Cytoskelett: Definition, struktur och funktion (med diagram)

Du vet nog redan vilken roll ditt eget skelett spelar i ditt liv; det ger din kroppsstruktur och hjälper dig att röra dig.

Utan det skulle du vara mer som en mänsklig blob än en rörlig, fungerande person. Som namnet antyder tjänar cytoskelettet ett mycket liknande syfte i prokaryot och eukaryota celler.

Har du någonsin undrat vad som får celler att se runda ut och hindrar dem från att kollapsa i slemmiga klot? Eller hur många organeller inuti cellen organiserar och rör sig inuti cellen, eller hur cellen själv rör sig? Celler förlitar sig på ett cytoskelet för alla dessa funktioner.

Den viktiga strukturella enheten i cytoskelettet är verkligen ett nätverk av proteinfibrer i cytoplasma som ger cellen sin form och gör det möjligt att utföra viktiga funktioner, såsom cell rörelse.

Läs mer om den andra cellens organeller och funktioner.

Medan vissa människor kan föreställa sig celler som ostrukturerade avslöjar kraftfulla mikroskop som används i cellbiologi att celler är mycket organiserade.

En huvudkomponent är viktig för att upprätthålla denna form och organisationsnivå: cytoskelett av cellen. Proteinfilamenten som utgör cytoskelettet bildar ett nätverk av fibrer genom cellen.

Detta nätverk ger strukturellt stöd till plasmamembranet, hjälper till att stabilisera organellerna i sina rätta positioner och gör det möjligt för cellen att blanda innehållet runt efter behov. För vissa celltyper gör cytoskelettet till och med det möjligt för cellen att röra sig och färdas med hjälp av specialiserade strukturer.

Dessa bildas från proteinfilamenten när det behövs för cellrörelse.

Tjänsten som cytoskelettet tillhandahåller för att forma cellen är mycket meningsfull. Precis som det mänskliga skelettet skapar cytoskelettproteinätverket strukturellt stöd avgörande för att upprätthålla cellens integritet och för att förhindra att den kollapsar i dess cell grannar.

För celler med mycket flytande membran är nätverket av proteiner som utgör cytoskelettet särskilt viktigt för att hålla cellinnehållet inne i cellen.

Det här kallas membranintegritet.

Vissa högt specialiserade celler förlitar sig också på cytoskelettet för strukturellt stöd.

Att behålla cellens unika form för dessa celler gör det möjligt för cellen att fungera korrekt. Dessa inkluderar neuronereller hjärnceller som har runda cellkroppar, grenade armar som kallas dendriter och utsträckta svansar.

Denna karakteristiska cellform gör det möjligt för neuroner att fånga signaler med hjälp av deras dendritarmar och passera dessa signaler genom deras axonsvansar och in i de väntande dendriterna hos en angränsande hjärna cell. Så här kommunicerar hjärnceller med varandra.

Det är också vettigt att celler drar nytta av den organisation som cytoskelettets proteinfibernätverk ger dem. Det finns över 200 typer av celler i människokroppen och totalt cirka 30 biljoner celler i varje människa på planeten.

Organellerna i alla dessa celler måste utföra en mängd olika cellprocesser, såsom att bygga och bryta ner biomolekyler, frigöra energi för kroppen att använda och utföra en mängd kemiska reaktioner som gör livet möjligt.

För att dessa funktioner ska fungera bra på en hel organismnivå behöver varje cell en liknande struktur och sätt att göra saker.

För att utföra dessa viktiga roller är cytoskelettet beroende av tre olika typer av trådar:

1. Mikrotubuli
2. Mellanliggande filament
3. Mikrofilament

Dessa fibrer är alla så oändligt små att de är helt osynliga för blotta ögat. Forskare upptäckte dem först efter uppfinningen av elektron mikroskop tog det inre av cellen i sikte.

För att visualisera hur små dessa proteinfibrer är, är det bra att förstå begreppet nanometer, som ibland skrivs som nm. Nanometer är måttenheter precis som en tum är en måttenhet.

Du kanske har gissat från rotordet meter att nanometerenheten tillhör det metriska systemet, precis som en centimeter gör.

Forskare använder nanometer för att mäta extremt små saker, som atomer och ljusvågor.

Detta beror på att en nanometer är lika med en miljarddel meter. Det betyder att om du tog en mätpinne som är ungefär 3 meter lång när du konverterar den till Amerikanska mätsystemet, och bryta det i en miljard lika delar, en enda bit skulle vara lika med en nanometer.

Tänk dig nu att du skulle kunna klippa proteinfilamenten som utgör cellens skelett och mäta diameter över det klippta ansiktet.

Varje fiber skulle mäta mellan 3 och 25 nanometer i diameter, beroende på typen av glödtråd. För sammanhanget är ett mänskligt hår 75 000 nanometer i diameter. Som du kan se är filamenten som utgör cytoskelettet otroligt små.

Mikrotubuli är de största av de tre fibrerna i cytoskelettet och har en diameter på 20-25 nanometer. Mellanliggande filament är cytoskelettets medelstora fibrer och mäter ca 10 nanometer i diameter.

De minsta proteinfilamenten som finns i cytoskelettet är mikrofilament. Dessa trådliknande fibrer mäter bara 3 till 6 nanometer i diameter.

I verkliga termer är det så mycket som 25 000 gånger mindre än diametern på ett genomsnittligt människohår.

•••Sciencing

Mikrotubuli får sitt namn från både deras allmänna form och den typ av protein de innehåller. De är rörliknande och bildade av upprepande enheter av alfa- och beta-tubulin proteinpolymerer länka ihop.

Läs mer om mikrotubuliens huvudsakliga funktion i celler.

Om du skulle se mikrotubuli-filament under ett elektronmikroskop, skulle de se ut som kedjor av små proteiner tvinnade ihop till ett tätt spiralgaller.

Varje proteinenhet binder till alla enheter runt den, vilket ger en mycket stark, mycket styv struktur. I själva verket är mikrotubuli den mest styva strukturella komponenten du kan hitta i djurceller, som inte har cellväggar som växtceller har.

Men mikrotubuli är inte bara styva. De motstår också kompression och vridkrafter. Denna kvalitet ökar mikrotubuliens förmåga att bibehålla cellform och integritet, även under tryck.

Mikrotubuli ger också cellen polaritet, vilket betyder att cellen har två unika sidor eller poler. Denna polaritet är en del av det som gör det möjligt för cellen att organisera dess komponenter, såsom organeller och andra delar av cytoskelettet, eftersom det ger cellen ett sätt att orientera dessa komponenter i förhållande till stolpar.

Mikrotubuli stöder också rörelsen av cellinnehåll i cellen.

Mikrotubuli-trådarna bildar spår som fungerar som järnvägsspår eller motorvägar i cellen. Vesikeltransportörer följ dessa spår för att flytta celllast runt i cytoplasman. Dessa spår är avgörande för att ta bort oönskade cellinnehåll som felveckade proteiner, gamla eller trasiga organeller och patogeninbrytare, såsom bakterier och virus.

Vesikeltransportörer följer helt enkelt rätt mikrotubuli för att flytta denna last till cellens återvinningscenter lysosom. Där räddar och återanvänder lysosomen vissa delar och bryter ner andra delar.

Spårsystemet hjälper också cellen att flytta nybyggda biomolekyler, som proteiner och lipider, från tillverkande organeller och till de platser som cellen behöver molekylerna.

Till exempel använder vesikeltransportörer mikrotubuli-spår för att flytta cellmembranproteiner från organellerna till cellmembranet.

Endast vissa celler kan använda cellrörelse att resa, och de som i allmänhet förlitar sig på specialiserade rörliga strukturer gjorda av mikrotubelfibrer.

Spermacellen är förmodligen det enklaste sättet att visualisera dessa resande celler.

Som ni vet ser spermieceller lite ut som grodyngel med långa svansar, eller flagella, som de piskar för att simma till sin destination och befrukta en äggcell. Spermasvansen är gjord av tubulin och är ett exempel på ett mikrotubuli-filament som används för cellrörelse.

En annan välkänd rörlig struktur spelar också en roll i reproduktionen är cilia. Dessa hårliknande rörliga strukturer fodrar äggledarna och använder en vinkande rörelse för att flytta ägget genom äggledaren och in i livmodern. Dessa cilier är mikrotubelfibrer.

Mellanliggande trådar är den andra typen av fiber som finns i cytoskelettet. Du kan föreställa dig dessa som cellens sanna skelett eftersom deras enda roll är strukturellt stöd. Dessa proteinfibrer innehåller keratin, som är ett vanligt protein som du kanske känner igen från kroppsvårdsprodukter.

Detta protein utgör människohår och naglar såväl som det övre lagret i huden. Det är också proteinet som bildar horn, klor och hovar hos andra djur. Keratin är mycket starkt och användbart för att skydda mot skador.

Huvudrollen för mellanliggande filament är bildandet av matrisen av strukturella proteiner under cellmembranet. Detta är som ett stödjande nät som ger cellens struktur och form. Det ger också en viss elasticitet till cellen, så att den kan reagera flexibelt under stress.

Ett av de viktiga jobb som utförs av mellanliggande filament är att hjälpa till att hålla organeller på rätt platser i cellen. Till exempel förankrar mellanliggande filament kärnan på sin rätta plats i cellen.

Denna förankring är avgörande för cellprocesser eftersom de olika organellerna i en cell måste arbeta tillsammans för att utföra dessa cellfunktioner. I fallet med kärnabindning av denna viktiga organell till cytoskelettmatrisen betyder att de organeller som är beroende av DNA instruktioner från kärnan att göra sina jobb kan enkelt komma åt den informationen med budbärare och transportörer.

Denna viktiga uppgift kan vara omöjlig om kärnan inte var förankrad eftersom dessa budbärare och transportörer skulle behöva resa runt och leta igenom cytoplasman efter en vandrande kärna!

Mikrofilament, även kallat aktinfilament, är kedjor av aktinproteiner tvinnade till en spiralstav. Detta protein är mest känt för sin roll i muskelceller. Där arbetar de med ett annat protein som heter myosin för att möjliggöra muskelsammandragning.

När det gäller cytoskelettet är mikrofilament inte bara de minsta fibrerna. De är också de mest dynamiska. Liksom alla cytoskeletfibrer ger mikrofilament cellen strukturellt stöd. På grund av sina unika egenskaper tenderar mikrofilament att dyka upp i cellens kanter.

Den dynamiska karaktären hos aktinfilament innebär att dessa proteinfibrer snabbt kan ändra längder för att möta cellens förändrade strukturella behov. Detta gör det möjligt för cellen att ändra sin form, storlek eller till och med form speciella framskrivningar som sträcker sig utanför cellen, t.ex. filopodia, lamellipodia och mikrovilli.

Du kan föreställa dig filopodia som känner att en cell projicerar för att känna av omgivningen, plocka upp kemiska signaler och till och med ändra cellens riktning om den rör sig. Forskare kallar också ibland filopodia mikrospikar.

Filopodia kan ingå i en annan typ av specialprojektion, lamellipodia. Detta är en fotliknande struktur som hjälper cellen att röra sig och färdas.

Microvilli är som små hår eller fingrar som används av cellen under diffusion. Formen på dessa utsprång ökar ytarean så att det finns mer utrymme för molekyler att röra sig över membranet genom processer som absorption.

Dessa fingrar utför också en fascinerande funktion som kallas cytoplasmströmning.

Detta inträffar när aktinfilamenten kammar genom cytoplasman för att hålla den i rörelse. Cytoplasmströmning ökar diffusion och hjälper till att flytta önskade material, som näringsämnen och oönskade material, som avfall och cellrester, runt i cellen.