Будова та функція клітини

Клітини представляють найменші або, принаймні, найбільш незводимі об'єкти, що мають усі якості, пов'язані з магічною перспективою, яка називається "життя", наприклад обмін речовин (вилучення енергії із зовнішніх джерел для живлення внутрішніх процесів) і розмноження. У цьому відношенні вони займають ту саму нішу в біології, що і атоми в хімії: їх, безперечно, можна розбити на більш дрібні шматочки, але окремо ці шматки не можуть зробити багато. У будь-якому випадку, людський організм, безумовно, містить їх багато - значно більше 30 трильйонів (це 30 мільйонів мільйонів).

Загальним рефреном як у природничих науках, так і в інженерному світі є "форма відповідає функції". Це по суті означає, що якщо щось має певну роботу, це, мабуть, буде виглядати так, ніби вона здатна виконати та робота; навпаки, якщо, здається, щось зроблено для виконання певного завдання чи завдань, тоді є велика ймовірність, що це саме те, що робить ця річ.

Організація клітин і процеси, які вони здійснюють, тісно пов’язані між собою, навіть нерозривні і освоюють Основи будови та функціонування клітин є як корисними самі по собі, так і необхідними для повного розуміння природи життя речі.

Поняття матерії - як живої, так і неживої - як складеної з величезної кількості дискретних, подібних одиниць існує з тих часів Демокріта, грецького вченого, життя якого охоплювало V і IV століття до н. е. Але оскільки клітини занадто малі, щоб їх можна було побачити за допомогою неозброєним оком, лише в 17 столітті, після винаходу перших мікроскопів, кожен міг насправді візуалізувати їх.

Роберту Гуку, як правило, приписують термін "клітина" в біологічному контексті в 1665 році, хоча його робота в цій галузі була зосереджена на пробці; приблизно через 20 років Антон ван Левенгук відкрив бактерії. Однак пройшло б ще кілька століть, перш ніж конкретні частини клітини та їх функції зможуть з’ясувати та повністю описати. У 1855 році відносно незрозумілий вчений Рудольф Вірхов правильно висловив думку, що живі клітини можуть походити лише з інші живі клітини, хоча перші спостереження за реплікацією хромосом були ще за кілька десятиліть.

Прокаріоти, що охоплюють таксономічні області Бактерії та Археї, існують близько трьох з половиною мільярдів років, тобто приблизно три чверті віку самої Землі. (Таксономія це наука, що займається класифікацією живих істот; домен є категорією найвищого рівня в ієрархії.) Прокаріотичні організми зазвичай складаються лише з однієї клітини.

Еукаріоти, третій домен, включають тварин, рослини та гриби - словом, все живе, що ви насправді можете побачити без лабораторних інструментів. Вважається, що клітини цих організмів виникли в результаті прокаріотів ендосимбіоз (від грецької від "спільне проживання всередині"). Близько 3 мільярдів років тому клітина поглинула аеробну (що використовує кисень) бактерію, яка служила цілям обох форм життя оскільки «проковтнута» бактерія забезпечувала засіб виробництва енергії для клітини-хазяїна, забезпечуючи при цьому підтримуюче середовище для ендосимбіонт.
Докладніше про подібність та відмінності клітин прокаріотів та еукаріотів.

Клітини дуже різняться за розміром, формою та розподілом їх вмісту, особливо в межах еукаріотів. Ці організми набагато більші, а також набагато різноманітніші, ніж прокаріоти, і в дусі "форми" відповідає функції ", на яку посилалися раніше, ці відмінності очевидні навіть на рівні окремих клітин.

Перегляньте будь-яку діаграму клітин, і незалежно від того, до якого організму належить клітина, ви впевнені, що бачите певні особливості. До них належать a плазматична мембрана, який охоплює клітинний вміст; цитоплазма, який є желеподібним середовищем, що утворює більшу частину клітини; дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК), генетичний матеріал, який клітини передають дочірнім клітинам, які утворюються, коли клітина ділиться навпіл під час розмноження; та рибосоми, які є структурами, що є місцями синтезу білка.

Прокаріоти також мають клітинну стінку зовні клітинної мембрани, як і рослини. У еукаріотів ДНК укладена в ядро, яке має власну плазматичну мембрану, дуже подібну до тієї, що оточує саму клітину.

Плазматична мембрана клітин складається з фосфоліпідний бішар, організація яких випливає з електрохімічних властивостей складових частин. Молекули фосфоліпідів у кожному з двох шарів включають гідрофільний "голови", які тягнуться до води через заряд, і гідрофобний "хвости", які не заряджаються і тому мають тенденцію спрямовуватися подалі від води. Гідрофобні частини кожного шару звернені один до одного у внутрішній частині подвійної мембрани. Гідрофільна сторона зовнішнього шару звернена до зовнішньої частини клітини, тоді як гідрофільна сторона внутрішнього шару звернена до цитоплазми.

Найважливішим є те, що плазматична мембрана є напівпроникний, що означає, що, швидше як вибивач у нічному клубі, він надає доступ певним молекулам, а іншим забороняє вхід. Невеликі молекули, такі як глюкоза (цукор, який служить основним джерелом палива для всіх клітин) та вуглекислий газ може вільно переміщатися в клітину та з неї, ухиляючись від молекул фосфоліпідів, розташованих перпендикулярно мембрані як ціле. Інші речовини активно транспортуються через мембрану за допомогою "насосів", що працюють від аденозинтрифосфату (АТФ), нуклеотиду, який служить енергетичною "валютою" всіх клітин.
Детальніше про будову та функції плазматичної мембрани.

Ядро функціонує як мозок еукаріотичних клітин. Плазматична мембрана навколо ядра називається ядерною оболонкою. Всередині ядра знаходяться хромосом, які є "шматочками" ДНК; кількість хромосом варіюється від виду до виду (у людини 23 різні види, але всього 46 - по одному для кожного типу від матері та одного від батька).

Коли еукаріотична клітина ділиться, спочатку це робить ДНК всередині ядра, після того, як усі хромосоми реплікаються. Цей процес, т.зв. мітоз, докладно описано пізніше.

Рибосоми знаходяться в цитоплазмі як еукаріотичних, так і прокаріотичних клітин. В еукаріотів вони скупчені уздовж певних органели (мембранно-зв’язані структури, що виконують певні функції, такі як органи, такі як печінка та нирки, виконують в організмі більший масштаб). Рибосоми виробляють білки, використовуючи вказівки, що містяться в "коді" ДНК і передаються рибосомам за допомогою інформаційної рибонуклеїнової кислоти (мРНК).

Після синтезу мРНК в ядрі з використанням ДНК в якості матриці вона залишає ядро ​​і прикріплюється до рибосом, які збирають білки з 20 різних амінокислоти. Називається процес утворення мРНК транскрипція, тоді як сам синтез білка відомий як переклад.

Жодне обговорення складу та функції еукаріотичних клітин не може бути повним або навіть актуальним без ретельного лікування мітохондрій. Ці органели, чудові як мінімум двома способами: Вони допомогли вченим дізнатися багато нового про еволюційне походження клітин загалом, і вони майже виключно відповідають за різноманітність еукаріотичного життя, дозволяючи розвиток клітин дихання.

Усі клітини використовують шістьвуглецеву цукрову глюкозу як паливо. Як у прокаріотів, так і в еукаріотів глюкоза зазнає низку хімічних реакцій, які спільно називають гліколіз, який утворює невелику кількість АТФ для потреб клітини. Майже у всіх прокаріотів це кінець метаболічної лінії. Але в еукаріотів, які здатні використовувати кисень, продукти гліколізу переходять в мітохондрії і зазнають подальших реакцій.

Перший з них - Цикл Кребса, який створює невелику кількість АТФ, але в основному функціонує, щоб накопичувати проміжні молекули для великого фіналу клітинного дихання, електронно-транспортний ланцюг. Цикл Кребса відбувається в матриця мітохондрій (версія органели приватної цитоплазми), тоді як електронно-транспортний ланцюг, який продукує переважну більшість АТФ у еукаріотів, транспірується на внутрішніх мітохондріальних мембрана.

Еукаріотичні клітини мають ряд спеціалізованих елементів, які підкреслюють великі взаємопов’язані метаболічні потреби цих складних клітин. До них належать:

• Ендоплазматичний ретикулум: Ця органела - це мережа канальців, що складається з плазматичної мембрани, яка неперервна з ядерною оболонкою. Його робота полягає в модифікації нещодавно виготовлених білків, щоб підготувати їх до їх подальших клітинних функцій як ферментів, структурних елементів тощо, пристосовуючи їх до конкретних потреб клітини. Він також виробляє вуглеводи, ліпіди (жири) та гормони. Ендоплазматичний ретикулум під час мікроскопії виглядає як гладким, так і шорстким, форми, що мають скорочення SER та RER відповідно. RER позначається так, оскільки він "усіяний" рибосомами; тут відбувається модифікація білка. З іншого боку, СЕА збирається вищезгаданими речовинами.
• Тіла Гольджі: Також називається апаратом Гольджі. Це схоже на сплюснуту стопку зв’язаних мембраною мішків, і в неї упаковуються ліпіди та білки везикули які потім відриваються від ендоплазматичної сітки. Везикули доставляють ліпіди та білки в інші частини клітини.
  
• Лізосоми: Всі метаболічні процеси утворюють відходи, і клітина повинна мати засіб позбавлення від них. Цією функцією піклуються лізосоми, які містять травні ферменти, що розщеплюють білки, жири та інші речовини, включаючи самі зношені органели.
• Вакуолі та пухирці: Ці органели - це мішечки, які обводять різні клітинні компоненти, переносячи їх з одного внутрішньоклітинного місця на інше. Основні відмінності полягають у тому, що везикули можуть зливатися з іншими перетинчастими компонентами клітини, тоді як вакуолі не можуть. У рослинних клітинах деякі вакуолі містять травні ферменти, які можуть розщеплювати великі молекули, на відміну від лізосом.
• Цитоскелет: Цей матеріал складається з мікротрубочок, білкових комплексів, які пропонують структурну підтримку, простягаючись від ядра через цитоплазму аж до плазматичної мембрани. У цьому відношенні вони схожі на балки та прогони будівлі, діючи для того, щоб уся динамічна комірка не зруйнувалась на собі.

Коли бактеріальні клітини діляться, процес простий: клітина копіює всі свої елементи, включаючи свої ДНК, при цьому приблизно подвоюючись в розмірах, а потім розпадається на дві частини в процесі, відомому як подвійне ділення.

Еукаріотичний поділ клітин бере більшу участь. Спочатку ДНК в ядрі реплікується, поки ядерна оболонка розчиняється, а потім репліковані хромосоми поділяються на дочірні ядра. Це відоме як мітоз і складається з чотирьох різних стадій: профази, метафази, анафази та телофази; багато джерел вставляють п'яту стадію, яка називається прометафаза, відразу після профази. Після цього ядро ​​ділиться, і навколо двох однакових наборів хромосом утворюються нові ядерні оболонки.

Нарешті, клітина в цілому ділиться в процесі, відомому як цитокінез. Коли певні дефекти присутні в ДНК завдяки успадкованим вадам розвитку (мутаціям) або наявності пошкоджуючих хімічних речовин, поділ клітин може продовжуватися неперевіреним; це основа для раку, групи захворювань, від яких не існує ліків, хоча лікування продовжує вдосконалюватися, щоб забезпечити значно поліпшену якість життя.