Σύγχρονες πειραματικές μελέτες έχουν αποδείξει ότι το κύτταρο είναι η πιο σύνθετη δομική και λειτουργική μονάδα σχεδόν όλων των ζωντανών οργανισμών, με εξαίρεση τους ιούς, που είναι μη κυτταρικές μορφές ζωής. Η κυτταρολογία μελετά τη δομή, καθώς και τη ζωτική δραστηριότητα του κυττάρου: αναπνοή, διατροφή, αναπαραγωγή, ανάπτυξη. Αυτές οι διαδικασίες θα εξεταστούν σε αυτό το έγγραφο.
Δομή κυττάρων
Με τη χρήση ενός μικροσκοπίου φωτός και ηλεκτρονίων, οι βιολόγοι έχουν διαπιστώσει ότι τα φυτικά και ζωικά κύτταρα περιέχουν μια επιφανειακή συσκευή (συμπλέγματα υπερμεμβρανών και υπομεμβρανών), κυτταρόπλασμα και οργανίδια. Στα ζωικά κύτταρα, ένας γλυκοκάλυκας βρίσκεται πάνω από τη μεμβράνη, ο οποίος περιέχει ένζυμα και παρέχει διατροφή στο κύτταρο έξω από το κυτταρόπλασμα. Στα φυτικά κύτταρα, στα προκαρυωτικά (βακτήρια και κυανοβακτήρια), καθώς και στους μύκητες, σχηματίζεται ένα κυτταρικό τοίχωμα πάνω από τη μεμβράνη, το οποίο αποτελείται από κυτταρίνη, λιγνίνη ή μουρεΐνη.
Ο πυρήνας είναι ένα απαραίτητο οργανίδιοευκαρυωτες. Περιέχει κληρονομικό υλικό - DNA, που μοιάζει με χρωμοσώματα. Τα βακτήρια και τα κυανοβακτήρια περιέχουν ένα νουκλεοειδές που δρα ως φορέας δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος. Όλα αυτά εκτελούν αυστηρά συγκεκριμένες λειτουργίες που καθορίζουν τις μεταβολικές κυτταρικές διεργασίες.
Τι εννοούμε με τον όρο κυτταρική διατροφή
Οι ζωτικές εκδηλώσεις ενός κυττάρου δεν είναι παρά η μεταφορά ενέργειας και ο μετασχηματισμός της από τη μια μορφή στην άλλη (σύμφωνα με τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής). Η ενέργεια που βρίσκεται στα θρεπτικά συστατικά σε μια λανθάνουσα, δηλαδή, δεσμευμένη κατάσταση, περνά στα μόρια ATP. Στο ερώτημα τι είναι η κυτταρική διατροφή στη βιολογία, υπάρχει μια απάντηση που λαμβάνει υπόψη τα ακόλουθα αξιώματα:
- Το κύτταρο, ως ανοιχτό βιοσύστημα, απαιτεί συνεχή παροχή ενέργειας από το εξωτερικό περιβάλλον.
- Οι οργανικές ουσίες που χρειάζονται για τη διατροφή, το κύτταρο μπορεί να πάρει με δύο τρόπους:
α) από το μεσοκυττάριο μέσο, με τη μορφή έτοιμων ενώσεων·
β) ανεξάρτητη σύνθεση πρωτεϊνών, υδατανθράκων και λιπών από διοξείδιο του άνθρακα, αμμωνία κ.λπ.
Επομένως, όλοι οι οργανισμοί χωρίζονται σε ετερότροφους και αυτοτροφικούς, τα μεταβολικά χαρακτηριστικά των οποίων μελετώνται από τη βιοχημεία.
Μεταβολισμός και ενέργεια
Οι οργανικές ουσίες που εισέρχονται στο κύτταρο υφίστανται διάσπαση, με αποτέλεσμα να απελευθερώνεται ενέργεια με τη μορφή μορίων ATP ή NADP-H2. Όλο το σύνολο των αντιδράσεων αφομοίωσης και αφομοίωσης είναι ο μεταβολισμός. Παρακάτω θα εξετάσουμε τα στάδια του ενεργειακού μεταβολισμού που παρέχουν θρέψη για τα ετερότροφα κύτταρα. Πρώτα πρωτεΐνες, υδατάνθρακες και λιπίδιαδιασπώνται στα μονομερή τους: αμινοξέα, γλυκόζη, γλυκερίνη και λιπαρά οξέα. Στη συνέχεια, κατά τη διάρκεια της πέψης χωρίς οξυγόνο, υποβάλλονται σε περαιτέρω διάσπαση (αναερόβια χώνευση).
Με αυτόν τον τρόπο τρέφονται τα ενδοκυτταρικά παράσιτα: ρικέτσια, χλαμύδια και παθογόνα βακτήρια, όπως το κλωστρίδιο. Οι μονοκύτταροι μύκητες ζυμομύκητα διασπούν τη γλυκόζη σε αιθυλική αλκοόλη, τα βακτήρια γαλακτικού οξέος σε γαλακτικό οξύ. Έτσι, η γλυκόλυση, το αλκοόλ, το βουτυρικό, η ζύμωση γαλακτικού οξέος είναι παραδείγματα κυτταρικής διατροφής λόγω αναερόβιας χώνευσης στα ετερότροφα.
Αυτοτροφία και χαρακτηριστικά μεταβολικών διεργασιών
Για τους οργανισμούς που ζουν στη Γη, η κύρια πηγή ενέργειας είναι ο Ήλιος. Χάρη σε αυτόν ικανοποιούνται οι ανάγκες των κατοίκων του πλανήτη μας. Μερικά από αυτά συνθέτουν θρεπτικά συστατικά λόγω της φωτεινής ενέργειας, ονομάζονται φωτότροφα. Άλλα - με τη βοήθεια της ενέργειας των οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων, ονομάζονται χημειοτροφικά. Στα μονοκύτταρα φύκια η θρέψη του κυττάρου, η φωτογραφία του οποίου παρουσιάζεται παρακάτω, γίνεται φωτοσυνθετικά.
Τα πράσινα φυτά περιέχουν χλωροφύλλη, η οποία είναι μέρος των χλωροπλαστών. Παίζει το ρόλο μιας κεραίας που συλλαμβάνει κβάντα φωτός. Στη φωτεινή και σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης, συμβαίνουν ενζυματικές αντιδράσεις (ο κύκλος Calvin), οι οποίες έχουν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό όλων των οργανικών ουσιών που χρησιμοποιούνται για τη διατροφή από το διοξείδιο του άνθρακα. Επομένως, το κύτταρο, το οποίο τρέφεταιλόγω της χρήσης της φωτεινής ενέργειας, ονομάζεται αυτότροφο ή φωτοτροφικό.
Οι μονοκύτταροι οργανισμοί, που ονομάζονται χημειοσυνθετικοί, χρησιμοποιούν την ενέργεια που απελευθερώνεται ως αποτέλεσμα χημικών αντιδράσεων για να σχηματίσουν οργανικές ουσίες, για παράδειγμα, τα βακτήρια του σιδήρου οξειδώνουν τις ενώσεις σιδήρου σε σίδηρο σιδήρου και η ενέργεια που απελευθερώνεται πηγαίνει στη σύνθεση γλυκόζης μόρια.
Έτσι, οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί συλλαμβάνουν την ενέργεια του φωτός και τη μετατρέπουν σε ενέργεια ομοιοπολικών δεσμών μονο- και πολυσακχαριτών. Στη συνέχεια, κατά μήκος των κρίκων των τροφικών αλυσίδων, η ενέργεια μεταφέρεται στα κύτταρα των ετερότροφων οργανισμών. Με άλλα λόγια, χάρη στη φωτοσύνθεση υπάρχουν όλα τα δομικά στοιχεία της βιόσφαιρας. Μπορεί να ειπωθεί ότι ένα κύτταρο, η διατροφή του οποίου γίνεται με αυτότροφο τρόπο, «τρέφεται» όχι μόνο τον εαυτό του, αλλά και όλα όσα ζουν στον πλανήτη Γη.
Πώς τρώνε οι ετερότροφοι οργανισμοί
Ένα κύτταρο του οποίου η διατροφή εξαρτάται από την πρόσληψη οργανικών ουσιών από το εξωτερικό περιβάλλον ονομάζεται ετερότροφο. Οργανισμοί όπως μύκητες, ζώα, άνθρωποι και παρασιτικά βακτήρια διασπούν τους υδατάνθρακες, τις πρωτεΐνες και τα λίπη χρησιμοποιώντας πεπτικά ένζυμα.
Στη συνέχεια τα μονομερή που προκύπτουν απορροφώνται από το κύτταρο και χρησιμοποιούνται από αυτό για την κατασκευή των οργανιδίων και της ζωής τους. Τα διαλυμένα θρεπτικά συστατικά εισέρχονται στο κύτταρο με πινοκύττωση, ενώ τα στερεά σωματίδια τροφής εισέρχονται στο κύτταρο με φαγοκυττάρωση. Οι ετερότροφοι οργανισμοί μπορούν να χωριστούν σε σαπρότροφους και παράσιτα. Τα πρώτα (για παράδειγμα, βακτήρια του εδάφους, μύκητες, ορισμένα έντομα) τρέφονται με νεκρή οργανική ύλη, τα δεύτερα (παθογόνα βακτήρια, έλμινθοι, παρασιτικοί μύκητες) τρέφονται με κύτταρα και ιστούς ζωντανών οργανισμών.
Mixotrophs, η κατανομή τους στη φύση
Ο μικτός τύπος διατροφής στη φύση είναι αρκετά σπάνιος και είναι μια μορφή προσαρμογής (ιδιοπροσαρμογής) σε διάφορους περιβαλλοντικούς παράγοντες. Η κύρια προϋπόθεση για τη μιξοτροφία είναι η παρουσία στο κύτταρο και των δύο οργανιδίων που περιέχουν χλωροφύλλη για φωτοσύνθεση και ένα σύστημα ενζύμων που διασπούν τα έτοιμα θρεπτικά συστατικά που προέρχονται από το περιβάλλον. Για παράδειγμα, το μονοκύτταρο ζώο Euglena green περιέχει χρωματοφόρα με χλωροφύλλη στο υαλόπλασμα.
Όταν η δεξαμενή στην οποία ζει το euglena είναι καλά φωτισμένη, τρέφεται σαν φυτό, δηλαδή αυτοτροφικά, μέσω της φωτοσύνθεσης. Ως αποτέλεσμα, η γλυκόζη συντίθεται από το διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο το κύτταρο χρησιμοποιεί ως τροφή. Η Euglena τρέφεται ετερότροφα τη νύχτα, διασπώντας την οργανική ύλη με τη βοήθεια ενζύμων που βρίσκονται στα πεπτικά κενοτόπια. Έτσι, οι επιστήμονες θεωρούν τη μικτή διατροφή του κυττάρου ως απόδειξη της ενότητας της προέλευσης των φυτών και των ζώων.
Ανάπτυξη κυττάρων και η σχέση της με τον τροφισμό
Η αύξηση στο μήκος, τη μάζα, τον όγκο τόσο ολόκληρου του οργανισμού όσο και των επιμέρους οργάνων και ιστών του ονομάζεται ανάπτυξη. Είναι αδύνατο χωρίς συνεχή παροχή θρεπτικών ουσιών στα κύτταρα, τα οποία χρησιμεύουν ως δομικό υλικό. Για να λάβετε απάντηση στο ερώτημα πώς μεγαλώνει ένα κύτταρο, η διατροφή του οποίουεμφανίζεται αυτοτροφικά, είναι απαραίτητο να διευκρινιστεί εάν είναι ανεξάρτητος οργανισμός ή αν αποτελεί μέρος ενός πολυκύτταρου ατόμου ως δομική μονάδα. Στην πρώτη περίπτωση, η ανάπτυξη θα πραγματοποιηθεί κατά τη μεσοφάση του κυτταρικού κύκλου. Σε αυτό λαμβάνουν χώρα εντατικά οι διαδικασίες ανταλλαγής πλαστικών. Η διατροφή των ετερότροφων οργανισμών συσχετίζεται με την παρουσία τροφής που προέρχεται από το εξωτερικό περιβάλλον. Η ανάπτυξη ενός πολυκύτταρου οργανισμού συμβαίνει λόγω της ενεργοποίησης της βιοσύνθεσης στους εκπαιδευτικούς ιστούς, καθώς και της υπεροχής των αναβολικών αντιδράσεων έναντι των διαδικασιών καταβολισμού.
Ο ρόλος του οξυγόνου στη διατροφή των ετερότροφων κυττάρων
Αερόβιοι οργανισμοί: Ορισμένα βακτήρια, μύκητες, ζώα και άνθρωποι χρησιμοποιούν οξυγόνο για να διασπάσουν πλήρως θρεπτικά συστατικά όπως η γλυκόζη σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό (ο κύκλος του Krebs). Εμφανίζεται στη μήτρα των μιτοχονδρίων που περιέχει το ενζυματικό σύστημα H + -ATP-άση, το οποίο συνθέτει μόρια ATP από το ADP. Σε προκαρυωτικούς οργανισμούς όπως τα αερόβια βακτήρια και τα κυανοβακτήρια, το στάδιο της αφομοίωσης του οξυγόνου συμβαίνει στην πλασματική μεμβράνη των κυττάρων.
Ειδική διατροφή των γαμετών
Στη μοριακή βιολογία και την κυτταρολογία, η κυτταρική διατροφή μπορεί να περιγραφεί εν συντομία ως η διαδικασία εισόδου θρεπτικών ουσιών, η διάσπασή τους και η σύνθεση ενός συγκεκριμένου μέρους της ενέργειας με τη μορφή μορίων ATP. Ο τροφισμός των γαμετών: αυγά και σπερματοζωάρια έχει ορισμένα χαρακτηριστικά που συνδέονται με την υψηλή εξειδίκευση των λειτουργιών τους. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για το γυναικείο γεννητικό κύτταρο, το οποίο αναγκάζεται να συσσωρεύει μεγάλη ποσότητα θρεπτικών συστατικών, κυρίως με τη μορφήκρόκος.
Μετά τη γονιμοποίηση, θα τα χρησιμοποιήσει για να συνθλίψει και να σχηματίσει ένα έμβρυο. Τα σπερματοζωάρια στη διαδικασία της ωρίμανσης (σπερματογένεση) λαμβάνουν οργανικές ουσίες από τα κύτταρα Sertoli που βρίσκονται στους σπερματοφόρους σωληνίσκους. Έτσι, και οι δύο τύποι γαμετών έχουν υψηλό επίπεδο μεταβολισμού, το οποίο είναι δυνατό λόγω του ενεργού κυτταρικού τροφισμού.
Ο ρόλος της ορυκτής διατροφής
Οι μεταβολικές διεργασίες είναι αδύνατες χωρίς την εισροή κατιόντων και ανιόντων που αποτελούν μέρος των ορυκτών αλάτων. Για παράδειγμα, τα ιόντα μαγνησίου είναι απαραίτητα για τη φωτοσύνθεση, τα ιόντα καλίου και ασβεστίου είναι απαραίτητα για τη λειτουργία των μιτοχονδριακών ενζυμικών συστημάτων και η παρουσία ιόντων νατρίου, καθώς και ανθρακικών ανιόντων, είναι απαραίτητη για τη διατήρηση των ρυθμιστικών ιδιοτήτων του υαλοπλάσματος. Διαλύματα ορυκτών αλάτων εισέρχονται στο κύτταρο με πινοκύττωση ή διάχυση μέσω της κυτταρικής μεμβράνης. Η ορυκτή διατροφή είναι εγγενής τόσο στα αυτότροφα όσο και στα ετερότροφα κύτταρα.
Συνοψίζοντας, είμαστε πεπεισμένοι ότι η σημασία της κυτταρικής διατροφής είναι πραγματικά μεγάλη, αφού αυτή η διαδικασία οδηγεί στον σχηματισμό οικοδομικού υλικού (υδατάνθρακες, πρωτεΐνες και λίπη) από το διοξείδιο του άνθρακα σε αυτότροφους οργανισμούς. Τα ετερότροφα κύτταρα τρέφονται με οργανικές ουσίες που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της ζωτικής δραστηριότητας των αυτότροφων. Χρησιμοποιούν τη λαμβανόμενη ενέργεια για αναπαραγωγή, ανάπτυξη, κίνηση και άλλες διαδικασίες ζωής.
