Komórka biologiczna)

Ten artykuł dotyczy podstawowej jednostki form życia. Aby zapoznać się z działem biologii, który je bada, zobacz Biologia komórki .

Wilson1900Fig2.jpg
Komórka Komórki ( Allium cepa ) w różnych fazach cyklu komórkowego (rys. E. B. Wilson , 1900)
korzenia cebuli
Celltypes.svg
Komórka eukariotyczna (po lewej) i komórka prokariotyczna (po prawej)
Identyfikatory
Siatka D002477
TH H1.00.01.0.00001
FMA 686465
Terminologia anatomiczna

Komórka jest podstawową jednostką strukturalną i funkcjonalną form życia . Każda komórka składa się z cytoplazmy otoczonej błoną i zawiera wiele biomolekuł , takich jak białka , DNA i RNA , a także wiele małych cząsteczek substancji odżywczych i metabolitów . Termin pochodzi od łacińskiego słowa cellula oznaczającego „mały pokój”.

Komórki mogą uzyskać określoną funkcję i wykonywać różne zadania w komórce, takie jak replikacja, naprawa DNA , synteza białek i ruchliwość. Komórki są zdolne do specjalizacji i mobilności w komórce. Większość komórek jest mierzona w mikrometrach ze względu na ich mały rozmiar.

Większość komórek roślinnych i zwierzęcych jest widoczna tylko pod mikroskopem świetlnym , a ich rozmiary mieszczą się w przedziale od 1 do 100 mikrometrów . Mikroskopia elektronowa daje znacznie wyższą rozdzielczość, pokazując bardzo szczegółową strukturę komórki. Organizmy można podzielić na jednokomórkowe (składające się z pojedynczej komórki, takiej jak bakterie ) lub wielokomórkowe (w tym rośliny i zwierzęta). Większość organizmów jednokomórkowych zalicza się do mikroorganizmów . Liczba komórek u roślin i zwierząt różni się w zależności od gatunku; oszacowano, że ludzkie ciało zawiera około 37 bilionów (3,72 x 10 13 ) komórek. Mózg stanowi około 80 miliardów tych komórek.

Badanie komórek i ich działania doprowadziło do wielu innych badań w pokrewnych dziedzinach biologii, w tym: odkrycie DNA , biologia systemów nowotworowych , starzenie się i biologia rozwoju .

Biologia komórki to nauka o komórkach, które zostały odkryte przez Roberta Hooke'a w 1665 roku, który nazwał je ze względu na podobieństwo do komórek zamieszkałych przez chrześcijańskich mnichów w klasztorze. Teoria komórkowa , opracowana po raz pierwszy w 1839 roku przez Matthiasa Jakoba Schleidena i Theodora Schwanna , głosi, że wszystkie organizmy składają się z jednej lub więcej komórek, że komórki są podstawową jednostką struktury i funkcji wszystkich żywych organizmów oraz że wszystkie komórki pochodzą z przed- istniejące komórki. Komórki pojawiły się na Ziemi około 4 miliardów lat temu.

Typy komórek

Komórki są dwojakiego rodzaju: eukariotyczne , które zawierają jądro , i komórki prokariotyczne , które nie mają jądra, ale region nukleoidowy jest nadal obecny. Prokarioty to organizmy jednokomórkowe , podczas gdy eukarionty mogą być jednokomórkowe lub wielokomórkowe .

Komórki prokariotyczne

Główny artykuł: Prokariota
Budowa typowej komórki prokariotycznej

Prokarionty obejmują bakterie i archeony , dwie z trzech domen życia . Komórki prokariotyczne były pierwszą formą życia na Ziemi, charakteryzującą się istotnymi procesami biologicznymi , w tym sygnalizacją komórkową . Są prostsze i mniejsze niż komórki eukariotyczne, pozbawione jądra i innych organelli związanych z błoną . DNA komórki prokariotycznej składa się z pojedynczego kolistego chromosomu , który jest w bezpośrednim kontakcie z cytoplazmą . Region jądrowy w cytoplazmie nazywa się nukleoidem . Większość prokariontów to najmniejsze ze wszystkich organizmów o średnicy od 0,5 do 2,0 μm.

Komórka prokariotyczna ma trzy regiony:

Komórki eukariotyczne

Główny artykuł: Eukariota
Struktura typowej komórki zwierzęcej
Budowa typowej komórki roślinnej

Rośliny , zwierzęta , grzyby , śluzowce , pierwotniaki i glony są eukariotami . Komórki te są około piętnaście razy szersze niż typowy prokariota i mogą mieć nawet tysiąc razy większą objętość. Główną cechą wyróżniającą eukarionty w porównaniu z prokariotami jest kompartmentalizacja : obecność organelli (kompartmentów) związanych z błoną, w których zachodzą określone czynności. Najważniejszym z nich jest jądro komórkowe , organelle zawierające DNA komórki . Jądro to nadaje eukariontom swoją nazwę, co oznacza „prawdziwe jądro (jądro)”. Niektóre inne różnice to:

  • Błona plazmatyczna przypomina funkcję prokariontów, z niewielkimi różnicami w konfiguracji. Ściany komórkowe mogą być obecne lub nie.
  • Eukariotyczny DNA jest zorganizowany w jedną lub więcej liniowych cząsteczek, zwanych chromosomami , które są związane z białkami histonowymi . Cały chromosomalny DNA jest przechowywany w jądrze komórkowym , oddzielonym od cytoplazmy błoną. Niektóre organelle eukariotyczne, takie jak mitochondria , również zawierają trochę DNA.
  • Wiele komórek eukariotycznych posiada rzęski pierwotne . Pierwotne rzęski odgrywają ważną rolę w chemosensacji, mechanosensacji i termosensacji . Każda rzęska może być zatem „postrzegana jako czuciowa antena komórkowa , która koordynuje dużą liczbę komórkowych szlaków sygnałowych, czasami łącząc sygnalizację z ruchliwością rzęsek lub alternatywnie z podziałem i różnicowaniem komórek”.
  • Ruchliwe eukarionty mogą poruszać się za pomocą ruchomych rzęsek lub wici . Komórki ruchliwe są nieobecne w drzewach iglastych i roślinach kwitnących . Wici eukariotyczne są bardziej złożone niż wici prokariotów.
Porównanie cech komórek prokariotycznych i eukariotycznych
Prokarionty eukarionty
Typowe organizmy bakterie , archeony protisty , grzyby , rośliny , zwierzęta
Typowy rozmiar ~ 1–5 μm ~ 10–100 μm
Rodzaj jądra region nukleoidowy ; brak prawdziwego jądra prawdziwe jądro z podwójną błoną
DNA okrągły (zwykle) cząsteczki liniowe ( chromosomy ) z białkami histonowymi
Synteza RNA / białek sprzężone w cytoplazmie
Synteza RNA w jądrze synteza białek w cytoplazmie
Rybosomy 50S i 30S 60S i 40S
Struktura cytoplazmatyczna bardzo mało struktur wysoce ustrukturyzowane przez błony wewnętrzne i cytoszkielet
Ruch komórek wici wykonane z wici wici i rzęski zawierające mikrotubule ; lamellipodia i filopodia zawierające aktynę
mitochondria nic od jednego do kilku tysięcy
Chloroplasty nic w algach i roślinach
Organizacja zwykle pojedyncze komórki pojedyncze komórki, kolonie, wyższe organizmy wielokomórkowe z wyspecjalizowanymi komórkami
Podział komórek rozszczepienie binarne (podział prosty)
mitoza (rozszczepienie lub pączkowanie) mejoza
Chromosomy pojedynczy chromosom więcej niż jeden chromosom
Membrany Błona komórkowa

Kształty komórek

Postawiono hipotezę, że kształt komórki, zwany także morfologią komórki, powstaje na podstawie ułożenia i ruchu cytoszkieletu. Wiele postępów w badaniu morfologii komórek pochodzi z badania prostych bakterii, takich jak Staphylococcus aureus , E. coli i B. subtilis . Odkryto i opisano różne kształty komórek, ale jak i dlaczego komórki tworzą różne kształty, jest nadal szeroko nieznane. Niektóre zidentyfikowane kształty komórek obejmują pręciki, ziarniaki i krętki. Ziarniaki mają okrągły kształt, pałeczki mają wydłużony kształt przypominający pręt, a krętki mają kształt spiralny. Ustalono również wiele innych kształtów.

Składniki subkomórkowe

Wszystkie komórki, zarówno prokariotyczne, jak i eukariotyczne , mają błonę otaczającą komórkę, regulującą ruch wewnątrz i na zewnątrz (selektywnie przepuszczalną) oraz utrzymującą potencjał elektryczny komórki . Wewnątrz błony cytoplazma zajmuje większość objętości komórki. Z wyjątkiem krwinek czerwonych , które nie mają jądra komórkowego i większości organelli, aby pomieścić maksymalną ilość miejsca dla hemoglobiny , wszystkie komórki posiadają DNA , dziedziczny materiał genów i RNA , zawierający informacje niezbędne do budowy różnych białek , takich jak enzymy , podstawowa maszyneria komórki . Istnieją również inne rodzaje biomolekuł w komórkach. W tym artykule wymieniono te podstawowe składniki komórkowe , a następnie krótko opisano ich funkcję.

Błona komórkowa

Główny artykuł: Błona komórkowa
Szczegółowy schemat dwuwarstwy lipidowej błony komórkowej

Błona komórkowa lub błona plazmatyczna jest selektywnie przepuszczalną błoną biologiczną , która otacza cytoplazmę komórki. U zwierząt błona plazmatyczna jest zewnętrzną granicą komórki, podczas gdy u roślin i prokariotów jest zwykle pokryta ścianą komórkową . Błona ta służy do oddzielania i ochrony komórki od otaczającego środowiska i jest zbudowana głównie z podwójnej warstwy fosfolipidów , które są amfifilowe (częściowo hydrofobowe , a częściowo hydrofilowe ). Dlatego warstwa ta nazywana jest dwuwarstwą fosfolipidową lub czasami płynną mozaiką membranową. W błonie tej osadzona jest makrocząsteczkowa struktura zwana porosomem, uniwersalnym portalem wydzielniczym w komórkach i różnymi cząsteczkami białek , które działają jak kanały i pompy, które przemieszczają różne cząsteczki do iz komórki. Membrana jest półprzepuszczalna i selektywnie przepuszczalna, ponieważ może przepuszczać substancję ( cząsteczkę lub jon ) swobodnie, przechodzić w ograniczonym stopniu lub w ogóle nie przechodzić. Błony powierzchniowe komórek zawierają również receptorowe , które umożliwiają komórkom wykrywanie zewnętrznych cząsteczek sygnałowych, takich jak hormony .

Cytoszkielet

Główny artykuł: Cytoszkielet
Fluorescencyjny obraz komórki śródbłonka. Jądra są zabarwione na niebiesko, mitochondria na czerwono, a mikrofilamenty na zielono.

Cytoszkielet działa w celu zorganizowania i utrzymania kształtu komórki; zakotwicza organelle w miejscu; pomaga podczas endocytozy , pobierania materiałów zewnętrznych przez komórkę i cytokinezy , rozdzielania komórek potomnych po podziale komórki ; i porusza częściami komórki w procesach wzrostu i mobilności. Cytoszkielet eukariotyczny składa się z mikrotubul , włókien pośrednich i mikrofilamentów . W cytoszkielecie neuronu włókna pośrednie są znane jako neurofilamenty . Jest z nimi związana ogromna liczba białek, z których każde kontroluje strukturę komórki poprzez kierowanie, łączenie i wyrównywanie włókien. Cytoszkielet prokariotyczny jest mniej dobrze zbadany, ale bierze udział w utrzymaniu kształtu komórki, polaryzacji i cytokinezy. Białko podjednostki mikrofilamentów to małe, monomeryczne białko zwane aktyną . Podjednostką mikrotubul jest dimeryczna cząsteczka zwana tubuliną . Filamenty pośrednie to heteropolimery, których podjednostki różnią się w zależności od typu komórek w różnych tkankach. Niektóre z białek podjednostek włókien pośrednich obejmują wimentynę , desminę , laminę (laminy A, B i C), keratynę (wiele kwaśnych i zasadowych keratyn) oraz białka neurofilamentów (NF-L, NF-M).

Materiał genetyczny

Główne artykuły: DNA i RNA
Kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA)

Istnieją dwa różne rodzaje materiału genetycznego: kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA). Komórki wykorzystują DNA do długoterminowego przechowywania informacji. Biologiczna informacja zawarta w organizmie jest zakodowana w jego sekwencji DNA. RNA służy do transportu informacji (np. mRNA ) i funkcji enzymatycznych (np. rybosomalny RNA). Cząsteczki transferowego RNA (tRNA) są używane do dodawania aminokwasów podczas translacji białek .

Prokariotyczny materiał genetyczny jest zorganizowany w prosty okrągły chromosom bakteryjny w regionie nukleoidowym cytoplazmy. Eukariotyczny materiał genetyczny jest podzielony na różne, liniowe cząsteczki zwane chromosomami wewnątrz odrębnego jądra, zwykle z dodatkowym materiałem genetycznym w niektórych organellach, takich jak mitochondria i chloroplasty (patrz teoria endosymbiozy ).

Komórka ludzka ma materiał genetyczny zawarty w jądrze komórkowym ( genom jądrowy ) oraz w mitochondriach ( genom mitochondrialny ). U ludzi genom jądrowy jest podzielony na 46 liniowych cząsteczek DNA zwanych chromosomami , w tym 22 homologiczne pary chromosomów i parę chromosomów płciowych . Genom mitochondrialny to kolista cząsteczka DNA, różniąca się od jądrowego DNA. Chociaż mitochondrialne DNA jest bardzo małe w porównaniu z chromosomami jądrowymi, koduje 13 białek zaangażowanych w mitochondrialną produkcję energii i specyficzne tRNA.

Obcy materiał genetyczny (najczęściej DNA) można również sztucznie wprowadzić do komórki w procesie zwanym transfekcją . Może to być przejściowe, jeśli DNA nie jest wstawione do genomu komórki , lub stabilne, jeśli jest. Niektóre wirusy również wstawiają swój materiał genetyczny do genomu.

Organelle

Główny artykuł: Organelle

Organelle to części komórki, które są przystosowane i/lub wyspecjalizowane do wykonywania jednej lub więcej funkcji życiowych, analogicznie do narządów ludzkiego ciała (takich jak serce, płuca i nerki, przy czym każdy narząd pełni inną funkcję). Zarówno komórki eukariotyczne, jak i prokariotyczne mają organelle, ale organelle prokariotyczne są na ogół prostsze i nie są związane z błoną.

W komórce występuje kilka rodzajów organelli. Niektóre (takie jak jądro i aparat Golgiego ) są zazwyczaj pojedyncze, podczas gdy inne (takie jak mitochondria , chloroplasty , peroksysomy i lizosomy ) mogą być liczne (setki do tysięcy). Cytozol , który wypełnia komórkę i otacza organelle.

eukariotyczny

Ludzkie komórki nowotworowe, w szczególności komórki HeLa , z DNA zabarwionym na niebiesko. Centralna i skrajna prawa komórka znajdują się w interfazie , więc ich DNA jest rozproszone, a całe jądra są oznakowane. Komórka po lewej stronie przechodzi mitozę , a jej chromosomy uległy kondensacji.
  • Jądro komórkowe : Centrum informacyjne komórki, jądro komórkowe jest najbardziej rzucającą się w oczy organellą występującą w komórce eukariotycznej . Mieści chromosomy komórki i jest miejscem, w którym zachodzi prawie cała replikacja DNA i synteza RNA ( transkrypcja ). Jądro jest kuliste i oddzielone od cytoplazmy podwójną błoną zwaną otoczką jądrową , przestrzeń między tymi dwiema błonami nazywana jest przestrzenią okołojądrową. Otoczka jądrowa izoluje i chroni DNA komórki przed różnymi cząsteczkami, które mogłyby przypadkowo uszkodzić jej strukturę lub zakłócić jej przetwarzanie. Podczas przetwarzania DNA jest transkrybowane lub kopiowane do specjalnego RNA , zwanego informacyjnym RNA (mRNA). Ten mRNA jest następnie transportowany z jądra, gdzie jest tłumaczony na określoną cząsteczkę białka. Jąderko jest wyspecjalizowanym regionem w jądrze, w którym gromadzą się podjednostki rybosomów . U prokariotów obróbka DNA odbywa się w cytoplazmie .
  • Mitochondria i chloroplasty : wytwarzają energię dla komórki. Mitochondria to samoreplikujące się organelle otoczone podwójną błoną, które występują w różnych liczbach, kształtach i rozmiarach w cytoplazmie wszystkich komórek eukariotycznych. Oddychanie zachodzi w mitochondriach komórkowych, które wytwarzają energię komórkową poprzez fosforylację oksydacyjną , wykorzystując tlen do uwolnienia energii zmagazynowanej w komórkowych składnikach odżywczych (zwykle związanych z glukozą ) w celu wytworzenia ATP ( oddychanie tlenowe ). Mitochondria rozmnażają się przez rozszczepienie binarne , podobnie jak prokarioty. Chloroplasty można znaleźć tylko w roślinach i algach i wychwytują energię słoneczną do produkcji węglowodanów w procesie fotosyntezy .
Schemat systemu błony wewnętrznej
  • Retikulum endoplazmatyczne : Retikulum endoplazmatyczne (ER) to sieć transportowa dla cząsteczek ukierunkowanych na określone modyfikacje i określone miejsca docelowe, w porównaniu z cząsteczkami, które swobodnie unoszą się w cytoplazmie. ER ma dwie formy: szorstki ER, który ma na swojej powierzchni rybosomy, które wydzielają białka do ER, oraz gładki ER, który nie ma rybosomów. Gładki ER odgrywa rolę w sekwestracji i uwalnianiu wapnia, a także pomaga w syntezie lipidów .
  • Aparat Golgiego : Podstawową funkcją aparatu Golgiego jest przetwarzanie i pakowanie makrocząsteczek, takich jak białka i lipidy , które są syntetyzowane przez komórkę.
  • Lizosomy i peroksysomy : Lizosomy zawierają enzymy trawienne ( hydrolazy kwasowe ). Trawią nadmiar lub zużyte organelle , cząsteczki jedzenia i pochłonięte wirusy lub bakterie . Peroksysomy mają enzymy, które usuwają z komórki toksyczne nadtlenki , lizosomy są optymalnie aktywne przy kwaśnym pH. Komórka nie mogłaby pomieścić tych destrukcyjnych enzymów, gdyby nie były one zawarte w systemie związanym z błoną.
  • Centrosom : organizator cytoszkieletu: Centrosom wytwarza mikrotubule komórki – kluczowy składnik cytoszkieletu . Kieruje transportem przez ER i aparat Golgiego . Centrosomy składają się z dwóch centrioli , które leżą prostopadle do siebie, z których każdy ma organizację podobną do koła wozu , które oddzielają się podczas podziału komórki i pomagają w tworzeniu wrzeciona mitotycznego . Pojedynczy centrosom jest obecny w komórkach zwierzęcych . Występują również w niektórych komórkach grzybów i glonów.
  • Vacuole : Vacuole sekwestrują produkty przemiany materii, aw komórkach roślinnych magazynują wodę. Są one często opisywane jako przestrzenie wypełnione cieczą i otoczone membraną. Niektóre komórki, w szczególności ameba , mają kurczliwe wakuole, które mogą wypompowywać wodę z komórki, jeśli jest jej za dużo. Wakuole komórek roślinnych i komórek grzybów są zwykle większe niż w komórkach zwierzęcych. Wakuole komórek roślinnych otoczone są tonoplastem , który pomaga w transporcie jonów i innych substancji wbrew gradientom stężeń.

Eukariotyczne i prokariotyczne

  • Rybosomy : Rybosom to duży kompleks cząsteczek RNA i białek . Każdy z nich składa się z dwóch podjednostek i działa jak linia montażowa, na której RNA z jądra jest używany do syntezy białek z aminokwasów. Rybosomy można znaleźć albo unoszące się swobodnie, albo związane z błoną (szorstka retikulum endoplazmatyczne u eukariontów lub błona komórkowa u prokariotów).
  • Plastidy : Plastidy są organellami związanymi z błoną, zwykle występującymi w komórkach roślinnych i euglenoidach i zawierają specyficzne pigmenty , wpływając w ten sposób na kolor rośliny i organizmu. Pigmenty te pomagają również w przechowywaniu żywności i pozyskiwaniu energii świetlnej. Istnieją trzy rodzaje plastydów w oparciu o określone pigmenty. Chloroplasty (zawierają chlorofil i niektóre barwniki karotenoidowe, które pomagają w pozyskiwaniu energii świetlnej podczas fotosyntezy), Chromoplasty (zawierają rozpuszczalne w tłuszczach barwniki karotenoidowe , takie jak pomarańczowy karoten i żółte ksantofile, które pomagają w syntezie i przechowywaniu), Leukoplasty (są plastydami bez pomaga w magazynowaniu składników odżywczych).

Struktury poza błoną komórkową

Wiele komórek ma również struktury, które istnieją całkowicie lub częściowo poza błoną komórkową. Struktury te są godne uwagi, ponieważ nie są chronione przed środowiskiem zewnętrznym przez półprzepuszczalną błonę komórkową . Aby złożyć te struktury, ich składniki muszą być przenoszone przez błonę komórkową w procesach eksportowych.

Ściana komórkowa

Dalsze informacje: Ściana komórkowa

Wiele rodzajów komórek prokariotycznych i eukariotycznych ma ścianę komórkową . Ściana komórkowa chroni komórkę mechanicznie i chemicznie przed otoczeniem i stanowi dodatkową warstwę ochronną błony komórkowej. Różne typy komórek mają ściany komórkowe wykonane z różnych materiałów; ściany komórkowe roślin zbudowane są głównie z celulozy , ściany komórkowe grzybów z chityny , a ściany komórkowe bakterii z peptydoglikanu .

Prokariotyczny

Kapsuła

Żelatynowa kapsułka jest obecna w niektórych bakteriach poza błoną komórkową i ścianą komórkową. Kapsułka może być polisacharydem jak w pneumokokach , meningokokach lub polipeptydem jak Bacillus anthracis lub kwasem hialuronowym jak w paciorkowcach . Kapsułki nie są oznaczane przy użyciu zwykłych protokołów barwienia i można je wykryć za pomocą tuszu indyjskiego lub błękitu metylowego ; co pozwala na większy kontrast między komórkami do obserwacji.

wici

Wici są organellami odpowiedzialnymi za ruchliwość komórek. Wić bakteryjna rozciąga się od cytoplazmy przez błonę komórkową (błony) i przechodzi przez ścianę komórkową. Są to długie i grube nitkowate wyrostki, z natury białkowe. Inny typ wici występuje u archeonów, a inny u eukariontów.

fimbrie

Fimbria (liczba mnoga fimbriae znana również jako pilus , liczba mnoga pilusów) to krótkie, cienkie, podobne do włosów włókno znajdujące się na powierzchni bakterii. Fimbrie są utworzone z białka zwanego piliną ( antygenowe ) i są odpowiedzialne za przyłączanie bakterii do określonych receptorów na ludzkich komórkach ( adhezja komórkowa ). Istnieją specjalne rodzaje pilusów zaangażowanych w koniugację bakteryjną .

Procesy komórkowe

Prokarionty dzielą się przez rozszczepienie binarne , podczas gdy eukarionty dzielą się przez mitozę lub mejozę .

Replikacja

Główny artykuł: podział komórkowy

Podział komórki obejmuje pojedynczą komórkę (zwaną komórką macierzystą ) dzielącą się na dwie komórki potomne. Prowadzi to do wzrostu w organizmach wielokomórkowych (wzrost tkanki ) i do prokreacji ( rozmnażania wegetatywnego ) w organizmach jednokomórkowych . Komórki prokariotyczne dzielą się przez rozszczepienie binarne , podczas gdy komórki eukariotyczne zwykle przechodzą proces podziału jądrowego, zwany mitozą , po którym następuje podział komórki, zwany cytokinezą . Komórka diploidalna może również przechodzić mejozę , aby wytworzyć komórki haploidalne, zwykle cztery. Komórki haploidalne służą jako gamety w organizmach wielokomórkowych, łącząc się, tworząc nowe komórki diploidalne.

Replikacja DNA lub proces powielania genomu komórki ma miejsce zawsze, gdy komórka dzieli się poprzez mitozę lub rozszczepienie binarne. Dzieje się tak podczas fazy S cyklu komórkowego .

W mejozie DNA replikuje się tylko raz, podczas gdy komórka dzieli się dwukrotnie. Replikacja DNA zachodzi tylko przed mejozą I. Replikacja DNA nie zachodzi, gdy komórki dzielą się po raz drugi, w mejozie II . Replikacja, podobnie jak wszystkie czynności komórkowe, wymaga wyspecjalizowanych białek do wykonania zadania.

Zarys katabolizmu białek , węglowodanów i tłuszczów _

naprawa DNA

Główny artykuł: naprawa DNA

Ogólnie rzecz biorąc, komórki wszystkich organizmów zawierają układy enzymatyczne, które skanują ich DNA pod kątem uszkodzeń DNA i przeprowadzają procesy naprawcze po wykryciu uszkodzenia. Różne procesy naprawcze ewoluowały w organizmach, od bakterii po ludzi. Powszechne występowanie tych procesów naprawczych wskazuje na znaczenie utrzymywania komórkowego DNA w stanie nieuszkodzonym w celu uniknięcia śmierci komórki lub błędów replikacji spowodowanych uszkodzeniami, które mogą prowadzić do mutacji . Bakterie E. coli są dobrze zbadanym przykładem organizmu komórkowego z różnymi, dobrze zdefiniowanymi procesami naprawy DNA . Należą do nich: (1) naprawa przez wycinanie nukleotydów , (2) naprawa niedopasowania DNA , (3) łączenie niehomologicznych końców pęknięć dwuniciowych, (4) naprawa rekombinacyjna i (5) naprawa zależna od światła ( fotoreaktywacja ).

Wzrost i metabolizm


Przegląd syntezy białek. W jądrze komórkowym ( kolor jasnoniebieski ) geny (DNA, kolor ciemnoniebieski ) są transkrybowane na RNA . Ten RNA jest następnie poddawany modyfikacji i kontroli potranskrypcyjnej, w wyniku czego powstaje dojrzały mRNA ( czerwony ), który jest następnie transportowany z jądra do cytoplazmy ( brzoskwinia ), gdzie podlega translacji na białko. mRNA jest tłumaczone przez rybosomy ( fioletowe ), które dopasowują trójzasadowe kodony mRNA do trójzasadowych antykodonów odpowiedniego tRNA . Nowo zsyntetyzowane białka ( czarne ) są często dalej modyfikowane, na przykład poprzez wiązanie z cząsteczką efektorową ( pomarańczowe ), aby stały się w pełni aktywne.
Główne artykuły: wzrost komórek i metabolizm

Pomiędzy kolejnymi podziałami komórkowymi komórki rosną dzięki funkcjonowaniu metabolizmu komórkowego. Metabolizm komórkowy to proces, w którym poszczególne komórki przetwarzają cząsteczki składników odżywczych. Metabolizm dzieli się na dwa odrębne działy: katabolizm , w którym komórka rozkłada złożone cząsteczki w celu wytworzenia energii i mocy redukującej , oraz anabolizm , w którym komórka wykorzystuje energię i moc redukującą do budowy złożonych cząsteczek i wykonywania innych funkcji biologicznych. Złożone cukry spożywane przez organizm można rozłożyć na prostsze cząsteczki cukru zwane monosacharydami, takie jak glukoza . Po wejściu do komórki glukoza jest rozkładana do trójfosforanu adenozyny ( ATP ), cząsteczki, która posiada łatwo dostępną energię, poprzez dwa różne szlaki.

Synteza białek

Główny artykuł: Biosynteza białek

Komórki są zdolne do syntezy nowych białek, które są niezbędne do modulowania i utrzymania aktywności komórkowej. Proces ten obejmuje tworzenie nowych cząsteczek białka z aminokwasów w oparciu o informacje zakodowane w DNA/RNA. Synteza białek zasadniczo składa się z dwóch głównych etapów: transkrypcji i translacji .

Transkrypcja to proces, w którym informacja genetyczna w DNA jest wykorzystywana do wytworzenia komplementarnej nici RNA. Ta nić RNA jest następnie przetwarzana w celu uzyskania informacyjnego RNA (mRNA), który może swobodnie migrować przez komórkę. Cząsteczki mRNA wiążą się z kompleksami białko-RNA zwanymi rybosomami znajdującymi się w cytozolu , gdzie ulegają translacji do sekwencji polipeptydowych. Rybosom pośredniczy w tworzeniu sekwencji polipeptydowej na podstawie sekwencji mRNA. Sekwencja mRNA bezpośrednio odnosi się do sekwencji polipeptydowej poprzez wiązanie się z przenoszącego RNA (tRNA) w kieszeniach wiążących w rybosomie. Nowy polipeptyd składa się następnie w funkcjonalną trójwymiarową cząsteczkę białka.

Poruszanie się

Główny artykuł: Ruchliwość

Organizmy jednokomórkowe mogą poruszać się w celu znalezienia pożywienia lub ucieczki przed drapieżnikami. Typowe mechanizmy ruchu obejmują wici i rzęski .

W organizmach wielokomórkowych komórki mogą poruszać się podczas procesów, takich jak gojenie się ran, odpowiedź immunologiczna i przerzuty raka . Na przykład podczas gojenia się ran u zwierząt białe krwinki przemieszczają się do miejsca rany, aby zabić mikroorganizmy powodujące infekcję. Ruchliwość komórek obejmuje wiele receptorów, sieciowanie, wiązanie, wiązanie, adhezję, motoryczne i inne białka. Proces dzieli się na trzy etapy – wystawanie przedniej krawędzi komórki, adhezja przedniej krawędzi i deadhezja w ciele komórki i z tyłu oraz skurcz cytoszkieletu w celu pociągnięcia komórki do przodu. Każdy krok jest napędzany siłami fizycznymi generowanymi przez unikalne segmenty cytoszkieletu.

Nawigacja, sterowanie i komunikacja

Zobacz także: Cybernetyka § W biologii

W sierpniu 2020 roku naukowcy opisali jeden sposób, w jaki komórki – w szczególności komórki śluzowca i komórki pochodzące z mysiego raka trzustki – są w stanie skutecznie poruszać się po ciele i identyfikować najlepsze trasy przez złożone labirynty: generowanie gradientów po rozbiciu rozproszonych chemoatraktantów , które umożliwić im wykrywanie zbliżających się skrzyżowań labiryntu, zanim do nich dotrą, w tym za rogami.

Wielokomórkowość

Główny artykuł: organizm wielokomórkowy

Specjalizacja/różnicowanie komórek

Główny artykuł: różnicowanie komórkowe
Barwienie Caenorhabditis elegans podkreśla jądra jego komórek.

Organizmy wielokomórkowe to organizmy składające się z więcej niż jednej komórki, w przeciwieństwie do organizmów jednokomórkowych .

W złożonych organizmach wielokomórkowych komórki specjalizują się w różne typy komórek , które są przystosowane do określonych funkcji. U ssaków główne typy komórek obejmują komórki skóry , komórki mięśni , neurony , komórki krwi , fibroblasty , komórki macierzyste i inne. Typy komórek różnią się zarówno wyglądem, jak i funkcją, ale są genetycznie identyczne. Komórki mogą mieć ten sam genotyp , ale różne typy komórek ze względu na zróżnicowaną ekspresję zawartych w nich genów .

Większość różnych typów komórek powstaje z pojedynczej komórki totipotencjalnej , zwanej zygotą , która w trakcie rozwoju różnicuje się w setki różnych typów komórek . Różnicowanie komórek jest napędzane przez różne bodźce środowiskowe (takie jak interakcja komórka-komórka) i wewnętrzne różnice (takie jak te spowodowane nierównomiernym rozmieszczeniem cząsteczek podczas podziału ) .

Pochodzenie wielokomórkowości

Główny artykuł: organizm wielokomórkowy

Wielokomórkowość ewoluowała niezależnie co najmniej 25 razy, w tym u niektórych prokariotów, takich jak cyjanobakterie , myksobakterie , promieniowce , Magnetoglobus multicellularis lub Methanosarcina . Jednak złożone organizmy wielokomórkowe wyewoluowały tylko w sześciu grupach eukariotycznych: zwierzętach, grzybach, brązowych algach, czerwonych algach, zielonych algach i roślinach. Ewoluował wielokrotnie w przypadku roślin ( Chloroplastida ), raz lub dwa razy w przypadku zwierząt , raz w przypadku brunatnic , a być może kilka razy w przypadku grzybów , śluzowców i krasnorostów . Wielokomórkowość mogła wyewoluować z kolonii współzależnych organizmów, z komórkowości lub z organizmów w związkach symbiotycznych .

Pierwszy dowód wielokomórkowości pochodzi od organizmów podobnych do cyjanobakterii , które żyły od 3 do 3,5 miliarda lat temu. Inne wczesne skamieniałości organizmów wielokomórkowych obejmują kwestionowaną Grypania spiralis i skamieniałości czarnych łupków paleoproterozoicznej formacji Francevillian Group Fossil B w Gabonie .

Ewolucja wielokomórkowości od jednokomórkowych przodków została powtórzona w laboratorium, w eksperymentach ewolucyjnych z wykorzystaniem drapieżnictwa jako presji selekcyjnej .

Pochodzenie

Osobny artykuł: Ewolucyjna historia życia

Pochodzenie komórek ma związek z pochodzeniem życia , które zapoczątkowało historię życia na Ziemi.

Pochodzenie pierwszej komórki

Stromatolity są pozostawione przez sinice , zwane także niebiesko-zielonymi algami. Są to najstarsze znane skamieliny życia na Ziemi. Ta licząca miliard lat skamielina pochodzi z Parku Narodowego Glacier w Stanach Zjednoczonych.
Dalsze informacje: Abiogeneza i ewolucja komórek

Istnieje kilka teorii na temat pochodzenia małych cząsteczek, które doprowadziły do ​​powstania życia na wczesnej Ziemi . Mogły zostać przeniesione na Ziemię na meteorytach (patrz meteoryt Murchison ), utworzone w otworach wentylacyjnych głębinowych lub zsyntetyzowane przez wyładowania atmosferyczne w redukującej atmosferze (patrz eksperyment Millera-Ureya ). Istnieje niewiele danych eksperymentalnych określających, jakie były pierwsze samoreplikujące się formy. RNA jest najwcześniejszą samoreplikującą się cząsteczką, ponieważ jest zdolna zarówno do przechowywania informacji genetycznej, jak i katalizowania reakcji chemicznych (patrz hipoteza świata RNA ), ale jakaś inna jednostka z potencjałem do samoreplikacji mogła poprzedzać RNA, na przykład glinka lub peptydowy kwas nukleinowy .

Komórki pojawiły się co najmniej 3,5 miliarda lat temu. Obecne przekonanie jest takie, że te komórki były heterotrofami . Wczesne błony komórkowe były prawdopodobnie prostsze i przepuszczalne niż współczesne, z tylko jednym łańcuchem kwasu tłuszczowego na lipid. Wiadomo, że lipidy spontanicznie tworzą dwuwarstwowe pęcherzyki w wodzie i mogły poprzedzać RNA, ale pierwsze błony komórkowe mogły być również wytwarzane przez katalityczny RNA, a nawet wymagały białek strukturalnych, zanim mogły się uformować.

Pochodzenie komórek eukariotycznych

Dalsze informacje: Ewolucja rozmnażania płciowego

Wydaje się, że komórka eukariotyczna wyewoluowała z symbiotycznej społeczności komórek prokariotycznych. Organelle niosące DNA, takie jak mitochondria i chloroplasty , pochodzą odpowiednio od starożytnych symbiotycznych, oddychających tlenem alfaproteobakterii i „ cyjanobakterii ”, które uległy endosymbiozie przez pradawnego prokariota archeona .

Nadal toczy się poważna debata na temat tego, czy organelle, takie jak hydrogenosom, powstały przed powstaniem mitochondriów , czy odwrotnie: patrz hipoteza wodoru dotycząca pochodzenia komórek eukariotycznych.

Historia badań

Główny artykuł: Teoria komórki
Rysunek Roberta Hooke'a przedstawiający komórki w korku , 1665

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne


Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cell_(biology)&oldid=1141227824 ”