En cells struktur och funktion

Celler representerar de minsta, eller åtminstone de mest oreducerbara, föremålen som har alla de kvaliteter som är associerade med det magiska utsikter som kallas "liv", såsom ämnesomsättning (utvinna energi från externa källor för att driva interna processer) och fortplantning. I det avseendet upptar de samma nisch i biologin som atomer gör i kemi: De kan säkert delas upp i mindre bitar, men isolerat kan dessa bitar inte riktigt göra mycket. I alla fall innehåller människokroppen verkligen många av dem - långt över 30 biljoner (det är 30 miljon miljon).

Ett vanligt refrain i både naturvetenskapen och teknikvärlden är "form fit function." Detta betyder i huvudsak att om något har ett visst jobb att göra kommer det förmodligen att se ut som det kan göra det jobbet; omvänt, om något verkar vara gjort för att utföra en viss uppgift eller uppgifter, så finns det en god chans att detta är exakt vad den saken gör.

Organisationen av celler och de processer de utför är nära besläktade, till och med oskiljaktiga, och behärskar grunderna för cellstruktur och funktion är både givande i sig och nödvändigt för att förstå livets natur saker.

Begreppet materia - både levande och icke-levande - som består av ett stort antal diskreta, liknande enheter har funnits sedan tiden av Democritus, en grekisk forskare vars liv sträckte sig över 500- och 400-talen f.Kr. Men eftersom celler är alldeles för små för att ses med utan hjälp, var det inte förrän på 1600-talet, efter uppfinningen av de första mikroskopen, att någon faktiskt kunde visualisera dem.

Robert Hooke krediteras generellt med att han myntade termen "cell" i ett biologiskt sammanhang 1665, även om hans arbete inom detta område fokuserade på kork; ungefär 20 år senare upptäckte Anton van Leeuwenhoek bakterier. Det skulle dock ta ytterligare flera århundraden innan de specifika delarna av en cell och deras funktioner kunde klargöras och beskrivas fullständigt. 1855 teoretiserade den relativt obskyra forskaren Rudolph Virchow, att levande celler bara kan komma från andra levande celler, även om de första observationerna av kromosomreplikation fortfarande var några decennier borta.

Prokaryoter, som spänner över de taxonomiska domänerna Bakterier och Archaea, har funnits i ungefär tre och en halv miljard år, vilket är ungefär tre fjärdedelar av själva jorden. (Taxonomi är vetenskapen som handlar om klassificeringen av levande saker; domän är den högsta nivån i hierarkin.) Prokaryota organismer består vanligtvis av endast en enda cell.

Eukaryoter, den tredje domänen, inkluderar djur, växter och svampar - kort sagt allt levande som du faktiskt kan se utan labinstrument. Cellerna i dessa organismer antas ha uppstått från prokaryoter till följd av endosymbios (från grekiska från "att leva tillsammans inne"). För nästan 3 miljarder år sedan uppslukade en cell en aerob (syreanvändande) bakterie, som tjänade syftet med båda livsformerna eftersom den "sväljade" bakterien tillhandahöll ett medel för energiproduktion för värdcellen samtidigt som den gav en stödjande miljö för endosymbiont.
Läs mer om likheter och skillnader mellan prokaryota och eukaryota celler.

Celler varierar mycket i storlek, form och fördelning av deras innehåll, särskilt inom eukaryoter. Dessa organismer är mycket större såväl som mycket mer varierande än prokaryoter, och i en andes form passar funktion "som refererats tidigare är dessa skillnader uppenbara även på nivån för enskilda celler.

Konsultera alla celldiagram, och oavsett vilken organism cellen tillhör, är du säker på att du ser vissa funktioner. Dessa inkluderar en plasmamembran, som omsluter mobilinnehållet; de cytoplasma, som är ett geléliknande medium som bildar det mesta av cellens inre; deoxiribonukleinsyra (DNA), det genetiska materialet som celler passerar till dottercellerna som bildas när en cell delar sig i två under reproduktionen; och ribosomer, som är strukturer som är platserna för proteinsyntes.

Prokaryoter har också en cellvägg utanför cellmembranet, liksom växter. I eukaryoter är DNA inneslutet i en kärna, som har sitt eget plasmamembran som mycket liknar det som omger själva cellen.

Plasmamembranet i celler består av en fosfolipid tvåskiktsmembranvars organisation följer av de elektrokemiska egenskaperna hos dess beståndsdelar. Fosfolipidmolekylerna i vart och ett av de två skikten inkluderar hydrofil "huvuden", som dras till vatten på grund av deras laddning, och hydrofob "svansar", som inte laddas och därför tenderar att peka bort från vatten. De hydrofoba delarna av varje skikt är vända mot varandra på det inre av det dubbla membranet. Den hydrofila sidan av det yttre skiktet vetter mot utsidan av cellen, medan den hydrofila sidan av det inre skiktet vetter mot cytoplasman.

Avgörande är att plasmamembranet är semipermeabel, vilket innebär att det, precis som en studsare på en nattklubb, ger inträde till vissa molekyler samtidigt som andra nekas inträde. Små molekyler som glukos (sockret som fungerar som den ultimata bränslekällan för alla celler) och koldioxid kan röra sig fritt in och ut ur cellen och undvika fosfolipidmolekylerna inriktade vinkelrätt mot membranet som en hela. Andra ämnen transporteras aktivt över membranet med "pumpar" som drivs av adenosintrifosfat (ATP), en nukleotid som fungerar som energi "valuta" för alla celler.
Läs mer om plasmamembranets struktur och funktion.

Kärnan fungerar som hjärnan i eukaryota celler. Plasmamembranet runt kärnan kallas kärnhölje. Inuti kärnan är kromosomer, som är "bitar" av DNA; antalet kromosomer varierar från art till art (människor har 23 olika slag, men totalt 46 - en av varje typ från modern och en från fadern).

När en eukaryot cell delar sig gör DNA: t inuti kärnan det först, efter att alla kromosomer har replikerats. Denna process, kallad mitos, beskrivs senare.

Ribosomer finns i cytoplasman hos både eukaryota och prokaryota celler. I eukaryoter är de grupperade längs vissa organeller (membranbundna strukturer som har specifika funktioner, som organ som lever och njurar gör i kroppen i större skala). Ribosomer tillverkar proteiner med hjälp av instruktioner i "DNA-koden" och överförs till ribosomerna med budbärar-ribonukleinsyra (mRNA).

Efter att mRNA har syntetiserats i kärnan med hjälp av DNA som mall lämnar den kärnan och fäster sig vid ribosomer, som samlar proteiner bland 20 olika aminosyror. Processen att göra mRNA kallas transkription, medan proteinsyntes i sig är känd som översättning.

Ingen diskussion om eukaryotcellsammansättning och funktion kan vara fullständig eller till och med relevant utan en grundlig behandling av mitokondrier. Dessa organeller som är anmärkningsvärda på minst två sätt: De har hjälpt forskare att lära sig mycket om evolutionens ursprung celler i allmänhet, och de är nästan ensamma ansvariga för mångfalden av eukaryota liv genom att tillåta utveckling av cellulära andning.

Alla celler använder socker med sex kolsocker som bränsle. I både prokaryoter och eukaryoter genomgår glukos en serie kemiska reaktioner som kollektivt kallas glykolys, som genererar en liten mängd ATP för cellens behov. I nästan alla prokaryoter är detta slutet på den metaboliska linjen. Men i eukaryoter, som kan använda syre, passerar glykolysprodukterna in i mitokondrierna och genomgår ytterligare reaktioner.

Den första av dessa är Krebs cyklar, som skapar en liten mängd ATP men mestadels fungerar för att lagra mellanliggande molekyler för den stora finalen av cellulär andning, elektron transport kedja. Krebs-cykeln äger rum i matris av mitokondrierna (organellversionen av en privat cytoplasma), medan elektrontransportkedjan, som producerar den överväldigande majoriteten av ATP i eukaryoter, framträder på den inre mitokondrie membran.

Eukaryota celler har ett antal specialiserade element som understryker de omfattande, inbördes metaboliska behoven hos dessa komplexa celler. Dessa inkluderar:

• Endoplasmatiska retiklet: Denna organell är ett nätverk av tubuli som består av ett plasmamembran som är kontinuerligt med kärnhöljet. Dess uppgift är att modifiera nyproducerade proteiner för att förbereda dem för deras nedströms cellulära funktioner som enzymer, strukturella element och så vidare, skräddarsy dem för cellens specifika behov. Det tillverkar också kolhydrater, lipider (fetter) och hormoner. Det endoplasmatiska retikulumet framträder som antingen slätt eller grovt vid mikroskopi, former som är förkortade SER respektive RER. RER är så utsedd för att den "pryddes" med ribosomer; det är här proteinmodifieringen sker. SER, däremot, är där ovannämnda ämnen är sammansatta.
• Golgi-kroppar: Kallas också Golgi-apparaten. Det ser ut som en platt stapel av membranbundna säckar, och den packar lipider och proteiner i blåsor som sedan bryter sig loss från det endoplasmiska nätverket. Blåsorna levererar lipiderna och proteinerna till andra delar av cellen.
  
• Lysosomer: Alla metaboliska processer genererar avfall, och cellen måste ha ett sätt att bli av med det. Denna funktion tas hand om av lysosomer, som innehåller matsmältningsenzymer som bryter ner proteiner, fetter och andra ämnen, inklusive utslitna organeller själva.
• Vakuoler och blåsor: Dessa organeller är säckar som pendlar runt olika cellulära komponenter och tar dem från en intracellulär plats till nästa. De största skillnaderna är att vesiklar kan smälta samman med andra membranformiga komponenter i cellen, medan vakuoler inte kan. I växtceller innehåller vissa vakuoler matsmältningsenzymer som kan bryta ner stora molekyler, inte till skillnad från lysosomer.
• Cytoskelett: Detta material består av mikrotubuli, proteinkomplex som erbjuder strukturellt stöd genom att sträcka sig från kärnan genom cytoplasman hela vägen ut till plasmamembranet. I detta avseende är de som en byggnads balkar och balkar och verkar för att förhindra att hela den dynamiska cellen kollapsar in i sig själv.

När bakterieceller delar sig är processen enkel: Cellen kopierar alla dess element, inklusive dess DNA, medan ungefär fördubblas i storlek, och delas sedan i två i en process som kallas binär fission.

Eukaryot celldelning är mer involverad. Först replikeras DNA i kärnan medan kärnhöljet löses upp och sedan separeras de replikerade kromosomerna i dotterkärnor. Detta kallas mitos och består av fyra olika steg: profas, metafas, anafas och telofas; många källor infogar ett femte steg, kallat prometafas, direkt efter profas. Därefter delar sig kärnan och nya kärnhöljen bildas runt de två identiska uppsättningarna av kromosomer.

Slutligen delar cellen som helhet i en process som kallas cytokinese. När vissa defekter förekommer i DNA tack vare ärftliga missbildningar (mutationer) eller närvaron av skadliga kemikalier, kan celldelningen fortsätta okontrollerat. detta är grunden för cancer, en grupp av sjukdomar för vilka det inte finns något botemedel, även om behandlingarna fortsätter att förbättras för att möjliggöra väsentligt förbättrad livskvalitet.