сами изношенные органеллы.
• Вакуоли и везикулы: Эти органеллы представляют собой мешочки, которые перемещаются вокруг различных клеточных компонентов, перемещая их из одного внутриклеточного местоположения в другое. Основное отличие состоит в том, что везикулы могут сливаться с другими мембранными компонентами клетки, а вакуоли - нет. В клетках растений некоторые вакуоли содержат пищеварительные ферменты, которые могут расщеплять большие молекулы, в отличие от лизосом.
• Цитоскелет: Этот материал состоит из микротрубочек, белковых комплексов, которые обеспечивают структурную поддержку, простираясь от ядра через цитоплазму до плазматической мембраны. В этом отношении они подобны балкам и балкам здания, которые действуют, чтобы вся динамическая ячейка не разрушалась сама по себе.

Процесс деления бактериальных клеток прост: клетка копирует все свои элементы, включая ДНК, увеличиваясь примерно вдвое в размерах, затем распадается на две части в процессе, известном как бинарное деление.

Более активное деление эукариотических клеток. Сначала ДНК в ядре реплицируется, в то время как ядерная оболочка растворяется, а затем реплицированные хромосомы разделяются на дочерние ядра. Это известно как митоз и состоит из четырех различных стадий: профаза, метафаза, анафаза и телофаза; многие источники добавляют пятую стадию, называемую прометафазой, сразу после профазы. После этого ядро ​​делится, и вокруг двух идентичных наборов хромосом формируются новые ядерные оболочки.

Наконец, клетка в целом делится в процессе, известном как цитокинез. Когда в ДНК присутствуют определенные дефекты из-за наследственных пороков (мутаций) или присутствия повреждающих химикатов, деление клеток может продолжаться бесконтрольно; это основа для рака, группы болезней, от которых пока нет лечения, хотя методы лечения продолжают улучшаться, что позволяет значительно улучшить качество жизни.