โครงสร้างและหน้าที่ของเซลล์

เซลล์เป็นตัวแทนของวัตถุที่เล็กที่สุดหรืออย่างน้อยที่สุดที่ลดทอนไม่ได้ ที่มีคุณสมบัติทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับโอกาสทางเวทมนตร์ที่เรียกว่า "ชีวิต" เช่น เมแทบอลิซึม (การสกัดพลังงานจากแหล่งภายนอกสู่กระบวนการภายใน) และ การสืบพันธุ์. ในแง่นี้ พวกมันมีช่องว่างทางชีววิทยาแบบเดียวกับที่อะตอมทำในวิชาเคมี: พวกมันสามารถแตกเป็นชิ้นเล็ก ๆ ได้อย่างแน่นอน แต่โดยแยกชิ้นส่วนเหล่านั้นไม่สามารถทำอะไรได้มากมาย ไม่ว่าในกรณีใด ร่างกายมนุษย์มีจำนวนมาก – มากกว่า 30 ล้านล้าน (นั่นคือ 30 ล้าน ล้าน).

การละเว้นทั่วไปทั้งในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติและโลกวิศวกรรมคือ "รูปแบบเหมาะสมกับการทำงาน" นี้ โดยพื้นฐานแล้วหมายความว่าหากมีงานต้องทำ มันอาจจะดูเหมือนว่าสามารถทำได้ it งานนั้น; ในทางกลับกัน หากมีบางสิ่งที่ดูเหมือนจะทำขึ้นเพื่อทำงานให้สำเร็จลุล่วง ก็มีโอกาสดีที่สิ่งนี้จะทำสิ่งนั้น

การจัดระเบียบของเซลล์และกระบวนการที่พวกมันดำเนินการนั้นสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด แม้จะแยกออกไม่ได้ และควบคุม พื้นฐานของโครงสร้างและหน้าที่ของเซลล์ต่างให้คุณค่าในตัวเองและจำเป็นต่อการเข้าใจธรรมชาติของสิ่งมีชีวิตอย่างถ่องแท้ สิ่งของ

แนวคิดเรื่องสสาร - ทั้งที่มีชีวิตและไม่มีชีวิต - ซึ่งประกอบด้วยหน่วยที่คล้ายคลึงกันและแยกจากกันจำนวนมหาศาลมีมาตั้งแต่ครั้งนั้น ของเดโมคริตุส ปราชญ์ชาวกรีกที่มีชีวิตตั้งแต่ศตวรรษที่ 5 และ 4 ก่อนคริสตกาล แต่เนื่องจากเซลล์มีขนาดเล็กเกินกว่าจะมองเห็นได้ด้วยเซลล์ ด้วยตาเปล่า จนกระทั่งศตวรรษที่ 17 ภายหลังการประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์รุ่นแรกๆ ที่ใครๆ ก็นึกภาพออกได้จริง พวกเขา

โรเบิร์ต ฮุก มักให้เครดิตกับการสร้างคำว่า "เซลล์" ในบริบททางชีววิทยาในปี ค.ศ. 1665 แม้ว่างานของเขาในพื้นที่นี้จะเน้นที่จุกไม้ก๊อก ประมาณ 20 ปีต่อมา Anton van Leeuwenhoek ได้ค้นพบแบคทีเรีย อย่างไรก็ตาม คงต้องใช้เวลาอีกหลายศตวรรษก่อนที่ส่วนที่เฉพาะเจาะจงของเซลล์และหน้าที่ของพวกมันจะถูกชี้แจงและอธิบายอย่างครบถ้วน ในปี ค.ศ. 1855 รูดอล์ฟ เวอร์โช นักวิทยาศาสตร์ที่ค่อนข้างคลุมเครือ ได้ตั้งทฤษฎีอย่างถูกต้องว่า เซลล์ของสิ่งมีชีวิตสามารถมาจาก เซลล์ที่มีชีวิตอื่น ๆ แม้ว่าการสังเกตการจำลองโครโมโซมครั้งแรกยังอยู่ห่างออกไปสองทศวรรษ

โปรคาริโอตซึ่งครอบคลุมโดเมนอนุกรมวิธานของแบคทีเรียและอาร์เคียมีอยู่ประมาณสามและครึ่งพันล้านปีซึ่งมีอายุประมาณสามในสี่ของโลกเอง (อนุกรมวิธาน เป็นศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการจำแนกประเภทของสิ่งมีชีวิต โดเมน เป็นหมวดหมู่ระดับสูงสุดภายในลำดับชั้น) สิ่งมีชีวิตประเภทโปรคาริโอตมักจะประกอบด้วยเซลล์เพียงเซลล์เดียว

ยูคาริโอต ซึ่งเป็นโดเมนที่สาม ได้แก่ สัตว์ พืช และเชื้อรา กล่าวโดยย่อ ทุกสิ่งที่มีชีวิตที่คุณมองเห็นได้จริงโดยไม่ต้องใช้เครื่องมือในห้องปฏิบัติการ เชื่อว่าเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้เกิดจากโปรคาริโอตอันเป็นผลมาจาก เอนโดซิมไบโอซิส (จากภาษากรีกจาก "อาศัยอยู่ด้วยกันภายใน") เมื่อเกือบ 3 พันล้านปีก่อน เซลล์หนึ่งกลืนแบคทีเรียแอโรบิก (ที่ใช้ออกซิเจน) ซึ่งตอบสนองจุดประสงค์ของสิ่งมีชีวิตทั้งสองรูปแบบ เพราะแบคทีเรีย "กลืน" ได้ให้วิธีการผลิตพลังงานสำหรับเซลล์เจ้าบ้านในขณะที่ให้สภาพแวดล้อมที่สนับสนุน support สำหรับ เอนโดซิมบิออน.
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับความเหมือนและความแตกต่างของเซลล์โปรคาริโอตและยูคาริโอต

เซลล์มีขนาด รูปร่าง และการกระจายตัวของเนื้อหาแตกต่างกันอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายในขอบเขตของยูคาริโอต สิ่งมีชีวิตเหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่าและมีความหลากหลายมากกว่าโปรคาริโอตมากและในจิตวิญญาณของ "รูปแบบ เหมาะกับฟังก์ชัน" ที่อ้างถึงก่อนหน้านี้ ความแตกต่างเหล่านี้ปรากฏชัดแม้ในระดับของเซลล์แต่ละเซลล์

ศึกษาแผนผังเซลล์ใด ๆ และไม่ว่าเซลล์จะเป็นของสิ่งมีชีวิตใด คุณมั่นใจได้ว่าจะได้เห็นคุณสมบัติบางอย่าง ได้แก่ เมมเบรนพลาสม่าซึ่งล้อมรอบเนื้อหาเซลลูลาร์ ไซโตพลาสซึมซึ่งเป็นสื่อที่มีลักษณะคล้ายเยลลี่ซึ่งก่อตัวเป็นส่วนใหญ่ของภายในเซลล์ กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (DNA) สารพันธุกรรมที่เซลล์ส่งผ่านไปยังเซลล์ลูกที่ก่อตัวเมื่อเซลล์แบ่งตัวออกเป็นสองส่วนระหว่างการสืบพันธุ์ และไรโบโซมซึ่งเป็นโครงสร้างที่เป็นแหล่งสังเคราะห์โปรตีน

โปรคาริโอตยังมีผนังเซลล์อยู่ภายนอกเยื่อหุ้มเซลล์ เช่นเดียวกับพืช ในยูคาริโอต DNA ถูกปิดล้อมอยู่ในนิวเคลียสซึ่งมีเยื่อหุ้มพลาสมาของตัวเองคล้ายกันมากกับที่อยู่รอบ ๆ เซลล์

พลาสมาเมมเบรนของเซลล์ประกอบด้วย a ฟอสโฟลิปิด bilayerองค์กรซึ่งตามมาจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าเคมีของชิ้นส่วนที่เป็นส่วนประกอบ โมเลกุลฟอสโฟลิปิดในแต่ละชั้นประกอบด้วย ชอบน้ำ "หัว" ที่ชักนำให้จมน้ำเพราะภาระของมัน และ ไม่ชอบน้ำ "หาง" ซึ่งไม่มีประจุจึงมักจะชี้ออกจากน้ำ ส่วนที่ไม่ชอบน้ำของแต่ละชั้นหันหน้าเข้าหากันที่ด้านในของเมมเบรนสองชั้น ด้านที่ชอบน้ำของชั้นนอกหันไปทางด้านนอกของเซลล์ ในขณะที่ด้านที่ชอบน้ำของชั้นในหันไปทางไซโตพลาสซึม

ที่สำคัญคือ พลาสมาเมมเบรนคือ ซึมผ่านได้ซึ่งหมายความว่า แทนที่จะชอบคนโกหกในไนท์คลับ มันให้สิทธิ์การเข้าถึงโมเลกุลบางอย่างในขณะที่ปฏิเสธไม่ให้ผู้อื่นเข้ามา โมเลกุลขนาดเล็ก เช่น กลูโคส (น้ำตาลที่ทำหน้าที่เป็นแหล่งเชื้อเพลิงขั้นสุดท้ายสำหรับทุกเซลล์) และคาร์บอนไดออกไซด์ สามารถเคลื่อนเข้าและออกจากเซลล์ได้อย่างอิสระ โดยหลบหลีกโมเลกุลฟอสโฟลิปิดที่เรียงตัวตั้งฉากกับเมมเบรนเป็น ทั้งหมด สารอื่นๆ จะถูกขนส่งอย่างแข็งขันผ่านเมมเบรนโดย "ปั๊ม" ที่ขับเคลื่อนโดยอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP) ซึ่งเป็นนิวคลีโอไทด์ที่ทำหน้าที่เป็น "สกุลเงิน" ของพลังงานของทุกเซลล์
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับโครงสร้างและหน้าที่ของพลาสมาเมมเบรน

นิวเคลียสทำหน้าที่เป็นสมองของเซลล์ยูคาริโอต พลาสมาเมมเบรนรอบนิวเคลียสเรียกว่าซองจดหมายนิวเคลียร์ ภายในนิวเคลียสคือ โครโมโซมซึ่งเป็น "ชิ้น" ของ DNA จำนวนโครโมโซมแตกต่างกันไปในแต่ละสายพันธุ์ (มนุษย์มี 23 ชนิดที่แตกต่างกัน แต่มีทั้งหมด 46 ชนิด - หนึ่งชนิดจากแม่และอีกหนึ่งชนิดจากพ่อ)

เมื่อเซลล์ยูคาริโอตแบ่งตัว ดีเอ็นเอภายในนิวเคลียสจะทำอย่างนั้นก่อน หลังจากที่โครโมโซมทั้งหมดถูกจำลองแบบ กระบวนการนี้เรียกว่า ไมโทซิส, รายละเอียดในภายหลัง

ไรโบโซมพบได้ในไซโตพลาสซึมของเซลล์ยูคาริโอตและโปรคาริโอต ในยูคาริโอตจะเรียงเป็นกระจุกตามเส้นบางๆ ออร์แกเนลล์ (โครงสร้างที่ยึดด้วยเมมเบรนซึ่งมีหน้าที่เฉพาะ เช่น อวัยวะต่างๆ เช่น ตับและไต ในร่างกายในระดับที่ใหญ่ขึ้น) ไรโบโซมสร้างโปรตีนโดยใช้คำแนะนำที่มีใน "รหัส" ของ DNA และส่งผ่านไปยังไรโบโซมด้วยกรดไรโบนิวคลีอิก (mRNA)

หลังจากที่ mRNA ถูกสังเคราะห์ขึ้นในนิวเคลียสโดยใช้ DNA เป็นแม่แบบ มันจะออกจากนิวเคลียสและยึดติดกับไรโบโซม ซึ่งประกอบเป็นโปรตีนจาก 20 ชนิดที่แตกต่างกัน กรดอะมิโน. กระบวนการสร้าง mRNA เรียกว่า การถอดความในขณะที่การสังเคราะห์โปรตีนเองนั้นเรียกว่า การแปล.

ไม่มีการอภิปรายเกี่ยวกับองค์ประกอบและหน้าที่ของเซลล์ยูคาริโอตที่อาจสมบูรณ์หรือเกี่ยวข้องได้หากไม่มีการรักษาไมโตคอนเดรียอย่างละเอียด ออร์แกเนลล์เหล่านี้มีความโดดเด่นอย่างน้อยสองวิธี: ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้มากมายเกี่ยวกับต้นกำเนิดวิวัฒนาการของ เซลล์โดยทั่วไปและเกือบจะเป็นผู้รับผิดชอบต่อความหลากหลายของสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตโดยอนุญาตให้มีการพัฒนาเซลล์ การหายใจ

เซลล์ทั้งหมดใช้น้ำตาลกลูโคสน้ำตาลหกคาร์บอนเป็นเชื้อเพลิง ทั้งในโปรคาริโอตและยูคาริโอต กลูโคสผ่านปฏิกิริยาเคมีหลายชุดรวมกันเรียกว่า ไกลโคไลซิสซึ่งสร้าง ATP จำนวนเล็กน้อยสำหรับความต้องการของเซลล์ ในโปรคาริโอตเกือบทั้งหมด นี่คือจุดสิ้นสุดของสายเมตาบอลิซึม แต่ในยูคาริโอตซึ่งสามารถใช้ออกซิเจนได้ ผลิตภัณฑ์ของไกลโคไลซิสจะผ่านเข้าไปในไมโตคอนเดรียและเกิดปฏิกิริยาต่อไป

อย่างแรกคือ เครบส์ ไซเคิลซึ่งสร้างเอทีพีจำนวนเล็กน้อย แต่ส่วนใหญ่ทำหน้าที่กักเก็บโมเลกุลระดับกลางไว้สำหรับขั้นสุดท้ายของการหายใจระดับเซลล์ ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน. วงจร Krebs เกิดขึ้นใน takes เมทริกซ์ ของไมโตคอนเดรีย (รุ่นออร์แกเนลล์ของไซโตพลาสซึมส่วนตัว) ในขณะที่ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน ซึ่งผลิตเอทีพีส่วนใหญ่ในยูคาริโอตอย่างท่วมท้น เกิดขึ้นที่ไมโตคอนเดรียชั้นใน เมมเบรน

เซลล์ยูคาริโอตมีองค์ประกอบพิเศษหลายอย่างที่เน้นย้ำถึงความต้องการเมตาบอลิซึมที่กว้างขวางและสัมพันธ์กันของเซลล์ที่ซับซ้อนเหล่านี้ ซึ่งรวมถึง:

• เอนโดพลาสมิกเรติคูลัม: ออร์แกเนลล์นี้เป็นเครือข่ายของทูบูลที่ประกอบด้วยเยื่อหุ้มพลาสมาที่ต่อเนื่องกับเปลือกนิวเคลียส หน้าที่ของมันคือการปรับเปลี่ยนโปรตีนที่ผลิตขึ้นใหม่เพื่อเตรียมพวกมันให้พร้อมสำหรับหน้าที่ของเซลล์ปลายน้ำ เช่น เอ็นไซม์ องค์ประกอบโครงสร้าง และอื่นๆ ปรับแต่งพวกมันให้เข้ากับความต้องการเฉพาะของเซลล์ นอกจากนี้ยังผลิตคาร์โบไฮเดรต ไขมัน (ไขมัน) และฮอร์โมน เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมปรากฏเป็นเรียบหรือหยาบบนกล้องจุลทรรศน์ รูปแบบที่ย่อมาจาก SER และ RER ตามลำดับ RER ถูกกำหนดมาเช่นนั้นเพราะมัน "อัดแน่น" กับไรโบโซม นี่คือจุดที่เกิดการดัดแปลงโปรตีน ในทางกลับกัน SER เป็นที่ที่สารดังกล่าวถูกประกอบเข้าด้วยกัน
• Golgi ร่างกาย: เรียกอีกอย่างว่าเครื่องมือกอลจิ ดูเหมือนถุงที่มีเยื่อบาง ๆ เรียงซ้อนกัน และบรรจุไขมันและโปรตีนเข้า ถุงน้ำ แล้วแตกออกจากเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม ถุงน้ำส่งไขมันและโปรตีนไปยังส่วนอื่นๆ ของเซลล์
  
• ไลโซโซม: กระบวนการเผาผลาญทั้งหมดก่อให้เกิดของเสีย และเซลล์ต้องมีวิธีการกำจัดมัน หน้าที่นี้ดูแลโดยไลโซโซมซึ่งมีเอนไซม์ย่อยอาหารที่ทำลายโปรตีน ไขมัน และสารอื่นๆ รวมถึงออร์แกเนลล์ที่เสื่อมสภาพด้วยตัวมันเอง
• แวคิวโอลและถุงน้ำ: ออร์แกเนลล์เหล่านี้เป็นถุงที่ส่งผ่านส่วนประกอบต่างๆ ของเซลล์ โดยนำจากตำแหน่งภายในเซลล์หนึ่งไปยังอีกตำแหน่งหนึ่ง ความแตกต่างที่สำคัญคือ ถุงน้ำสามารถหลอมรวมกับส่วนประกอบที่เป็นเยื่ออื่นๆ ของเซลล์ได้ ในขณะที่แวคิวโอลไม่สามารถทำได้ ในเซลล์พืช แวคิวโอลบางชนิดมีเอ็นไซม์ย่อยอาหารที่สามารถสลายโมเลกุลขนาดใหญ่ได้ ไม่เหมือนไลโซโซม
• โครงร่างโครงร่าง: วัสดุนี้ประกอบด้วยไมโครทูบูล ซึ่งเป็นโปรตีนเชิงซ้อนที่ให้การสนับสนุนโครงสร้างโดยการขยายจากนิวเคลียสผ่านไซโตพลาสซึมไปจนถึงเยื่อหุ้มพลาสมา ในแง่นี้ พวกมันเป็นเหมือนคานและคานของอาคาร ทำหน้าที่กันไม่ให้เซลล์ไดนามิกทั้งหมดพังทลายลงในตัวมันเอง

เมื่อเซลล์แบคทีเรียแบ่งตัว กระบวนการก็ง่าย: เซลล์จะคัดลอกองค์ประกอบทั้งหมดของมัน รวมถึง ดีเอ็นเอในขณะที่มีขนาดประมาณสองเท่าและแยกออกเป็นสองส่วนในกระบวนการที่เรียกว่าฟิชชันแบบไบนารี

การแบ่งเซลล์ยูคาริโอตมีส่วนร่วมมากขึ้น ประการแรก DNA ในนิวเคลียสจะถูกจำลองแบบในขณะที่เปลือกนิวเคลียร์ละลาย จากนั้นโครโมโซมที่จำลองแบบแล้วจะแยกออกเป็นนิวเคลียสของลูกสาว สิ่งนี้เรียกว่าไมโทซิสและประกอบด้วยสี่ขั้นตอนที่แตกต่างกัน: การพยากรณ์, เมตาเฟส, แอนาเฟสและเทโลเฟส; หลายแหล่งแทรกระยะที่ห้า เรียกว่าโพรเมตาเฟส ทันทีหลังจากการเผยพระวจนะ หลังจากนั้น นิวเคลียสจะแบ่งตัวและห่อหุ้มนิวเคลียสรอบโครโมโซมที่เหมือนกันสองชุด

ในที่สุด เซลล์ทั้งหมดจะถูกแบ่งในกระบวนการที่เรียกว่า ไซโตไคเนซิส. เมื่อมีข้อบกพร่องบางอย่างใน DNA เนื่องจากความผิดปกติที่สืบทอดมา (การกลายพันธุ์) หรือการมีอยู่ของสารเคมีที่สร้างความเสียหาย การแบ่งเซลล์อาจดำเนินไปโดยไม่มีการตรวจสอบ นี่คือพื้นฐานของโรคมะเร็ง ซึ่งเป็นกลุ่มของโรคที่ยังไม่มีวิธีรักษา แม้ว่าการรักษาจะปรับปรุงอย่างต่อเนื่องเพื่อให้มีคุณภาพชีวิตที่ดีขึ้นอย่างมากมาย