Структура и функција ћелије

Ћелије представљају најмање, или бар најнеприводивије предмете који одликују сви квалитети повезани са магичном перспективом која се назива „живот“, као што је метаболизма (вађење енергије из спољних извора за покретање унутрашњих процеса) и репродукција. У том погледу, они заузимају исту нишу у биологији као и атоми у хемији: Они се сигурно могу раставити на мање делове, али изоловано, ти делови заправо не могу много да учине. У сваком случају, људско тело их сигурно садржи пуно - више од 30 трилиона (то је 30 милион милиона).

Уобичајени рефрен у природним наукама и инжењерском свету је „форма одговара функцији“. Ово у суштини значи да ће, ако нешто има задати посао, вероватно изгледати као да је способно да га ради тај посао; обрнуто, ако се чини да је нешто направљено за извршавање датог задатка или задатака, онда постоји велика шанса да је то управо оно што та ствар ради.

Организација ћелија и процеси које они спроводе блиско су повезани, чак и нераздвојни, и савладавање основе ћелијске структуре и функције су и саме по себи корисне и неопходне за потпуно разумевање природе живљења ствари.

Концепт материје - и живе и неживе - која се састоји од огромног броја дискретних, сличних целина постоји од времена Демокрита, грчког научника чији је живот трајао 5. и 4. век п. н. Али пошто су ћелије сувише мале да би се могле видети са непомичним оком, тек у 17. веку, након проналаска првих микроскопа, било ко је успео да у ствари визуализује њих.

Роберт Хооке је генерално заслужан за сковање израза „ћелија“ у биолошком контексту 1665. године, иако се његов рад у овој области фокусирао на плуту; око 20 година касније, Антон ван Лееувенхоек открио је бактерије. Међутим, требало би проћи још неколико векова пре него што би се поједини делови ћелије и њихове функције могли разјаснити и у потпуности описати. 1855. године, релативно опскурни научник Рудолпх Вирцхов је тачно теоретизовао да живе ћелије могу само да потичу друге живе ћелије, иако су прва запажања о репликацији хромозома била удаљена тек неколико деценија.

Прокариоти, који се простиру у таксономским доменима Бактерије и Археје, постоје око три и по милијарде година, што је око три четвртине старости саме Земље. (Таксономија да ли се наука бави класификацијом живих бића; домен је категорија највишег нивоа у хијерархији.) Прокариотски организми се обично састоје од само једне ћелије.

Трећи домен еукариота укључује животиње, биљке и гљиве - укратко, све живо што заправо можете видети без лабораторијских инструмената. Верује се да су ћелије ових организама настале из прокариота као резултат ендосимбиоза (из грчког из „заједнички живот изнутра“). Пре близу 3 милијарде година, ћелија је прогутала аеробну бактерију (која користи кисеоник), која је служила у оба животна облика јер је „прогутана“ бактерија обезбедила средство за производњу енергије за ћелију домаћина, истовремено пружајући потпорно окружење за ендосимбионт.
Прочитајте више о сличностима и разликама прокарионтских и еукариотских ћелија.

Ћелије се веома разликују у величини, облику и дистрибуцији свог садржаја, посебно у домену еукариота. Ови организми су много већи, као и много разноврснији од прокариота, и у духу „форме“ одговара функцији “која је претходно наведена, ове разлике су евидентне чак и на нивоу појединачних ћелија.

Погледајте било који дијаграм ћелије, и без обзира којем организму ћелија припада, сигурни сте да видите одређене особине. Ту спадају а Плазма мембране, који затвара ћелијски садржај; тхе цитоплазме, који је желеу сличан медијум који формира већину унутрашњости ћелије; деоксирибонуклеинска киселина (ДНК), генетски материјал који ћелије прелазе у ћерке ћерке које настају када се ћелија дели на два дела током репродукције; и рибосоми, који су структуре које су места синтезе протеина.

Прокариоти такође имају ћелијски зид спољашњи од ћелијске мембране, као и биљке. У еукариота, ДНК је затворена у језгро, које има сопствену плазма мембрану врло сличну оној која окружује саму ћелију.

Плазма мембрана ћелија састоји се од а фосфолипид двослојночија организација следи из електрохемијских својстава његових саставних делова. Молекули фосфолипида у сваком од два слоја укључују хидрофилни „главе“, које се због пуњења увлаче у воду, и хидрофобни „репови“, који се не пуне и због тога теже да скрећу пажњу са воде. Хидрофобни делови сваког слоја окренути су један према другом у унутрашњости двоструке мембране. Хидрофилна страна спољног слоја окренута је ка спољашности ћелије, док је хидрофилна страна унутрашњег слоја окренута према цитоплазми.

Пресудно је то што је плазма мембрана полупропусна, што значи да, попут избацивача у ноћном клубу, одобрава улаз одређеним молекулима, док другим одбија улаз. Мали молекули попут глукозе (шећер који служи као крајњи извор горива за све ћелије) и угљен-диоксид могу се слободно кретати и излазити из ћелије, избегавајући молекуле фосфолипида поређане окомито на мембрану као целина. Остале супстанце се активно транспортују кроз мембрану помоћу „пумпи“ које покреће аденозин трифосфат (АТП), нуклеотид који служи као енергетска „валута“ свих ћелија.
Прочитајте више о структури и функцији плазматске мембране.

Језгро функционише као мозак еукариотских ћелија. Плазма мембрана око језгра назива се нуклеарна овојница. Унутар језгра су хромозоми, који су „комади“ ДНК; број хромозома варира од врсте до врсте (људи имају 23 различите врсте, али укупно 46 - по једну од мајке и оца).

Када се еукариотска ћелија подели, ДНК унутар језгра то прво учини, након што се сви хромозоми реплицирају. Овај процес, тзв митоза, детаљно је описано касније.

Рибосоми се налазе у цитоплазми и еукариотских и прокарионтских ћелија. У еукариотима су групирани дуж одређених органеле (структуре везане за мембрану које имају специфичне функције, попут органа као што су јетра и бубрези у телу у већем обиму). Рибосоми стварају протеине користећи упутства која се носе у „коду“ ДНК и преносе се у рибосоме преносиоцем рибонуклеинске киселине (мРНК).

Након што се мРНА синтетише у језгру користећи ДНК као образац, она напушта језгро и везује се за рибосоме који окупљају протеине између 20 различитих амино киселине. Процес стварања мРНК се назива транскрипција, док је сама синтеза протеина позната као превод.

Ниједна дискусија о саставу и функцији еукариотских ћелија не може бити потпуна или чак релевантна без темељног лечења митохондрија. Ове органеле које су изванредне на најмање два начина: Помогле су научницима да науче много о еволуцијском пореклу ћелије уопште, а готово су искључиво одговорне за разноликост еукариотског живота дозвољавајући развој ћелијског дисање.

Све ћелије користе шећерну глукозу са шест угљеника за гориво. И код прокариота и код еукариота, глукоза пролази кроз низ хемијских реакција које се заједнички називају гликолиза, који генерише малу количину АТП за потребе ћелије. У скоро свим прокарионима ово је крај метаболичке линије. Али код еукариота, који су способни да користе кисеоник, производи гликолизе прелазе у митохондрије и подвргавају се даљим реакцијама.

Прва од њих је Кребсов циклус, који ствара малу количину АТП, али углавном функционише као залиха интермедијарних молекула за велико финале ћелијског дисања, ланац за транспорт електрона. Кребсов циклус се одвија у матрица митохондрија (верзија органеле приватне цитоплазме), док ланац транспорта електрона, који производи огромну већину АТП у еукариотима, транспирира се на унутрашњем митохондријалу мембрана.

Еукариотске ћелије се могу похвалити бројним специјализованим елементима који подвлаче опсежне, међусобно повезане метаболичке потребе ових сложених ћелија. Ови укључују:

• Ендоплазматични ретикулум: Ова органела је мрежа тубула који се састоје од плазматске мембране која је непрекидна са нуклеарном овојницом. Његов посао је да модификује новопроизведене протеине како би их припремио за своје ћелијске функције као ензими, структурни елементи и тако даље, прилагођавајући их специфичним потребама ћелије. Такође производи угљене хидрате, липиде (масти) и хормоне. Ендоплазматски ретикулум се на микроскопији чини глатким или грубим, облици скраћени СЕР, односно РЕР. РЕР је тако означен јер је „засут“ рибосомима; ту се дешава модификација протеина. С друге стране, СЕР се саставља горе поменуте супстанце.
• Голги тела: Такође се назива Голгијев апарат. Изгледа као спљоштена гомила врећица везаних за мембрану и спакује липиде и протеине у њих везикуле који се затим одвајају од ендоплазматског ретикулума. Везикули достављају липиде и протеине у друге делове ћелије.
  
• Лизозоми: Сви метаболички процеси генеришу отпад, а ћелија мора да има средство да га се реши. О овој функцији брину лизозоми који садрже пробавне ензиме који разграђују протеине, масти и друге супстанце, укључујући и саме истрошене органеле.
• Вакуоле и везикуле: Ове органеле су вреће које прелазе око различитих ћелијских компонената, преносећи их са једне унутарћелијске локације на другу. Главне разлике су у томе што се везикуле могу спојити са осталим опнастим компонентама ћелије, док вакуоле не. У биљним ћелијама неке вакуоле садрже дигестивне ензиме који могу разбити велике молекуле, за разлику од лизозома.
• Цитоскелет: Овај материјал се састоји од микротубула, протеинских комплекса који нуде структурну потпору ширењем од језгра кроз цитоплазму све до плазматске мембране. У том погледу, они су попут греда и носача зграде, делујући тако да спрече да се цела динамичка ћелија уруши у себи.

Када се бактеријске ћелије деле, поступак је једноставан: ћелија копира све своје елементе, укључујући и своје ДНК, док се приближно удвостручује у величини, а затим се раздваја на два дела у процесу познатом као бинарна фисија.

Подјела еукариотске ћелије је више укључена. Прво се ДНК у језгру реплицира док се нуклеарна овојница раствара, а затим се реплицирани хромозоми раздвајају у ћерке-језгра. Ово је познато као митоза и састоји се од четири различита стадијума: профазе, метафазе, анафазе и телофазе; многи извори убацују пету фазу, која се назива прометафаза, одмах након профазе. После тога, језгро се дели и нове нуклеарне овојнице се формирају око два идентична сета хромозома.

Коначно, ћелија у целини се дели у процесу познатом као цитокинеза. Када су у ДНК присутни одређени недостаци захваљујући наследним малформацијама (мутацијама) или присуству штетних хемикалија, дељење ћелија може да се одвија неконтролисано; ово је основа за карциноме, групу болести за које још увек нема лека, иако се третмани и даље побољшавају како би омогућили знатно побољшан квалитет живота.