Komórka Definicja
Komórki są podstawową jednostką życia. We współczesnym świecie, są one najmniejsze znany świat, który wykonuje wszystkie funkcje życiowe. Wszystkie żywe organizmy są albo pojedynczymi komórkami, albo są organizmami wielokomórkowymi złożonymi z wielu komórek pracujących razem.
Komórki są najmniejszą znaną jednostką, która może realizować wszystkie te funkcje. Definiujące cechy, które pozwalają komórce wykonywać te funkcje, obejmują:
- Błonę komórkową, która utrzymuje reakcje chemiczne życia razem.
- Co najmniej jeden chromosom, składający się z materiału genetycznego, który zawiera „plany” i „oprogramowanie” komórki.”
- Cytoplazma – płyn wewnątrz komórki, w którym zachodzą chemiczne procesy życiowe.
Poniżej omówimy funkcje, jakie muszą spełniać komórki, aby ułatwić życie, oraz w jaki sposób spełniają one te funkcje.
Funkcje komórek
Naukowcy definiują siedem funkcji, jakie musi spełniać żywy organizm. Są to:
- Czystość żywa musi reagować na zmiany w swoim środowisku.
- Czystość żywa musi rosnąć i rozwijać się przez całe życie.
- Czystość żywa musi być zdolna do reprodukcji, czyli tworzenia kopii samej siebie.
- Czystość żywa musi mieć metabolizm.
- Czystość żywa musi utrzymywać homeostazę, czyli utrzymywać swoje środowisko wewnętrzne na tym samym poziomie niezależnie od zmian zewnętrznych.
- Czystość żywa musi być zbudowana z komórek.
- Czystość żywa musi przekazywać cechy swojemu potomstwu.
To właśnie biologia komórek umożliwia istotom żywym wykonywanie wszystkich tych funkcji. Poniżej omawiamy, jak dzięki nim możliwe są funkcje życia.
Jak działają komórki
Aby je zrealizować, muszą mieć:
- Błonę komórkową, która oddziela wnętrze komórki od zewnątrz. Koncentrując reakcje chemiczne życia wewnątrz małego obszaru w obrębie błony, komórki pozwalają reakcjom życia przebiegać znacznie szybciej niż w innym przypadku.
- Materiał genetyczny, który jest zdolny do przekazywania cech potomstwu komórki. Aby się rozmnażać, organizmy muszą zapewnić, że ich potomstwo ma wszystkie informacje, których potrzebują, aby móc wykonywać wszystkie funkcje życiowe.Wszystkie nowoczesne komórki osiągają to za pomocą DNA, którego właściwości parowania zasad pozwalają komórkom tworzyć dokładne kopie „planów” komórki i „systemu operacyjnego”. Niektórzy naukowcy uważają, że pierwsze komórki mogły używać zamiast niego RNA.
- Białka, które wykonują wiele różnych funkcji strukturalnych, metabolicznych i reprodukcyjnych.
Istnieją niezliczone różne funkcje, które komórki muszą wykonywać, aby uzyskać energię i rozmnażać się.
Zależnie od komórki, przykłady tych funkcji mogą obejmować fotosyntezę, rozkładanie cukru, lokomocję, kopiowanie własnego DNA, pozwalanie niektórym substancjom przechodzić przez błonę komórkową, podczas gdy inne pozostają na zewnątrz, itp.
Białka są zbudowane z aminokwasów, które są jak „klocki Lego” biochemii. Aminokwasy występują w różnych rozmiarach, różnych kształtach i o różnych właściwościach, takich jak polarność, ładunek jonowy i hydrofobowość.
Przez łączenie aminokwasów na podstawie instrukcji w ich materiale genetycznym, komórki mogą tworzyć biochemiczne maszyny do wykonywania prawie każdej funkcji.
Niektórzy naukowcy uważają, że pierwsze komórki mogły używać RNA do wykonywania niektórych funkcji życiowych, a następnie przenieść się do znacznie bardziej wszechstronnych aminokwasów, aby wykonać pracę w wyniku mutacji.
Różne typy komórek, które omówimy poniżej, mają różne sposoby realizacji tych funkcji.
Rodzaje komórek
Z powodu milionów różnorodnych gatunków życia na Ziemi, które rosną i zmieniają się stopniowo w czasie, istnieją niezliczone różnice między niezliczonymi istniejącymi typami komórek.
Jednakże, tutaj spojrzymy na dwa główne typy komórek, i dwie ważne podkategorie każdej z nich.
Prokariota
Prokariota jest prostszym i starszym z dwóch głównych typów komórek. Prokariota to organizmy jednokomórkowe. Bakterie i archaebakterie są przykładami komórek prokariotycznych.
Komórki prokariotyczne mają błonę komórkową, i jedną lub więcej warstw dodatkowej ochrony przed środowiskiem zewnętrznym. Wiele prokariotów ma błonę komórkową wykonaną z fosfolipidów, zamkniętą ścianą komórkową wykonaną ze sztywnego cukru. Ściana komórkowa może być zamknięta przez inną grubą „kapsułę” wykonaną z cukrów.
Wiele komórek prokariotycznych ma również rzęski, ogony lub inne sposoby, dzięki którym komórka może kontrolować swój ruch.
Cechy te, jak również ściana komórkowa i kapsuła, odzwierciedlają fakt, że komórki prokariotyczne radzą sobie same w środowisku. Nie są one częścią organizmu wielokomórkowego, który może mieć całe warstwy komórek poświęconych ochronie innych komórek przed środowiskiem lub tworzeniu ruchu.
Komórki prokariotyczne mają pojedynczy chromosom, który zawiera cały istotny materiał dziedziczny komórki i instrukcje operacyjne. Ten pojedynczy chromosom jest zazwyczaj okrągły. Nie ma jądra, ani żadnych innych wewnętrznych membran czy organelli. Chromosom po prostu pływa w cytoplazmie komórki.
Dodatkowe cechy genetyczne i informacje mogą być zawarte w innych jednostkach genowych w cytoplazmie, zwanych „plazmidami”, ale są to zwykle geny, które są przekazywane tam i z powrotem przez prokariotów chociaż proces „poziomego transferu genów”, który jest, gdy jedna komórka daje materiał genetyczny do innej. Plazmidy zawierają nieistotne DNA, bez którego komórka może żyć i które niekoniecznie jest przekazywane potomstwu.
Gdy komórka prokariotyczna jest gotowa do rozmnażania, wykonuje kopię swojego pojedynczego chromosomu. Następnie komórka dzieli się na pół, przydzielając jedną kopię swojego chromosomu i losowy zestaw plazmidów do każdej komórki córki.
Są dwa główne typy prokariotów znane naukowcom do tej pory: archaebakterie, które są bardzo starą linią życia z pewnymi biochemicznymi różnicami od bakterii i eukariotów, i bakterie, czasami nazywane „eubakteriami” lub „prawdziwymi bakteriami”, aby odróżnić je od archaebakterii.
Bakterie są uważane za bardziej „nowoczesnych” potomków archaebakterii.
Obydwie rodziny mają „bakterie” w nazwie, ponieważ różnice między nimi nie były rozumiane przed wynalezieniem nowoczesnych technik analizy biochemicznej i genetycznej.
Kiedy naukowcy zaczęli szczegółowo badać biochemię i genetykę prokariotów, odkryli te dwie bardzo różne grupy, które prawdopodobnie mają różne relacje z eukariotami i różne historie ewolucyjne!
Niektórzy naukowcy uważają, że eukariota, takie jak ludzie, są bliżej spokrewnione z bakteriami, ponieważ eukariota mają podobną chemię błon komórkowych do bakterii. Inni uważają, że archaebakterie są bliżej spokrewnione z eukariotami, ponieważ używają podobnych białek do reprodukcji swoich chromosomów.
Jeszcze inni uważają, że możemy pochodzić od obu – że komórki eukariotyczne mogły powstać, gdy archaebakterie zaczęły żyć wewnątrz komórki bakteryjnej, lub odwrotnie! Wyjaśniałoby to, w jaki sposób posiadamy ważne genetyczne i chemiczne atrybuty obu tych organizmów i dlaczego mamy wiele wewnętrznych przedziałów, takich jak jądro, chloroplasty i mitochondria!
Eukariota
Komórki eukariotyczne są uważane za najbardziej nowoczesny typ komórki. Wszystkie organizmy wielokomórkowe, w tym ty, twój kot i twoje rośliny domowe, są eukariotami. Wydaje się, że komórki eukariotyczne „nauczyły się” współpracować w celu stworzenia organizmów wielokomórkowych, podczas gdy prokariota nie jest w stanie tego zrobić.
Komórki eukariotyczne zwykle mają więcej niż jeden chromosom, który zawiera duże ilości informacji genetycznej. W ciele organizmu wielokomórkowego różne geny w obrębie tych chromosomów mogą być włączane i wyłączane, pozwalając komórkom na posiadanie różnych cech i pełnienie różnych funkcji w obrębie tego samego organizmu.
Komórki eukariotyczne mają również jedną lub więcej błon wewnętrznych, co doprowadziło naukowców do wniosku, że komórki eukariotyczne prawdopodobnie wyewoluowały, gdy jeden lub więcej rodzajów prokariotów zaczęło żyć w symbiotycznych związkach wewnątrz innych komórek.
Organelle z błonami wewnętrznymi znalezione w komórkach eukariotycznych zazwyczaj obejmują:
- Dla komórek zwierzęcych – Mitochondria, które uwalniają energię z cukru i zamieniają ją w ATP w niezwykle wydajny sposób.
Mitochondria mają nawet własne DNA, oddzielone od DNA jądrowego komórek, co daje dalsze wsparcie dla teorii, że były one kiedyś niezależnymi bakteriami. - Dla komórek roślinnych – Chloroplasty, które przeprowadzają fotosyntezę, wytwarzając ATP i cukier ze światła słonecznego i powietrza.
Chloroplasty również mają własne DNA, co sugeruje, że mogły powstać jako bakterie fotosyntetyzujące. - Jądro – W komórkach eukariotycznych jądro zawiera niezbędne plany DNA i instrukcje działania komórki.
Nie wiadomo, czy jądro mogło być również endosymbiotycznym prokariotą w pewnym momencie, czy też jego błona po prostu wyewoluowała jako dodatkowa warstwa ochrony dla DNA komórki. - Siatkówka endoplazmatyczna – Ta złożona błona wewnętrzna jest głównym miejscem tworzenia białek w komórkach. Ewolucyjne pochodzenie retikulum endoplazmatycznego nie jest znane.
- Aparat Golgiego – O tym kompleksie błony wewnętrznej można myśleć jak o „poczcie” retikulum endoplazmatycznego. Otrzymuje białka z ER, pakuje je i „etykietuje” przez dołączenie cukrów w razie potrzeby, a następnie wysyła je do miejsca przeznaczenia!
- Inne – Wiele komórek eukariotycznych może tworzyć tymczasowe wewnętrzne „woreczki” błonowe, zwane „wakuolami”, do przechowywania odpadów lub do pakowania ważnych materiałów.
Niektóre komórki, na przykład, mają specjalne wakuole zwane „lizosomami”, które są pełne substancji żrących i enzymów trawiennych. Komórki po prostu zrzucają swoje „śmieci” do lizosomów, gdzie surowe środowisko rozkłada je na prostsze składniki, które mogą być ponownie wykorzystane!
Przykłady komórek
Archaebakterie
Jak wspomniano powyżej, archaebakterie są bardzo starą formą komórek prokariotycznych. Biolodzy faktycznie umieścić je w ich własnej „domeny” życia, oddzielone od innych bakterii.
Kluczowe sposoby, w których archaebakterie różnią się od innych bakterii obejmują:
- Ich błony komórkowe, które są wykonane z rodzaju lipidów nie znaleziono w bakterii lub eukariotycznych błon komórkowych.
- Ich enzymy replikacji DNA, które są bardziej podobne do tych u eukariotów niż u bakterii, co sugeruje, że bakterie i arche są tylko daleko spokrewnione, a archaebakterie mogą być w rzeczywistości bliżej spokrewnione z nami niż ze współczesnymi bakteriami.
- Niektóre archaebakterie mają zdolność do wytwarzania metanu, co jest procesem metabolicznym nie występującym u żadnych bakterii ani u żadnych eukariotów.
Unikalne atrybuty chemiczne archaebakterii pozwalają im żyć w ekstremalnych środowiskach, takich jak przegrzana woda, ekstremalnie słona woda i niektóre środowiska, które są toksyczne dla wszystkich innych form życia.
Naukowcy stali się bardzo podekscytowani w ostatnich latach odkryciem Lokiarchaeota – typu archaebakterii, która dzieli wiele genów z eukariotami, które nigdy wcześniej nie zostały znalezione w komórkach prokariotycznych!
Obecnie uważa się, że Lokiarchaeota może być naszym najbliższym żyjącym krewnym w świecie prokariotycznym.
Bakterie
Najprawdopodobniej znasz typy bakterii, które mogą wywoływać choroby. Rzeczywiście, powszechne patogeny takie jak Streptococcus i Staphylococcus są prokariotycznymi komórkami bakteryjnymi.
Ale istnieje również wiele rodzajów pomocnych bakterii – w tym te, które rozkładają martwe odpady, aby przekształcić bezużyteczne materiały w żyzną glebę, oraz bakterie, które żyją w naszym własnym przewodzie pokarmowym i pomagają nam trawić jedzenie.
Komórki bakterii można powszechnie znaleźć żyjące w symbiotycznych związkach z organizmami wielokomórkowymi, takimi jak my, w glebie i wszędzie tam, gdzie nie jest zbyt ekstremalnie, aby mogły żyć!
Komórki roślinne
Komórki roślinne są komórkami eukariotycznymi, które są częścią wielokomórkowych, fotosyntetyzujących organizmów.
Komórki roślinne mają organelle chloroplastów, które zawierają pigmenty pochłaniające fotony światła i zbierające energię tych fotonów.
Chloroplasty mają niezwykłą zdolność przekształcania energii świetlnej w paliwo komórkowe i używają tej energii do pobierania dwutlenku węgla z powietrza i przekształcania go w cukry, które mogą być używane przez żywe organizmy jako paliwo lub materiał budowlany.
W uzupełnieniu do posiadania chloroplastów, komórki roślinne mają również zazwyczaj ścianę komórkową wykonaną ze sztywnych cukrów, aby umożliwić tkankom roślinnym utrzymanie ich pionowych struktur, takich jak liście, łodygi i pnie drzew.
Komórki roślinne mają również zwykłe organelle eukariotyczne, w tym jądro, retikulum endoplazmatyczne i aparat Golgiego.
Komórki zwierzęce
W tym ćwiczeniu przyjrzyjmy się typowi komórki zwierzęcej, który jest dla nas bardzo ważny: komórce wątroby.
Jak wszystkie komórki zwierzęce, ma ona mitochondria, które wykonują oddychanie komórkowe, zamieniając tlen i cukier w duże ilości ATP do zasilania funkcji komórkowych.
Ma również takie same organelle jak większość komórek zwierzęcych: jądro, retikulum endoplazmatyczne, aparat Golgiego, itd..
Ale jako część organizmu wielokomórkowego, komórka wątroby również wyraża unikalne geny, które nadają jej unikalne cechy i zdolności.
Komórki wątroby w szczególności zawierają enzymy, które rozkładają wiele toksyn, co pozwala wątrobie oczyszczać krew i rozkładać niebezpieczne odpady ustrojowe.
Komórka wątroby jest doskonałym przykładem tego, jak organizmy wielokomórkowe mogą być bardziej wydajne dzięki współpracy różnych typów komórek.
Twoje ciało nie mogłoby przetrwać bez komórek wątroby, które rozkładają pewne toksyny i produkty odpadowe, ale sama komórka wątroby nie mogłaby przetrwać bez komórek nerwowych i mięśniowych, które pomagają ci znaleźć pożywienie, oraz bez przewodu pokarmowego, który rozkłada to pożywienie na łatwo przyswajalne cukry.
I wszystkie te typy komórek zawierają informacje potrzebne do stworzenia wszystkich innych typów komórek! Jest to po prostu kwestia, które geny są włączone „on” lub „off” podczas development.
- Epigenetyka – Proces, w którym geny są włączone „on” lub „off” przez dodanie lub usunięcie grup chemicznych z części chromosomu.
- Eukariota – Złożone komórki z wieloma chromosomami i organellami wewnętrznymi, takimi jak mitochondria, chloroplasty i jądra.
- Prokariota – Jednokomórkowe organizmy o prostej budowie, zwykle posiadające jeden chromosom i nieposiadające organelli wewnętrznych.
Quiz
1. Która z poniższych funkcji NIE jest podstawową funkcją, którą muszą spełniać wszystkie żywe istoty?
A. Istota żywa musi się rozmnażać.
B. Istota żywa musi być w stanie utrzymać swoje środowisko wewnętrzne, niezależnie od zmian zewnętrznych.
C. Istota żywa musi reagować na zmiany w swoim środowisku.
D. Żadne z powyższych.
2. Która z poniższych NIE jest typem komórki prokariotycznej?
A. Archaebakterie
B. Bakterie Staphylococcus
C. Bakterie Streptococcus
D. Komórka wątroby
3. Które z poniższych NIE jest organellą komórki eukariotycznej?
A. Plazmid
B. Jądro
C. Mitochondria
D. Chloroplast