Komórka biologiczna - Cell biology

Nie mylić z Cell (biologia) .

Część serii na
Biologia
DNA proste.svg
Nauka życia
Kluczowe komponenty
Gałęzie
Badania
Aplikacje

Biologia komórki (również biologia komórki lub cytologia ) to dział biologii, który bada strukturę, funkcję i zachowanie komórek . Biologii komórki obejmuje zarówno prokariotyczne i komórki eukariotyczne można podzielić na wiele podgrup zagadnień, które mogą obejmować badania metabolizmu komórkowego , komunikacji komórkowej , cyklu komórkowym , biochemii i składu komórkowego . Badanie komórek przeprowadza się przy użyciu kilku technik, takich jak hodowla komórek , różne rodzaje mikroskopii i frakcjonowanie komórek . Umożliwiły one i są obecnie wykorzystywane do odkryć i badań dotyczących funkcjonowania komórek, co ostatecznie daje wgląd w zrozumienie większych organizmów. Znajomość składników komórek i sposobu ich działania ma fundamentalne znaczenie dla wszystkich nauk biologicznych, a jednocześnie jest niezbędna w badaniach w dziedzinach biomedycznych, takich jak rak i inne choroby. Badania w biologii komórki są powiązane z innymi dziedzinami, takimi jak genetyka , genetyka molekularna , biochemia , biologia molekularna , mikrobiologia medyczna , immunologia i cytochemia .

Historia

Komórki po raz pierwszy zaobserwowano w XVII-wiecznej Europie wraz z wynalezieniem mikroskopu złożonego . W 1665 r. Robert Hooke określił cegiełkę wszystkich żywych organizmów jako „komórki” po obejrzeniu kawałka korka i zaobserwowaniu struktury podobnej do komórki, jednak komórki były martwe i nie dawały żadnych wskazówek na temat rzeczywistych ogólnych składników komórki. . Kilka lat później, w 1674, Anton Van Leeuwenhoek jako pierwszy przeanalizował żywe komórki w swoim badaniu glonów . Wszystko to poprzedziło teorię komórki, która głosi, że wszystkie żywe istoty składają się z komórek i że komórki są funkcjonalną i strukturalną jednostką organizmów. Ostatecznie doszli do wniosku naukowiec zajmujący się roślinami, Matthias Schleiden i badacz zwierząt Theodor Schwann w 1838 roku, którzy obserwowali żywe komórki odpowiednio w tkankach roślinnych i zwierzęcych. 19 lat później Rudolf Virchow wniósł dalszy wkład w teorię komórki, dodając, że wszystkie komórki pochodzą z podziału wcześniej istniejących komórek. Chociaż powszechnie akceptowane, istnieje wiele badań, które kwestionują słuszność teorii komórkowej. Na przykład wirusy nie mają wspólnych cech żywej komórki, takich jak błony, organelle komórkowe i zdolność do samodzielnego rozmnażania się. Cela została po raz pierwszy odkryta i nazwana przez Roberta Hooke'a w 1665 roku. Zauważył, że wyglądała dziwnie podobnie do celluli lub małych pokoi, które zamieszkiwali mnisi, stąd nazwa. Jednak to, co faktycznie zobaczył Hooke, to martwe ściany komórkowe komórek roślinnych (korek), które pojawiły się pod mikroskopem. Opis tych komórek autorstwa Hooke'a został opublikowany w Micrographia. Naukowcy mieli trudności z ustaleniem, czy wirusy są żywe, czy nie i czy są zgodne z teorią komórkową.

Techniki

Współczesne badania z zakresu biologii komórki analizują różne sposoby hodowania i manipulowania komórkami poza żywym organizmem w celu dalszych badań anatomii i fizjologii człowieka oraz pozyskiwania leków. Techniki, za pomocą których bada się komórki, ewoluowały. Dzięki postępom w mikroskopii, techniki i technologie umożliwiły naukowcom lepsze zrozumienie struktury i funkcji komórek. Poniżej wymieniono wiele technik powszechnie stosowanych do badania biologii komórki:

  • Hodowla komórkowa : Wykorzystuje szybko rosnące komórki na pożywce, co pozwala na dużą ilość komórek określonego typu i skuteczny sposób badania komórek. Hodowla komórkowa jest jednym z głównych narzędzi stosowanych w biologii komórkowej i molekularnej, zapewniając doskonałe systemy modelowe do badania normalna fizjologia i biochemia komórek (np. badania metaboliczne, starzenie się), wpływ leków i związków toksycznych na komórki oraz mutageneza i karcynogeneza. Jest również stosowany w badaniach przesiewowych i opracowywaniu leków oraz produkcji na dużą skalę związków biologicznych (np. szczepionek, białek terapeutycznych). Główną zaletą wykorzystania hodowli komórkowych do dowolnego z tych zastosowań jest spójność i powtarzalność wyników, które można uzyskać przy użyciu partii komórek klonalnych.
  • Mikroskopia fluorescencyjna : Markery fluorescencyjne, takie jak GFP , służą do znakowania określonego składnika komórki. Następnie pewna długość fali świetlnej jest wykorzystywana do wzbudzenia znacznika fluorescencyjnego, który można następnie zwizualizować.
  • Mikroskopia kontrastu fazowego : wykorzystuje optyczny aspekt światła do przedstawienia zmian fazy stałej, ciekłej i gazowej jako różnic jasności.
  • Mikroskopia konfokalna : Łączy mikroskopię fluorescencyjną z obrazowaniem poprzez ogniskowanie światła i wykonywanie zdjęć seryjnych w celu utworzenia obrazu 3D.
  • Transmisyjna mikroskopia elektronowa : obejmuje barwienie metalu i przechodzenie elektronów przez komórki, które zostaną odchylone w wyniku interakcji z metalem. To ostatecznie tworzy obraz badanych komponentów.
  • Cytometria : Komórki są umieszczane w maszynie, która wykorzystuje wiązkę do rozpraszania komórek w oparciu o różne aspekty, a zatem może je rozdzielać na podstawie rozmiaru i zawartości. Komórki można również znakować za pomocą fluorescencji GFP i można je również w ten sposób rozdzielać. Cytometria obejmuje szeroki zakres najnowocześniejszych technik, z których większość mierzy właściwości molekularne komórek poprzez zastosowanie znakowania fluorescencyjnego do wykrywania określonych antygenów przy użyciu przeciwciał.
  • Frakcjonowanie komórek : Ten proces wymaga rozbicia komórek przy użyciu wysokiej temperatury lub sonifikacji, a następnie odwirowania w celu oddzielenia części komórek, umożliwiając ich oddzielne badanie.

Typy komórek

Rysunek komórki prokariotycznej.

Istnieją dwie podstawowe klasyfikacje komórek: prokariotyczne i eukariotyczne . Komórki prokariotyczne odróżnia się od komórek eukariotycznych brakiem jądra komórkowego lub innych organelli związanych z błoną . Komórki prokariotyczne są znacznie mniejsze niż komórki eukariotyczne, co czyni je najmniejszą formą życia. Komórki prokariotyczne mogą obejmować bakterie i archeowce i nie mają zamkniętego jądra komórkowego . Oba rozmnażają się poprzez rozszczepienie binarne . Bakterie, najbardziej widoczny rodzaj, mają kilka różnych kształtów, głównie kulistych i pręcikowych . Bakterie można sklasyfikować jako Gram-dodatnie lub Gram-ujemne, w zależności od składu ściany komórkowej . Bakterie Gram-dodatnie mają grubą warstwę peptydoglikanu i nie mają zewnętrznej błony lipidowej. Bakteryjne cechy strukturalne obejmują wić, która pomaga komórce się poruszać, rybosomy odpowiedzialne za translację RNA do białka oraz nukleoid, który utrzymuje cały materiał genetyczny w okrągłej strukturze. Istnieje wiele procesów zachodzących w komórkach prokariotycznych, które pozwalają im przetrwać. Na przykład, w procesie zwanym koniugacją , czynnik płodności umożliwia bakteriom posiadanie pilusa, który pozwala jej na przenoszenie DNA do innej bakterii, która nie ma czynnika F, umożliwiając przenoszenie odporności, co pozwala jej przetrwać w pewnych środowiskach.

Komórki eukariotyczne mogą być jednokomórkowe lub wielokomórkowe i obejmować komórki zwierząt, roślin, grzybów i pierwotniaków, z których wszystkie zawierają organelle o różnych kształtach i rozmiarach.

Struktura i funkcja

Struktura komórek eukariotycznych

Schemat komórki zwierzęcej.

Komórki eukariotyczne składają się z następujących organelli:

  • Jądro : Działa jako magazyn genomu i informacji genetycznej dla komórki, zawierające całe DNA zorganizowane w formie chromosomów. Otacza ją otoczka jądrowa , w której znajdują się pory jądrowe umożliwiające transport białek między wnętrzem i zewnętrzem jądra. Jest to również miejsce replikacji DNA oraz transkrypcji DNA do RNA. Następnie RNA jest modyfikowane i transportowane do cytozolu w celu przekształcenia w białko. Więc to jest naprawdę ważna część komórki, którą należy chronić. Czasami rzeczy takie jak RNA muszą przemieszczać się między jądrem a cytoplazmą, dlatego w tej błonie jądrowej znajdują się pory, które umożliwiają cząsteczkom wchodzenie i wychodzenie z jądra. Kiedyś uważano, że błona jądrowa pozwala tylko molekułom wychodzić na zewnątrz, ale teraz zdano sobie sprawę, że istnieje również aktywny proces wprowadzania molekuł do jądra.
  • Nucleolus : Ta struktura znajduje się w jądrze, zwykle ma gęsty i kulisty kształt. Jest to miejsce syntezy rybosomalnego RNA (rRNA), które jest potrzebne do składania rybosomów.
  • Retikulum endoplazmatyczne (ER) : Ta funkcja służy do syntezy, przechowywania i wydzielania białek do aparatu Golgiego. Strukturalnie retikulum endoplazmatyczne jest siecią błon znajdujących się w całej komórce i połączonych z jądrem. Błony różnią się nieznacznie w zależności od komórki, a funkcja komórki determinuje wielkość i strukturę ER.
  • Mitochondria : Powszechnie znane jako elektrownia komórki. Służy do produkcji energii lub ATP w komórce. W szczególności jest to miejsce, w którym występuje cykl Krebsa lub cykl TCA do produkcji NADH i FADH. Następnie produkty te są wykorzystywane w łańcuchu transportu elektronów (ETC) i fosforylacji oksydacyjnej do ostatecznej produkcji ATP.
  • Aparat Golgiego : służy do dalszego przetwarzania, pakowania i wydzielania białek do miejsca przeznaczenia. Białka zawierają sekwencję sygnałową, która umożliwia aparatowi Golgiego rozpoznanie i skierowanie go we właściwe miejsce.
  • Lizosom : Lizosom służy do degradacji materiału sprowadzonego z zewnątrz komórki lub starych organelli. Zawiera wiele kwaśnych hydrolaz, proteaz, nukleaz i lipaz, które rozkładają różne cząsteczki. Autofagia to proces degradacji przez lizosomy, który zachodzi, gdy pęcherzyk pączkuje z ER i pochłania materiał, a następnie przyłącza się i łączy z lizosomami, aby umożliwić degradację materiału.
  • Rybosomy : Funkcje translacji RNA na białko. służy jako miejsce syntezy białek.
  • Cytoszkielet : Cytoszkielet to struktura, która pomaga zachować ich kształt i ogólną organizację cytoplazmy. funkcje zakotwiczania organelli w komórkach i tworzenia struktury i stabilności komórki. Cytoszkielet składa się z trzech głównych rodzajów filamentów białkowych: filamentów aktynowych, filamentów pośrednich i mikrotubul, które są utrzymywane razem i połączone z organellami subkomórkowymi i błoną komórkową za pomocą różnych białek pomocniczych.
  • Błona komórkowa : Błonę komórkową można opisać jako dwuwarstwę fosfolipidową i składa się ona również z lipidów i białek. Ponieważ wnętrze dwuwarstwy jest hydrofobowe i aby cząsteczki mogły uczestniczyć w reakcjach w komórce, muszą być w stanie przejść przez tę warstwę błony, aby dostać się do komórki poprzez ciśnienie osmotyczne , dyfuzję , gradienty stężeń i kanały błonowe.
  • Centriole : Funkcja wytwarzania włókien wrzeciona, które są używane do oddzielania chromosomów podczas podziału komórki.

Komórki eukariotyczne mogą również składać się z następujących składników molekularnych:

  • Chromatyna : To tworzy chromosomy i jest mieszaniną DNA z różnymi białkami.
  • Cilia : Pomagają rozpędzać substancje i mogą być również wykorzystywane do celów sensorycznych.

Metabolizm komórkowy

Metabolizm komórkowy jest niezbędny do produkcji energii dla komórki, a tym samym do jej przeżycia i obejmuje wiele szlaków. W przypadku oddychania komórkowego , gdy glukoza jest dostępna, w cytozolu komórki zachodzi glikoliza, w wyniku której powstaje pirogronian. Pirogronian ulega dekarboksylacji przy użyciu kompleksu wieloenzymatycznego, tworząc acetylo-coA, który można łatwo wykorzystać w cyklu TCA do produkcji NADH i FADH2. Produkty te biorą udział w łańcuchu transportu elektronów, ostatecznie tworząc gradient protonów w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Ten gradient może następnie napędzać produkcję ATP i H2O podczas fosforylacji oksydacyjnej . Metabolizm w komórkach roślinnych obejmuje fotosyntezę, która jest po prostu dokładnym przeciwieństwem oddychania, ponieważ ostatecznie wytwarza cząsteczki glukozy.

Sygnalizacja komórkowa

Dalsze informacje: sygnalizacja komórkowa

Sygnalizacja komórkowa jest ważna dla regulacji komórek i przetwarzania przez komórki informacji ze środowiska i odpowiedniej reakcji. Sygnalizacja może zachodzić poprzez bezpośredni kontakt z komórkami lub sygnalizację hormonalną , parakrynną i autokrynną . Bezpośredni kontakt komórka-komórka ma miejsce, gdy receptor na komórce wiąże cząsteczkę, która jest przyłączona do błony innej komórki. Sygnalizacja endokrynologiczna zachodzi poprzez cząsteczki wydzielane do krwiobiegu. Sygnalizacja parakrynna wykorzystuje do komunikacji cząsteczki dyfundujące między dwiema komórkami. Autokryna to komórka wysyłająca do siebie sygnał poprzez wydzielanie cząsteczki, która wiąże się z receptorem na jej powierzchni. Formy komunikacji mogą odbywać się poprzez:

  • Kanały jonowe : mogą być różnego rodzaju, takie jak kanały jonowe bramkowane napięciem lub ligandami. Pozwalają na wypływ i napływ cząsteczek i jonów.
  • Receptor sprzężony z białkiem G (GPCR): Powszechnie wiadomo, że zawiera 7 domen transbłonowych. Ligand wiąże się z domeną zewnątrzkomórkową, a gdy ligand się zwiąże, sygnalizuje to czynnikowi wymiany guaniny, aby przekształcić GDP w GTP i aktywować podjednostkę G-α. G-α może celować w inne białka, takie jak cyklaza adenylowa lub fosfolipaza C, które ostatecznie wytwarzają wtórne przekaźniki, takie jak cAMP, Ip3, DAG i wapń. Te wtórne przekaźniki działają w celu wzmocnienia sygnałów i mogą celować w kanały jonowe lub inne enzymy. Jednym z przykładów amplifikacji sygnału jest wiązanie cAMP i aktywacja PKA przez usunięcie podjednostek regulatorowych i uwolnienie podjednostki katalitycznej. Podjednostka katalityczna ma sekwencję lokalizacji jądrowej, która skłania ją do wejścia do jądra i fosforylacji innych białek w celu zahamowania lub aktywacji aktywności genów.
  • Receptorowe kinazy tyrozynowe : Wiążą czynniki wzrostu, dodatkowo promując tyrozynę w wewnątrzkomórkowej części białka do krzyżowego fosforylowania. Fosforylowana tyrozyna staje się lądowiskiem dla białek zawierających domenę SH2 pozwalającą na aktywację Ras i zaangażowanie szlaku kinazy MAP .

Wzrost i rozwój

Cykl komórkowy

Główny artykuł: Cykl komórkowy
Proces podziału komórek w cyklu komórkowym .

Proces wzrostu komórki nie dotyczy wielkości komórki, ale gęstości liczby komórek obecnych w organizmie w danym czasie. Wzrost komórek odnosi się do wzrostu liczby komórek obecnych w organizmie w miarę jego wzrostu i rozwoju; wraz ze wzrostem organizmu rośnie liczba obecnych komórek. Komórki są podstawą wszystkich organizmów i podstawową jednostką życia. Wzrost i rozwój komórek są niezbędne dla utrzymania gospodarza i przetrwania organizmu. W tym procesie komórka przechodzi przez etapy cyklu komórkowego i rozwoju, które obejmują wzrost komórki, replikację DNA , podział komórki , regenerację i śmierć komórki . Cykl komórkowy dzieli się na cztery odrębne fazy: G1, S, G2 i M. Faza G – czyli faza wzrostu komórek – stanowi około 95% cyklu. Proliferacja komórek jest inicjowana przez progenitorów. Wszystkie komórki zaczynają się w identycznej formie i mogą zasadniczo stać się dowolnym rodzajem komórek. Sygnalizacja komórkowa, taka jak indukcja, może wpływać na sąsiednie komórki w celu różnicowania się, determinując rodzaj komórki, którą się stanie. Co więcej, pozwala to komórkom tego samego typu agregować i tworzyć tkanki, następnie narządy, a ostatecznie układy. Fazy ​​G1, G2 i S (replikacja, uszkodzenie i naprawa DNA) są uważane za międzyfazową część cyklu, podczas gdy faza M ( mitoza ) jest częścią cyklu dzielącą komórki . Mitoza składa się z wielu etapów, które obejmują odpowiednio profazę, metafazę, anafazę, telofazę i cytokinezę. Ostatecznym wynikiem mitozy jest powstanie dwóch identycznych komórek potomnych.

Cykl komórkowy jest regulowany przez szereg czynników sygnalizacyjnych i kompleksów, takich jak cykliny, kinaza zależna od cyklin i p53 . Kiedy komórka zakończy swój proces wzrostu i jeśli okaże się, że jest uszkodzona lub zmieniona, ulega śmierci komórki, albo przez apoptozę lub nekrozę , aby wyeliminować zagrożenie, jakie może stwarzać dla przetrwania organizmu.

Śmiertelność komórek, nieśmiertelność linii komórkowej

Pochodzenie każdej obecnej komórki przypuszczalnie sięga wstecz, w nieprzerwanej linii przez ponad 3 miliardy lat, do powstania życia . W rzeczywistości to nie komórki są nieśmiertelne, ale wielopokoleniowe linie komórkowe. Nieśmiertelność linii komórkowej zależy od utrzymania potencjału podziału komórek . Potencjał ten może zostać utracony w dowolnej konkretnej linii z powodu uszkodzenia komórek, końcowego różnicowania, jakie zachodzi w komórkach nerwowych lub zaprogramowanej śmierci komórki ( apoptozy ) podczas rozwoju. Utrzymanie potencjału podziału komórek przez kolejne pokolenia zależy od unikania i dokładnej naprawy uszkodzeń komórek, w szczególności uszkodzeń DNA . W organizmach płciowych ciągłość linii zarodkowej zależy od skuteczności procesów zapobiegania uszkodzeniom DNA i naprawy tych uszkodzeń , które występują. Procesy płciowe u eukariontów , jak również u prokariontów , dają możliwość skutecznej naprawy uszkodzeń DNA w linii zarodkowej poprzez rekombinację homologiczną .

Fazy ​​cyklu komórkowego

Cykl komórkowy to czteroetapowy proces, przez który przechodzi komórka, rozwijając się i dzieląc. Obejmuje Gap 1 (G1), syntezę (S), Gap 2 (G2) i mitozę (M). Komórka albo ponownie uruchamia cykl od G1 albo opuszcza cykl przez G0 po zakończeniu cyklu. Komórka może przejść od G0 do różnicowania końcowego.

Interfaza odnosi się do faz cyklu komórkowego, które występują między jedną mitozą a następną i obejmuje G1, S i G2.

Faza G1

Rozmiar komórki rośnie.

Zawartość komórek jest replikowana.

Faza S

Replikacja DNA

Komórka replikuje każdy z 46 chromosomów (23 pary).

Faza G2

Komórka się mnoży.

W przygotowaniu do podziału komórek tworzą się organelle i białka.

Faza M

Po mitozie dochodzi do cytokinezy (oddzielenia komórek)

Tworzenie dwóch identycznych komórek potomnych

Faza G0

Te komórki opuszczają G1 i wchodzą w G0, etap spoczynku. Komórka w G0 wykonuje swoją pracę bez aktywnego przygotowania do podziału.

Komunikacja komórkowa

Komórki nieustannie komunikują się ze swoim otoczeniem i ze sobą. Komunikacja komórkowa obejmuje wymianę wiadomości między komórkami a ich otoczeniem. Aby pozostać przy życiu, muszą zbierać i przetwarzać informacje z otaczającego środowiska, niezależnie od tego, czy dotyczą one dostaw składników odżywczych, zmian temperatury czy odchyleń we wzorcach światła. Oprócz bezpośredniej komunikacji za pośrednictwem sygnałów chemicznych i mechanicznych, komórki mogą zmieniać funkcjonowanie swoich własne mechanizmy wewnętrzne. Wiele komórek w organizmie wielokomórkowym jest wyspecjalizowanych w sygnalizacji komórkowej. Komórki różnych rodzajów mogą następnie łączyć się, tworząc tkanki, takie jak mięśnie, krew i mózg.

Znani biolodzy komórkowi

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Zasoby biblioteczne o
biologii komórki