معلومة

لماذا تمتلك حقيقيات النوى ثلاثة أنواع مختلفة من خيوط الهيكل الخلوي؟

لماذا تمتلك حقيقيات النوى ثلاثة أنواع مختلفة من خيوط الهيكل الخلوي؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

حسنًا: إذا كانت الأنابيب الدقيقة والألياف الدقيقة تخدم أغراضًا مختلفة. ولكن ما هي الميزة البيولوجية لامتلاك هذه الأنواع الثلاثة على الكائنات الحية الأخرى؟ لا أعرف ما إذا كنت واضحًا.


بينما تحتوي حقيقيات النوى على أنابيب دقيقة تحتوي على التوبولين وخيوط أكتين ، فإن متماثلات بدائية النواة موجودة. على سبيل المثال ، يشارك بروتين FitZ ، المتماثل البكتيري الأكثر شيوعًا Tubulin [1] ، في انقسام الخلايا. توجد جينات هذا البروتين بالفعل في الحمض النووي النووي حقيقي النواة ، ويسهل البروتين انقسام العضيات الميتروكروندريا والعضيات البلاستيدات الخضراء التي تم إنشاؤها بواسطة التعايش الداخلي [2].

وبالمثل ، يعمل MreB باعتباره التناظرية بدائية النواة الأكثر شيوعًا للأكتين.

فيما يتعلق بخيوط IF ، توجد بالتأكيد مجموعات فرعية مثل اللامينات النووية بشكل فريد داخل Eukarya ، ومع ذلك ، فقد أشارت ورقة بحثية نشرتها Bafchi [4] إلى وجود بروتينات شبيهة بـ IF داخل البكتيريا.

  1. Bi، E.، & Lutkenhaus، J. (1991). هيكل حلقة FtsZ المرتبط بالانقسام في الإشريكية القولونية. الطبيعة ، 354 (6349) ، 161-164. دوى: 10.1038 / 354161a0
  2. Margolin W. FTSZ وتقسيم الخلايا والأعضاء بدائية النواة. مراجعات الطبيعة بيولوجيا الخلية الجزيئية. 2005 ؛ 6 (11): 862-871. دوى: 10.1038 / nrm1745.
  3. Gunning ، P. W. ، Ghoshdastider ، U. ، Whitaker ، S. ، Popp ، D. ، & Robinson ، R.C (2015). تطور خيوط الأكتين المتميزة تركيبيًا ووظيفيًا. مجلة علوم الخلية ، 128 (11) ، 2009-2019. دوى: 10.1242 / jcs.165563
  4. Bagchi S ، Tomenius H ، Belova LM ، Ausmees N. البروتينات الشبيهة بالخيوط الوسيطة في البكتيريا ووظيفة الهيكل الخلوي في العقدية. علم الأحياء الدقيقة الجزيئي. 2008 ؛ 70 (4): 1037-1050. دوى: 10.1111 / j.1365-2958.2008.06473.x.

3 فئات رئيسية من ألياف البروتين في الهيكل الخلوي | زنزانة

الأنابيب الدقيقة عبارة عن هياكل طويلة تشبه الخيوط ويبلغ قطرها حوالي 25 نانومتر ويتراوح طولها حتى عدة مليمترات.

الأنابيب الدقيقة لها خاصيتان رئيسيتان:

(ط) شكل طويل وصلب ، و

(2) القدرة على توليد الحركة.

تشبه الأنابيب السيتوبلازمية الأنابيب الدقيقة التي تشكل العمود الفقري للمريكزات والأهداب والسوط والمغزل الانقسامي.

تحتوي الأنابيب الدقيقة على نواة مجوفة بقطر 15 نانومتر وقطرها الخارجي 25 نانومتر. يحتوي جدار الأنبوب الدقيق على 13 شعيرة تتكون من بروتين التوبولين. هناك نوعان من التوبولين: α-tubulin و β-tubulin. التوبولين يصنع & # 8220dimer & # 8221 يبلغ طوله حوالي 8 نانومتر و 110.000 دالتون ميغاواط.

يتم ترتيب ثنائيات التوبولين بالطول لإنتاج خيوط أولية. ما مجموعه 13 خيوطًا أولية تبني أنبوبًا دقيقًا. يتم ترتيب هذه الخيوط الأولية بطريقة حلزونية فيما يتعلق بثنائيات التوبولين (الشكل 2.25).

تسمى المناطق التي تمتد منها الأنابيب الدقيقة بمراكز تنظيم الأنابيب الدقيقة والتي تكون من أنواع مختلفة ، مثل الأجسام القاعدية والحركية والجسيم المركزي. تتطلب بلمرة التوبولين في الأنابيب الدقيقة البروتينات الملحقة المسماة MAP-1 و MAP-2 (البروتينات المرتبطة بالأنابيب الدقيقة). ترتبط هذه البروتينات (300000 دالتون) بتجميع وتفكيك الأنابيب الدقيقة.

ألياف البروتين في الهيكل الخلوي: صف 2. خيوط الأكتين:

تتكون خيوط الأكتين من بروتينات وترتبط بالخيوط الرقيقة للعضلات. يبلغ وزن البروتين الأحادي 43000 دالتون في الوزن الجزيئي. يتم بلمرة جزيئات الأكتين هذه إلى خيوط طويلة. يتم لف اثنين من هذه الخيوط حول بعضها البعض بطريقة حلزونية.

تحدث هذه الخيوط مثل خيوط فردية منظمة ، وحزم خيوط متصالبة بشكل منتظم وخيوط متشابكة أقل انتظامًا. تمارس هذه الخيوط القوة لتحريك خلية على السطح أو لتغيير شكل الخلية داخليًا. يتفاعلون مع & # 8216myosin & # 8217 لتوليد القوة.

ألياف البروتين في الهيكل الخلوي: فئة # 3. المتوسطة الشعيرات:

تتكون الخيوط الوسيطة من البروتينات. هم من الأنواع الخمسة التالية ، كل نوع من الخيوط يوجد في نوع معين من الخلايا:

(ط) الشعيرة العصبية ، الموجودة في الخلية العصبية.

(2) الكيراتين الموجود في الخلايا الظهارية أو الجلدية.

(3) الفيمنتين الموجود في الخلايا اللحمية المتوسطة.

(4) ديسمين ، الموجود في الخلايا العضلية (العضلية) ،

(5) GFAP ، الموجود في الخلايا النجمية (الدماغ).

يحتوي كل خيوط على منطقة مركزية بها أكثر من 300 حمض أميني. إنه يشكل قضيبًا ذو تنظيم حلزوني. تختلف منطقتي N-terminal و C-terminal في نوع معين من الخيوط الدقيقة. توفر معظم هذه الخيوط صلابة لشكل الخلية.


علم الأحياء 171

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • وصف الهيكل الخلوي
  • قارن أدوار الخيوط الدقيقة والخيوط الوسيطة والأنابيب الدقيقة
  • قارن وقارن بين الأهداب والسوط
  • لخص الاختلافات بين مكونات الخلايا بدائية النواة والخلايا الحيوانية والخلايا النباتية

إذا كنت ستقوم بإزالة جميع العضيات من الخلية ، فهل سيكون غشاء البلازما والسيتوبلازم هما المكونان الوحيدان المتبقيان؟ لا. داخل السيتوبلازم ، لا يزال هناك أيونات وجزيئات عضوية ، بالإضافة إلى شبكة من ألياف البروتين التي تساعد في الحفاظ على شكل الخلية ، وتأمين بعض العضيات في مواقع محددة ، والسماح للسيتوبلازم والحويصلات بالتحرك داخل الخلية ، وتمكين الخلايا داخل الكائنات متعددة الخلايا للتحرك. بشكل جماعي ، يطلق العلماء على هذه الشبكة من ألياف البروتين الهيكل الخلوي. هناك ثلاثة أنواع من الألياف داخل الهيكل الخلوي: الخيوط الدقيقة ، والخيوط الوسيطة ، والأنابيب الدقيقة ((الشكل)). هنا ، سوف نفحص كل منها.


الميكروفيلامين

من بين الأنواع الثلاثة لألياف البروتين في الهيكل الخلوي ، فإن الألياف الدقيقة هي الأضيق. تعمل في الحركة الخلوية ، ويبلغ قطرها حوالي 7 نانومتر ، وتتألف من خيطين متشابكين من البروتين الكروي ، نسميهما أكتين ((الشكل)). لهذا السبب ، نسمي أيضًا الخيوط الدقيقة خيوط الأكتين.


يعمل ATP على تمكين الأكتين لتجميع شكله الخيطي ، والذي يعمل كمسار لحركة البروتين الحركي الذي نسميه الميوسين. يمكّن هذا الأكتين من الانخراط في الأحداث الخلوية التي تتطلب الحركة ، مثل انقسام الخلايا في الخلايا حقيقية النواة والتدفق السيتوبلازمي ، وهو سيتوبلازم الخلية & # 8217 s الحركة الدائرية في الخلايا النباتية. الأكتين والميوسين وفير في خلايا العضلات. عندما تنزلق خيوط الأكتين والميوسين عن بعضها البعض ، تنقبض عضلاتك.

توفر الألياف الدقيقة أيضًا بعض الصلابة والشكل للخلية. يمكنهم إزالة البلمرة (التفكيك) والإصلاح بسرعة ، وبالتالي تمكين الخلية من تغيير شكلها والتحرك. تستفيد خلايا الدم البيضاء (خلايا الجسم التي تقاوم العدوى) من هذه القدرة. يمكنهم الانتقال إلى موقع الإصابة وبلعمة العامل الممرض.

لمشاهدة مثال على خلية دم بيضاء تعمل ، شاهد خلايا الدم البيضاء تطارد البكتيريا لفترة زمنية قصيرة للخلية التي تلتقط نوعين من البكتيريا. يبتلع أحدهما ثم ينتقل إلى الآخر.

المتوسطة الشعيرات

تتكون العديد من خيوط البروتينات الليفية التي يتم لفها معًا من خيوط وسيطة ((الشكل)). تحصل عناصر الهيكل الخلوي على اسمها من حقيقة أن قطرها ، من 8 إلى 10 نانومتر ، يقع بين تلك الموجودة في الألياف الدقيقة والأنابيب الدقيقة.


الخيوط الوسيطة ليس لها دور في حركة الخلية. وظيفتها هيكلية بحتة. إنها تتحمل التوتر ، وبالتالي تحافظ على شكل الخلية ، وتثبت النواة والعضيات الأخرى في مكانها. يوضح (الشكل) كيف تنشئ الخيوط الوسيطة سقالات داعمة داخل الخلية.

الخيوط الوسيطة هي المجموعة الأكثر تنوعًا من عناصر الهيكل الخلوي. توجد عدة أنواع من البروتينات الليفية في الخيوط الوسيطة. ربما تكون أكثر دراية بالكيراتين ، وهو البروتين الليفي الذي يقوي شعرك وأظافرك وبشرة البشرة.

أنابيب مجهرية

كما يوحي اسمها ، الأنابيب الدقيقة عبارة عن أنابيب مجوفة صغيرة. البلمرة الثنائيات من α-tubulin و β-tubulin ، وهما بروتينان كرويان ، يتألفان من جدران الأنابيب الدقيقة & # 8217s ((الشكل)). يبلغ قطرها حوالي 25 نانومتر ، والأنابيب الدقيقة عبارة عن هياكل خلوية ومكونات # 8217 أوسع. إنها تساعد الخلية على مقاومة الانضغاط ، وتوفر مسارًا تنتقل فيه الحويصلات عبر الخلية ، وتسحب الكروموسومات المضاعفة إلى الأطراف المتقابلة للخلية المنقسمة. مثل الميكروفيلامين ، يمكن للأنابيب الدقيقة أن تتفكك وتصلح بسرعة.


الأنابيب الدقيقة هي أيضًا العناصر الهيكلية للسوط ، والأهداب ، والمريكزات (الأخيرة هي الجسيم المركزي & # 8217s وهما جسمان متعامدان). في الخلايا الحيوانية ، الجسيم المركزي هو مركز تنظيم الأنابيب الدقيقة. في الخلايا حقيقية النواة ، تختلف الأسواط والأهداب تمامًا من الناحية الهيكلية عن نظيراتها في بدائيات النوى ، كما نناقش أدناه.

فلاجيلا وأهداب

السوط (المفرد = السوط) عبارة عن هياكل طويلة تشبه الشعر تمتد من غشاء البلازما وتمكن الخلية بأكملها من التحرك (على سبيل المثال ، الحيوانات المنوية ، يوجلينا، وبعض بدائيات النوى). عند وجودها ، تحتوي الخلية على سوط واحد فقط أو عدد قليل من الأسواط. ومع ذلك ، عندما تكون الأهداب (المفرد = الهدب) موجودة ، فإن العديد منها يمتد على طول غشاء البلازما & # 8217s كامل السطح. وهي عبارة عن هياكل قصيرة شبيهة بالشعر تحرك خلايا كاملة (مثل الباراميسيا) أو مواد على طول السطح الخارجي للخلية (على سبيل المثال ، أهداب الخلايا التي تبطن قناتي فالوب التي تحرك البويضة نحو الرحم ، أو أهداب تبطن خلايا الجهاز التنفسي التي تحبس الجسيمات وتحركها نحو أنفك.)

على الرغم من الاختلافات في الطول والعدد ، تشترك الأسواط والأهداب في ترتيب هيكلي مشترك للأنابيب الدقيقة يسمى "مصفوفة 9 + 2". هذا اسم مناسب لأن سوطًا واحدًا أو هدبًا مصنوعًا من حلقة من تسعة أزواج من الأنابيب الدقيقة ، تحيط بمزدوج أنبوب صغير واحد في المركز ((الشكل)).


لقد أكملت الآن مسحًا واسعًا لمكونات الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة. للحصول على ملخص للمكونات الخلوية في الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة ، انظر (الشكل).

مكونات الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة
مكون الخلية وظيفة موجود في بدائيات النوى؟ موجود في الخلايا الحيوانية؟ موجود في الخلايا النباتية؟
غشاء بلازمي يفصل الخلية عن البيئة الخارجية يتحكم في مرور الجزيئات العضوية والأيونات والماء والأكسجين والنفايات داخل وخارج الخلية نعم نعم نعم
السيتوبلازم يوفر ضغط انتفاخ للخلايا النباتية كسوائل داخل موقع الفجوة المركزية للعديد من وسط التفاعلات الأيضية التي توجد فيها العضيات نعم نعم نعم
النواة منطقة مظلمة داخل النواة حيث يتم تصنيع الوحدات الفرعية الريبوسومية. لا نعم نعم
نواة عضية الخلية التي تحتوي على الحمض النووي وتوجه تخليق الريبوسومات والبروتينات لا نعم نعم
الريبوسومات تخليق البروتين نعم نعم نعم
الميتوكوندريا إنتاج ATP / التنفس الخلوي لا نعم نعم
بيروكسيسومات يؤكسد وبالتالي يكسر الأحماض الدهنية والأحماض الأمينية ، وإزالة السموم لا نعم نعم
الحويصلات والفراغات تخزين ونقل وظيفة الجهاز الهضمي في الخلايا النباتية لا نعم نعم
جسيم مركزي دور غير محدد في انقسام الخلايا في مصدر الأنابيب الدقيقة للخلايا الحيوانية في الخلايا الحيوانية لا نعم لا
الجسيمات المحللة هضم الجزيئات الكبيرة وإعادة تدوير العضيات البالية لا نعم بعض
جدار الخلية حماية ودعم هيكلي وصيانة شكل الخلية نعم ، ببتيدوجليكان في المقام الأول لا نعم ، السليلوز في المقام الأول
البلاستيدات الخضراء البناء الضوئي لا لا نعم
الشبكة الأندوبلازمية يعدل البروتينات ويصنع الدهون لا نعم نعم
جهاز جولجي يقوم بتعديل وفرز ووسم وحزم وتوزيع الدهون والبروتينات لا نعم نعم
الهيكل الخلوي يحافظ على شكل الخلية ، ويؤمن العضيات في مواقع محددة ، ويسمح للسيتوبلازم والحويصلات بالتحرك داخل الخلية ، ويمكّن الكائنات أحادية الخلية من التحرك بشكل مستقل نعم نعم نعم
الأسواط الحركة الخلوية بعض بعض لا ، باستثناء بعض خلايا الحيوانات المنوية النباتية
أهداب الحركة الخلوية ، وحركة الجسيمات على طول غشاء البلازما والسطح خارج الخلية رقم 8217 ، والترشيح بعض بعض لا

ملخص القسم

يحتوي الهيكل الخلوي على ثلاثة أنواع مختلفة من عناصر البروتين. من الأضيق إلى الأوسع ، هي الخيوط الدقيقة (خيوط الأكتين) ، والخيوط الوسيطة ، والأنابيب الدقيقة. غالبًا ما يربط علماء الأحياء الخيوط الدقيقة بالميوسين. أنها توفر الصلابة والشكل للخلية وتسهل الحركات الخلوية. تحمل الخيوط الوسيطة التوتر وتثبت النواة والعضيات الأخرى في مكانها. تساعد الأنابيب الدقيقة الخلية على مقاومة الانضغاط ، وتعمل كمسارات للبروتينات الحركية التي تحرك الحويصلات عبر الخلية ، وتسحب الكروموسومات المضاعفة إلى الأطراف المتقابلة للخلية المنقسمة. هم أيضًا العنصر الهيكلي للمريكزات والسوط والأهداب.

إستجابة مجانية

ما هي أوجه التشابه والاختلاف بين هياكل المريكزات والسوط؟

المريكزات والسواطير متشابهتان من حيث أنها تتكون من الأنابيب الدقيقة. في المريكزات ، حلقتان من تسعة أنابيب دقيقة "ثلاثة توائم" مرتبة بزوايا قائمة لبعضها البعض. هذا الترتيب لا يحدث في الأسواط.

كيف تختلف الأهداب والسوط؟

تتشابه الأهداب والسوط من حيث أنها تتكون من الأنابيب الدقيقة. الأهداب هي هياكل قصيرة شبيهة بالشعر توجد بأعداد كبيرة وعادة ما تغطي كامل سطح غشاء البلازما. على النقيض من ذلك ، فإن فلاجيلا عبارة عن هياكل طويلة تشبه الشعر عند وجود الأسواط ، وتحتوي الخلية على واحد أو اثنين فقط.

صف كيف تشارك الألياف الدقيقة والأنابيب الدقيقة في البلعمة وتدمير العامل الممرض بواسطة البلاعم.

تبتلع البلاعم العامل الممرض عن طريق إعادة ترتيب خيوطها الدقيقة من الأكتين لثني غشاء البلازما حول العامل الممرض. بمجرد إغلاق العامل الممرض في جسيم داخلي داخل البلاعم ، تمشي الحويصلة على طول الأنابيب الدقيقة حتى تتحد مع الجسيم الجسيمي لهضم العامل الممرض.

قارن وعارض الحدود التي تستخدمها الخلايا النباتية والحيوانية والبكتيرية لفصل نفسها عن البيئة المحيطة بها.

تحتوي جميع أنواع الخلايا الثلاثة على غشاء بلازما يحد السيتوبلازم من جانبه الداخلي. في الخلايا الحيوانية ، يكون الجانب الخارجي من غشاء البلازما على اتصال بالبيئة خارج الخلية. ومع ذلك ، في الخلايا النباتية والبكتيرية ، يحيط جدار الخلية الجزء الخارجي من غشاء البلازما. في النباتات ، يتكون جدار الخلية من السليلوز ، بينما في البكتيريا يتكون جدار الخلية من الببتيدوغليكان. تحتوي البكتيريا سالبة الجرام أيضًا على كبسولة إضافية مصنوعة من عديدات السكاريد الدهنية التي تحيط بجدارها الخلوي.

قائمة المصطلحات


حقيقيات النواة

حقيقيات النوى هي كائنات حية تتكون من خلية واحدة أو أكثر تمتلك نواة مرتبطة بالغشاء (تحتوي على الحمض النووي) بالإضافة إلى عضيات مرتبطة بالغشاء. على عكس بدائيات النوى ، يتم تنظيم الحمض النووي في كروموسومات خطية. قد تكون الكائنات حقيقية النواة كائنات متعددة الخلايا أو وحيدة الخلية. تُعرف حقيقيات النوى أحادية الخلية باسم الطلائعيات (والتي تشمل الأميبا والطحالب والسوطيات). تميل الطلائعيات إلى أن تكون أكبر بكثير (10-1000x) من بدائيات النوى ، ومثل كل حقيقيات النوى لها نواة وعضيات حقيقية. داخل Eukarya ، نشأ تعدد الخلايا ثلاث مرات على الأقل مما أدى إلى ظهور نباتات وحيوانات وفطريات العصر الحديث.

أصل فرضية الغشاء الداخلي

يُعتقد أن حقيقيات النوى نشأت من أسلاف قديمة ، نظرًا لقربها الوثيق الذي اقترحه سلالة كارل ووز (الشكل 1). في حين أن جميع بدائيات النوى لها دنا دائري ، فإن كل حقيقيات النوى لها دنا خطي. لذلك ، يجب أن يكون للخلية التي هي أسلاف لجميع حقيقيات النوى DNA خطي. في وقت ما في الماضي ، تم قطع الحمض النووي الدائري القديم وجعله خطيًا. لقد شكل هذا بالفعل مشكلة كبيرة في تكرار الحمض النووي ، بسبب مشاكل تقصير الكروموسوم. تم حل ذلك مع ظهور تيلوميراز ، هجين بروتين / RNA ، والذي سمح بتكرار نهايات الكروموسومات بشكل كامل.

تقترح فرضية المنشأ النووي السائدة وجود غشاء خلوي (يسمى أيضًا غشاء البلازما) لعتيقة أسلاف (الشكل 3 أ). تخيل مجموعة من الأكياس الورقية البنية. إذا بدأت في ضغطها معًا ، فستبدأ الورقة في الانثناء على نفسها. هذا استعارة جيدة لفرضية الغرس. يأتي الدليل الذي يدعم ذلك من وجود مثل هذه الفتحات في الأنواع بدائية النواة التي تتكاثر في مناطق محدودة (الشكل 3 ب). على عكس الكيس الورقي ، يتكون الغشاء الخلوي من شحميات فوسفورية قادرة على الانفصال عن الغشاء الخارجي. تشير فرضية الأصل النووي إلى أن النتوءات المنفصلة تكثف وتغلف الحمض النووي حيث أعيد ربط الدهون الفسفورية ببعضها البعض (الشكل 3) ، مكونة الغشاء النووي والشبكة الإندوبلازمية ، والتي تشكل نظامًا متجاورًا ، مع ربط هذه العضيات ببعضها البعض فعليًا. تعتبر النواة والشبكة الإندوبلازمية جزءًا من نظام الغشاء الداخلي ، داخل الخلايا حقيقية النواة ، والتي تشمل أيضًا جهاز جولجي والحويصلات والجسيمات الحالة (الشكل 4). يُعتقد أن هذه العضيات ظهرت بطريقة مشابهة (ربما بشكل مترادف) مثل النواة والشبكة الإندوبلازمية ، ولكنها منفصلة عن النواة والشبكة الإندوبلازمية.

الشكل 3. أصل فرضية الغشاء الداخلي. أ) نشأت حقيقيات النوى من خلية عتيقة أسلاف. الحمض النووي هو أن بعض بدائيات النوى تتركز داخل الخلية ، في منطقة تعرف بالنيوكليويد. ب) بدأ غشاء الخلية للخلية القديمة الأسلاف في الانغماس على نفسه مكونًا غشاء بلازما داخل الخلية. نرى هذا في أنواع معينة من البكتيريا ، وفي بعض الحالات تعزل هذه النفخ النواة .. ج) تشكلت أول نواة حقيقية من النتوءات المنفصلة عن غشاء الخلية ، وغطت الكروموسومات ، مكونة غلافًا نوويًا. ترتبط الشبكة الإندوبلازمية فعليًا بالمغلف النووي ، ولكنها تصل إلى سيتوبلازم الخلية. تشمل العضيات الإضافية لنظام الغشاء الداخلي جهاز جولجي والحويصلات والليزوزومات.

الشكل 4. نظام الغشاء الداخلي لخلية حقيقية النواة. الحمض النووي الخطي ، المعروف باسم الكروموسومات ، الموجود داخل النواة يولد جزيئات الحمض النووي الريبي. تخرج جزيئات الحمض النووي الريبي المعالجة من الغلاف النووي عبر المسام النووية وتدخل في الشبكة الإندوبلازمية الخشنة (أو السيتوبلازم) وتلتصق بالريبوسوم (المركب في نواة النواة) ، حيث يتم تصنيع البروتين. ترتبط الشبكة الإندوبلازمية الخشنة بالشبكة الملساء ، والتي تفتقر إلى الريبوسومات وهي المسؤولة عن تخليق الدهون. بمجرد تصنيع البروتين ، قد ينتقل إلى جهاز جولجي على طول شبكة الهيكل الخلوي. في جهاز جولجي ، يمكن تعديل البروتين وتعبئته للاستخدام داخل الخلية أو إفرازه. الجسيمات الحالة هي حويصلات متخصصة مسؤولة عن تكسير مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية الحيوية.

على عكس بدائيات النوى ، تمتلك حقيقيات النوى نواة حقيقية (الشكل 4) ، تُعرَّف على أنها DNA موجود داخل غلاف نووي ، يُسمى أيضًا الغشاء النووي. الغلاف النووي عبارة عن غشاء مزدوج يتكون في الغالب من طبقات ثنائية الفسفوليبيد ، وتتخلله مسام نووية. تسمح هذه الفتحات الموجودة في الغلاف النووي بحركة جزيئات معينة داخل وخارج النواة. على وجه التحديد ، يترك mRNA النواة من خلال المسام النووية وتدخل النيوكليوتيدات في النواة من أجل تكوين DNA و RNA جديد. توجد داخل النواة عدة خيوط من الحمض النووي الخطي ، والمعروفة باسم الكروموسومات. عندما تنظر إلى النواة تحت المجهر ، سترى بقعة داكنة داخل النواة ، النواة ، وهي منشأة تصنيع الريبوسوم.

يُعتقد أن الميزة الأساسية التي توفرها النواة هي تنظيم الجينات ، من خلال فصل النسخ والترجمة. النسخ هو العملية التي يقوم فيها جزء من الحمض النووي (المعروف باسم الجين) بترميز الحمض النووي الريبي المرسال (mRNA). بعد النسخ ، تخضع حقيقيات النوى لتعديل ما بعد النسخ حيث تتم إزالة الأجزاء (الإنترونات) من mRNA غير المعالج (أو النسخة الأولية) قبل مغادرة النواة ، ويتم إعادة ربط الأجزاء المتبقية (exons) ، لتشكيل mRNA ناضجة. يترك mRNA الناضج النواة عبر مسام نووي ويسافر إلى الريبوسوم. يقرأ الريبوسوم mRNA الناضج وبمساعدة نقل الحمض النووي الريبي (tRNA) يربط الأحماض الأمينية في تسلسل محدد يولد بروتينًا. تمر بدائيات النوى (التي لا تحتوي على نواة) بالنسخ والترجمة في وقت واحد ، وبالتالي فهي غير قادرة على تنظيم الجينات عن طريق تعديل ما بعد النسخ.

الشبكة الإندوبلازمية هي عضية غشاء نهاية متجاورة مع الغلاف النووي الذي يتكون من سلسلة من الأغشية المسطحة والمترابطة. تحتوي الشبكة الإندوبلازمية الخشنة على الريبوسومات وهي موقع مهم لتخليق البروتينات والحويصلات والليزوزومات. تفتقر الشبكة الإندوبلازمية الملساء إلى الريبوسومات ، وبالتالي فهي غير قادرة على تخليق البروتين ، ولكنها تعمل في المقام الأول كمركز إنتاج للدهون ، وهي: الدهون الفوسفورية ، والدهون ، والمنشطات.

في المراجعة ، يقوم الحمض النووي DNA داخل النواة بتوليف جزيئات الحمض النووي الريبي عن طريق النسخ ، حيث يفتح جزء محدد من الحمض النووي (يُعرف باسم الجين) ويصنع خيطًا معينًا من الرنا المرسال (راجع الشكل 6). بعد تصنيع الرنا المرسال ، يحدث التعديل اللاحق للنسخ حيث يتم إعادة ربط المقاطع (الإنترونات) من الرنا المرسال ومقاطع الرنا المرسال المتبقية (الإكسونات). يترك هذا mRNA الناضج (المكون من exons المعاد توصيله) النواة من خلال المسام النووي ويدخل إما في السيتوبلازم أو الشبكة الإندوبلازمية الخشنة (r ough ER). إما في السيتوبلازم أو ER الخام ، يرتبط الرنا المرسال الناضج بالريبوسوم. في الريبوسوم ، تبدأ عملية الترجمة حيث يرمز mRNA لتخليق البروتين. بمجرد أن يتم تصنيع البروتين بالكامل في الريبوسوم ، يترك البروتين ER الخام من خلال حويصلة النقل.

الشكل 5. الالتقام الخلوي ، كثرة الكريات البيضاء والإفراز الخلوي. في حالة الالتقام الخلوي ، يمكن للجسيمات الأكبر أن تدخل الخلية في جيوب غشاء الخلية. تقرص هذه الجيوب معًا وتشكل حويصلات. تندمج الليزوزومات مع هذه الحويصلات وتفكك الجزيئات البيولوجية الصغيرة (كثرة الخلايا) أو جزيئات الطعام (البلعمة). يمكن أيضًا أن تندمج الليزوزومات مع العضيات المعيبة في الخلية وإعادة تدويرها في موادها لإعادة استخدامها ، في عملية تُعرف باسم الالتهام الذاتي. يتم تعبئة المواد المخصصة للإفراز في حويصلات إفرازية ، والتي تندمج مع غشاء الخلية ، وتطلق النفايات في الفضاء بين الغشاء.

الحويصلات هي عضيات داخل الخلية ، تتكون من سائل محاط بطبقة ثنائية فوسفورية. تؤدي الحويصلات العديد من الوظائف المختلفة داخل الخلية: حركة المواد داخل الخلية وخارجها ، وكذلك حركة المواد داخل الخلية ، وكوحدات تخزين. بعض الجزيئات الحيوية الكبيرة ، مثل البروتينات ، غير قادرة على المرور عبر غشاء الخلية عبر آليات النقل السلبي ، مثل الانتشار. في الالتقام الخلوي ، يبتلع غشاء الخلية جزيئات أكبر عبر النقل النشط (الشكل 5). تتجمع هذه الجزيئات في جيوب من طبقة ثنائية الفسفوليبيد ، والتي تنمو إلى الداخل باستخدام الطاقة (ATP). عندما ينمو جيب غشاء الخلية إلى الداخل ، تبدأ طبقة الفسفوليبيد الثنائية بالقرص معًا باتجاه الجزء الخارجي للخلية. في النهاية ، ينفصل الجيب عن غشاء الخلية ويصبح حويصلة. نظرًا لأن الحويصلات تتكون من شحميات فوسفورية ، فهي قادرة على الاندماج (والخروج من) أغشية أخرى للعضيات ، وكذلك غشاء الخلية. في عملية الإخراج الخلوي ، وهو شكل من أشكال النقل النشط ، تندمج الحويصلة الإفرازية مع غشاء الخلية الذي يطلق النفايات (الشكل 5). تنقل حويصلات النقل الجزيئات البيولوجية من عضية إلى أخرى باستخدام الطاقة (ATP). على سبيل المثال ، يتم نقل بروتينات معينة داخل حويصلة النقل من الشبكة الإندوبلازمية الخشنة إلى جهاز جولجي لمزيد من المعالجة.

تقوم الحويصلات بأكثر من مجرد نقل المواد إلى داخل الخلية وخارجها. نظرًا لفصل الحويصلات عن العصارة الخلوية ، الجسم الرئيسي للسائل داخل الخلية ، يمكن أن يكون للحويصلات بيئة كيميائية حيوية مختلفة. الفجوات هي حويصلات متخصصة تحتفظ بالمياه في الغالب ويمكن العثور عليها في العديد من حقيقيات النوى ، بما في ذلك النباتات والحيوانات. تكون الفجوات في الخلايا الحيوانية صغيرة جدًا ، بينما تكون الفجوة في الخلايا النباتية عادةً أكبر عضية في الخلية. في معظم الخلايا النباتية ، تسمح الفجوة للخلية بالحفاظ على التوازن الأسموزي وتخزين المغذيات. تقوم الفجوات أيضًا بتخزين الأصباغ في خلايا الأعضاء النباتية الملونة ، مثل بتلات الزهور ، مما يمنحها اللون. يمكن للفجوات الموجودة داخل بذور النبات أن تخزن البروتينات والدهون ، والتي تعد مصدرًا غنيًا للطاقة لتطوير البذور.

الشكل 6. تخليق البروتين وتعديله وشحنه. أكواد الحمض النووي لإنتاج الرنا المرسال داخل النواة. يخرج mRNA من الغلاف النووي من خلال المسام النووية ويدخل في الشبكة الإندوبلازمية الخشنة ، حيث يرتبط بالريبوسوم ويتم تصنيع البروتين. يترك البروتين ER الخام من خلال حويصلة النقل ويدخل في واجهة cis لجهاز Golgi ، حيث يتم تعديله وتحديده داخل خزانات Golgi. يخرج البروتين المعدل من Golgi عبر الوجه عبر حويصلة إفرازية ، حيث (اعتمادًا على البروتين) إما أنه يتصل بعضية أو غشاء خلوي آخر ، أو يتم إفرازه من الخلية عن طريق طرد الخلايا.

الجسيمات الحالة هي حويصلات متخصصة تشارك في عملية الهضم الخلوي. تحتوي على مجموعة متنوعة من الإنزيمات التي تسمح لها بتفكيك مجموعة واسعة من الجزيئات البيولوجية التي تبتلعها الخلية. في عملية تُعرف باسم البلعمة (الشكل 5) ، تدخل الحويصلات التي تحتوي على الطعام إلى الخلية عن طريق الالتقام الخلوي مع الليزوزومات ، والتي تطلق إنزيماتها الهضمية في العضية المدمجة (الشكل 5) ، مما يؤدي إلى تفكيك الجزيئات الحيوية مثل الكربوهيدرات والدهون والأحماض النووية. البروتينات في مونومراتها الأساسية. يمكن استخدام هذه المونومرات بواسطة آليات الخلية لتكوين جزيئاتها الحيوية الفريدة (أي الحمض النووي والبروتينات). بالإضافة إلى هضم جزيئات الطعام ، تساعد الجسيمات الحالة الخلية عن طريق إعادة تدوير عضياتها وجزيئاتها الحيوية المعيبة ، في عملية تُعرف باسم الالتهام الذاتي. بمجرد تكسير هذه الهياكل ، يمكن للخلية إعادة تجميع المونومرات لتشكيل جزيئات حيوية وعضيات جديدة. يُعتقد أيضًا أن الليزوزومات متورطة في موت الخلايا المبرمج مسبقًا في الأنواع متعددة الخلايا. عندما تتطور الكائنات الحية من خلية واحدة إلى شخص بالغ ، فإنها تتخذ العديد من الأشكال المختلفة. يُعتقد أن هذا التغيير يحدث بسبب الموت المحدد مسبقًا لخلايا معينة خلال أوقات محددة من التطور. على سبيل المثال ، في مرحلة مبكرة جدًا من التطور البشري ، يكون للأجنة ذيول وأيادي وأرجل مكشوفة. مع نمو الجنين ، يبدأ الذيل في الانكماش ويختفي الشريط بين أصابع اليدين والقدمين. يحدث هذا لأن هذه الخلايا تُقتل بواسطة الجسيمات الحالة الخاصة بها ، ولكنها تساعد في التطور العام لذلك الكائن الحي.

تتطلب بعض البروتينات المُصنَّعة مزيدًا من المعالجة ويتم نقلها إلى جهاز جولجي لتعديلها. تنتقل حويصلة النقل من الشبكة الإندوبلازمية الخشنة مع البروتين غير المعدل إلى رابطة الدول المستقلة-وجه جهاز جولجي على طول شبكة الهيكل الخلوي للخلية. جهاز جولجي عبارة عن مجموعة من الأغشية المسطحة المعروفة باسم الخزانات. بمجرد دخول حويصلة النقل التي تحتوي على بروتينات إلى جهاز جولجي ، يتم كسر بعض روابط الببتيد وإعادة ترتيبها ، مما يؤدي إلى تكوين بروتين متغير. بالإضافة إلى ذلك ، يتم وضع علامات التعريف على البروتين مما يسمح بوضعه بالضبط في المكان الذي تم تصميمه ليكون فيه. يترك البروتين المعدل جهاز جولجي عبر عبر الوجه وتتصل بشبكة الهيكل الخلوي ، وتنتقل إلى موقعها المحدد. البروتينات المعبأة في حويصلات النقل مخصصة للإفراز عن طريق الإفراز الخلوي أو لاستخدامها من قبل الخلية. يمكن اعتبار جهاز جولجي بمثابة مكتب بريد يتم فيه تصنيف البروتينات وتعبئتها وشحنها إلى الوجهة المناسبة.

الشكل 7. حركة الخلية في الكائن أحادي الخلية بواسطة الأهداب والسوط. تسمح إحدى وظائف الهيكل الخلوي للكائنات أحادية الخلية بالتحرك. الأهداب عبارة عن نتوءات صغيرة ومتعددة من الخيوط التي تظهر خارج غشاء الخلية ، والتي تنبض بطريقة تشبه الموجة مما يسمح بحركة الخلية وتحريك الماء الغني بالمغذيات عبر السطح. خيوط أكبر ، تُعرف باسم السوط ، تمتد من سوط الهيكل الخلوي في حركة ذهابًا وإيابًا مما يسمح بشكل عالي الكفاءة للتنقل.

الهيكل الخلوي عبارة عن شبكة مترابطة من خيوط البروتين الموجودة في جميع الخلايا ، بما في ذلك بدائيات النوى وحقيقيات النوى. يخدم الهيكل الخلوي العديد من الوظائف المختلفة داخل الخلية. وتتمثل وظيفتها الأساسية في توفير مقاومة ضد الضغط مما يسمح للخلية بالحفاظ على شكلها العام (على غرار الهيكل العظمي للحيوان). هذا يسمح للنمو أحادي الخلية بجانب مقاومة بعضها البعض للتشوه الميكانيكي. في الكائنات متعددة الخلايا ، تسمح هذه المقاومة بتثبيت الأنسجة وسلامتها الهيكلية.

يشارك الهيكل الخلوي أيضًا في حركة الخلية. إن بروتينات الهيكل الخلوي قادرة على الانقباض والإفراز ، مما يغير شكل الخلية مما يسمح للخلية بالتحرك. على سبيل المثال ، في خلايا العضلات تتقلص خيوط الأكتين لتقصير الخلية. في بعض الخلايا ، يمتد الهيكل الخلوي إلى ما وراء غشاء الخلية ، ويشكل إما أهدابًا أو سوطًا (الشكل 7). الأهداب هي نتوءات تخرج خارج جسم الخلية ، وهي شائعة في العديد من أنواع الخلايا المختلفة. بعض الأنواع أحادية الخلية بدائية النواة وحقيقية النواة لها أهداب تتفوق في موجات منسقة مما يسمح لها بالمناورة عبر الماء أو تحريك الماء فوق سطح الخلية كآلية تغذية. هذا مثال على أهداب متحركة. توجد الأهداب المتحركة أيضًا في الأنواع متعددة الخلايا. على سبيل المثال ، تنبض الخلية الموجودة داخل القصبة الهوائية للفقاريات باستمرار لإزالة المخاط وجزيئات الأوساخ من الجسم. الأهداب المتحركة في قناة فالوب عند البشر هي المسؤولة عن حمل البويضة من المبيض إلى الرحم. عادة ما تكون الأسواط أطول وأسمك ولكنها أقل عددًا من الأهداب. هذا الامتداد الشديد للهيكل الخلوي يسوط ذهابًا وإيابًا مما يخلق آلية تنقل فعالة.

في حقيقيات النوى ، تكون شبكة الهيكل الخلوي مسؤولة أيضًا عن حركة الحويصلات داخل الخلية. بمجرد أن يتم تكوين البروتين عن طريق الريبوسوم في الشبكة الإندوبلازمية الخشنة ، فإنه يترك بينما تقطع الشبكة الإندوبلازمية ، وتشكل حويصلة نقل. تتحرك حويصلة النقل هذه على طول خيوط الهيكل الخلوي باتجاه جهاز جولجي. بمجرد المعالجة ، يترك البروتين جهاز جولجي في حويصلة ليتم نقله مع الخلية أو خارجها عبر طرد الخلايا. يلعب الهيكل الخلوي أيضًا دورًا في عملية الالتقام الخلوي ونقل العضيات.

الهيكل الخلوي أمر بالغ الأهمية في انقسام الخلايا. تنقسم بدائيات النوى في عملية تعرف باسم الانشطار الثنائي. بعد تكرار الحمض النووي ، تقوم خيوط الهيكل الخلوي بتضييق هجرة خيوط الحمض النووي إلى أقطاب متقابلة للخلية. تقوم خيوط أخرى بتضييق منتصف الخلية ، مما يؤدي إلى ضم غشاء الخلية وجدار الخلية معًا ، مما يؤدي في النهاية إلى إنتاج خليتين. أثناء الانقسام والانقسام الاختزالي في حقيقيات النوى ، تنبثق الشعيرات من المريكزات وتلتصق بالكروموسومات. تنقبض هذه الخيوط ، وفي النهاية تفصل الكروموسومات المقترنة وتسحبها إلى أقطاب متقابلة. وبمجرد حدوث ذلك ، تقوم خيوط مختلفة بتضييق السيتوبلازم ، في عملية تُعرف باسم الحركية الخلوية ، تقسم الخلية الأم إلى خليتين ابنتيتين.

الشكل 8. هياكل الميتوكوندريا. الميتوكوندريا هي عضية ذات غشاء مزدوج داخل حقيقيات النوى تشارك في التنفس الهوائي. يحتوي الغشاء الخارجي على بروتينات ، تسمى porins ، تسمح للجزيئات المتوسطة الحجم بالدخول والخروج من الميتوكوندريا ، مما يولد محلولًا مائيًا في الفضاء بين الغشاء مشابهًا للعصارة الخلوية. ومع ذلك ، تبقى البروتينات الكبيرة التي تصنعها الميتوكوندريا. يتم طي الغشاء الداخلي بشكل كبير في الهياكل المعروفة باسم cristae وهو مسؤول بشكل أساسي عن الفسفرة المؤكسدة في سلسلة نقل الإلكترون ، مع البروتين ، سينسيز ATP ، الذي ينتج في النهاية معظم ATP الذي يتم إنتاجه أثناء التنفس الخلوي. تحتوي البيئة داخل الغشاء الداخلي ، والمعروفة باسم المصفوفة ، على مجموعة متنوعة من الإنزيمات (أبرزها تلك المسؤولة عن دورة حمض الستريك) والحمض النووي المتقدري المتبقي القادر على تخليق الحمض النووي الريبي والبروتينات الخاصة به.

الميتوكوندريا هي العضية المسؤولة عن التنفس الخلوي في جميع حقيقيات النوى تقريبًا. الميتوكوندريا هي عضيات تم وصفها على أنها قوة الخلية لأنها تصنع معظم حقيقيات النوى أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، المصدر الكيميائي للطاقة المستخدمة من قبل جميع الكائنات الحية. تتكون الميتوكوندريا من عدة أقسام (الشكل 8) تخدم وظائف محددة. الميتوكوندريا لها غشاءان (غشاء داخلي وخارجي) ومساحة بين الغشاء بينهما. في حين أن الغشاء الخارجي كروي الشكل إلى مستطيل الشكل ، فإن الغشاء الداخلي مطوي على نفسه مكونًا عدة غزوات ، تُعرف باسم cristae. يحتوي الغشاء الخارجي على معقدات بروتينية تُعرف باسم porins ، والتي تسمح للجزيئات الصغيرة والمتوسطة الحجم بالانتشار بحرية داخل وخارج العضية. لذلك فإن الفضاء بين الغشاء يشبه إلى حد بعيد العصارة الخلوية ، باستثناء الجزيئات الكبيرة (خاصة البروتينات) غير القادرة على التحرك عبر الغشاء الخارجي. تعمل ثنيات أو كرستيات الغشاء الداخلي على زيادة مساحة السطح ، وهو أمر مهم لأن هذا هو المكان الذي يحدث فيه الكثير من الكيمياء الحيوية لسلسلة نقل الإلكترون للتنفس الخلوي ، بما في ذلك: تفاعلات الأكسدة والاختزال للفسفرة المؤكسدة وتخليق ATP. المساحة الموجودة داخل الغشاء الداخلي ، والمعروفة باسم المصفوفة ، هي المكان الذي تحدث فيه العديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية ، بما في ذلك دورة حمض الستريك. يوجد أيضًا داخل المصفوفة الحمض النووي والريبوزومات. ولكن كيف؟

ولدت حقيقيات النوى الأسلاف ATP عن طريق إجراء تحلل السكر داخل العصارة الخلوية داخل الخلية. تمر جميع حقيقيات النوى الحالية أيضًا من خلال تحلل السكر. ومع ذلك ، فإن صافي الإنتاج من تحلل السكر هو 2 ATP. يمكن لحقيقيات النوى مع الميتوكوندريا أن يصل صافيها إلى 36 ATP ، وهي كفاءة طاقة أكبر بـ16 مرة.

هناك فرضيتان حول أصل الميتوكوندريا: التكافل الداخلي وذاتية التولد. تشير الفرضية التكافلية الداخلية (عندما يحب كائن حي داخل كائن آخر يستفيد منه كلاهما) (الشكل 9) إلى أن الميتوكوندريا كانت في الأصل خلية بدائية النواة غمرتها خلية حقيقية النواة مبكرة منذ أكثر من ملياري سنة. في حين تشير الفرضية الذاتية إلى أن الحمض النووي من سلالة حقيقيات النوى انشق وخرج من النواة ، التي كانت محاصرة بواسطة طبقة ثنائية الفوسفوليبيد ، تغمرها طبقة ثنائية إضافية ، مما يمنحك غشاءين. يجب أن يكون هذا قد حدث قبل الاختلاف الأصلي للبكتيريا من Archaea / Eukarya ، ويتم الاحتفاظ به كبقية في حقيقيات النوى. ومع ذلك ، فإن الميتوكوندريا لها العديد من أوجه التشابه مع البكتيريا مما يجعل معظم العلماء يشككون في فرضية التولد الذاتي لدعم فرضية التعايش الداخلي.

الشكل 9. أصل من الميتوكوندريا. وفقًا لفرضية التعايش الداخلي ، فإن حقيقيات النوى الأسلاف (أ) ابتلعت ، ولكنها لم تهضم ، بكتريا بدائية (ب). In an increasingly oxygen rich environment, this bacterium was capable of extracting much more energy (ATP) from biological molecules than the eukaryote alone. The protobacteium benefited from a supply of undigested food particles, and eventually became an endosymbiotic mitochondrion (c), living inside the eukaryote.

The endosymbiotic hypothesis posits a single unicellular eukaryotic cell (see Figure 3c) engulfed a bacterium (now known as the mitochondrion), approximately between 1.7 and 2.2 billion years ago. It is unclear whether this engulfment of the mitochondrion occurred before, during or after the origin of the nucleus. Instead of digesting the bacterium for food, the eukaryotic cell retained it. This proved to be one of the most important interactions for the evolution of life on Earth. لماذا ا؟ This eukaryotic cell could take one molecule of glucose and net 32 ATP, rather than 2 ATP prior to the engulfment. It is thought that the mitochondrion also benefited from this relationship in two ways. First, it got protection. Being housed in a much larger cell (100-1000x larger than itself), it was no longer preyed upon by bacteria-eating microorganisms. Second, the the eukaryote alone is incapable of digesting many biological molecules. This first mitochondrion flourished inside its host due to an abundance of half-eaten molecules. Perhaps the best evidence that the bacteria benefited from this relationship is that bacteria resembling the mitochondrion are extinct, but mitochondria are not. What is extraordinary to ponder is that this happened once….in a single cell. Following the emergence of the first ancestral eukaryote, this new organism was so successful that it multiplied and diversified at such a tremendous rate that scientists are still trying to understand how eukaryotes are related just beyond the root of Eukarya. Whatever happened, this single cell was so successful that it eventually gave rise to all protists, plants, fungi and animals on earth.

A significant body of evidence exists to support the endosymbiotic hypothesis. 1) Mitochondria are the same size as the average bacterium. 2) The strongest evidence is that mitochondria have their own DNA, and can manufacture some of their own, RNA, ribosomes and proteins. And in fact, if you sequence the DNA of the mitochondrion and compare it with taxa from the entire tree of life, the DNA sequence is most closely related to a bacteria (not a eukaryote). In addition, mitochondrial DNA is composed of multiple copies of the same, circular chromosomes. Eukaryotes, in contrast, have DNA that is organized as many different, linear chromosomes. 3) Mitochondria are double-membraned, most organelles are single-membraned. It is thought that when the original eukaryote engulfed the mitochondrion, the membrane of the original eukaryote (phagocytic vacuole) wrapped up the mitochondrion, like a bag within bag). 4) Interestingly, the internal membrane of the mitochondrion has a lipid composition more similar to bacteria, whereas the external membrane has a lipid composition more similar to eukaryotes. Only one other eukaryotic organelle has two membranes, and it is thought that this organelle was consumed by a descendent of this first aerobic eukaryote. That organelle was the chloroplast, which helped give rise to photosynthetic eukaryotes and eventually plants.

الشكل 10. Comparison of a chloroplast and cyanobacterium. Chloroplasts are thought to have originated from a singular, endosymbiotic event in which a eukaryote engulfed, but did not digest, a cyanobacterium. In both structures, chlorophyll (the site of the light reactions) is housed on membranes of internal structures known as thylakoids. Membranes of thylakoids in cyanobacteria run parallel to the cell membrane. Whereas thylakoids in chloroplasts stack generating structures called grana, enhancing the internal surface area allowing for more chlorophyll and thus, greater efficiency. Both cyanobacteria and chloroplast have nucleoids, containing circular DNA capable of producing RNA and proteins. They also both have two membranes, likely a remnant of an endosymbiotic event. The fluid between the thylakoids and inner membrane, known as the stroma, is the location of the Calvin cycle.

Chloroplasts are photosynthetic organelles found in plant and algal cells. The photosynthetic pigment, chlorophyll, captures light energy and converts it into chemical energy. Chlorophyll is housed on the membrane of pancake-shaped structures, known as thylakoids, within the body of the chloroplast. Thylakoids tend to stack on top of each other forming stacks, known as grana. Adjacent grana can be connected together by membranous bridges, called lumen. Light reactions of photosynthesis occur on the membrane of the thylakoid, splitting water (H2O). Energy is generated during this anabolic reaction, which is used to synthesize ATP. Single oxygen atoms bind to form oxygen gas (O2), a waste product. Hydrogens are captured by NADP to form NADPH. ATP and NADPH enter into the stroma, or fluid between the thylakoids and cell membrane. In the stroma, ATP is used to drive the Calvin cycle, in a series of catabolic reactions occurs where hydrogens are stripped from NADPH and rearranged with the atoms of carbon dioxide (CO2) to form the sugar, glucose (C6H12O6).

Approximately a billion years ago, a cyanobacterium entered into eukayrotic cell. It either entered as an internal parasite, or was engulfed similar to how the mitochondrion. However the cyanobacterium entered the cell, modern day chloroplasts do not have a eukaryotic phagocytic vacuole, which was either lost, in the case of engulfment, or never occurred, in the case of parasitism. Cyanobacteria (and primitive chloroplasts, i.e. glaucophytes) represent a type of bacteria known as Gram-negative, which have a double membrane with a cell wall sandwiched between, made of peptidoglycan, a polysaccharide absent in eukaryotes but present in bacteria (but not archaea). Thus it is posited the double membrane of the chloroplast represent the inner and outer membranes of the original cyanobacterium. However unlike the mitochondrion, there is no presence of a eukaryotic membrane, in contemporary plant cells.

Figure 11. Origin of the chloroplast. A heterotrophic, mitochondrion-containing eukaryote (a) was either parasitized by or engulfed a cyanobacterium (b), producing an autotrophic, photosynthetic eukaryotic cell (c).

This new structure gave the eukaryote the significant advantage of becoming autotrophic, being able to generate chemical energy from sunlight via photosynthesis. Prior to this eukaryotes were heterotrophic, in which they had to extract food from their environment either through filter feeding or predation. The eukaryotic host must have had mitochondria prior to the engulfment of the cyanobacterium, as all photosynthetic eukaryotes presently have mitochondria. Over time, most of the cyanobacterial DNA was either lost or assimilated into the nuclear chromosomes of the eukaryotic host. Most proteins needed by modern day chloroplasts are synthesized by the eukaryotic transcription and translation, and imported to the chloroplast. Some bacterial DNA (plastid DNA) persists within modern-day chloroplasts. At approximately 100 genes, the plastid DNA is capable of producing some of its own proteins, similar to (but far fewer than) the mitochondrion.

Most scientists concur that all chloroplasts within eukaryotes have been traced back to a singular endosymbiotic event, with one exception, even though many eukaryotes with chloroplasts are distantly related to each other. This suggests that the chloroplast endosymbiosis event occurred early in eukaryote evolution, but has been being lost several times over throughout evolutionary history. There are three chloroplast lineages (most primitive to most recent): glaucophyte (blue-green algae), rhodophyte (red algae) and chloroplastidan (green algae and land plants).

Plant cells vs. animal cells

Plants and animals are eukaryotic organisms. So they share a similar internal structure of organelles and other cellular structures (Figure 12-13). Plant cells differ in three main ways from animal cells. (1) Plant cells have photosynthetic organelles, chloroplasts, that appear green under a compound microscope. (2) While animal cells have vacuoles, a plant cell’s vacuoles are very large in comparison. The main function of plant vacuoles is to store water between precipitation events. (3) Plant cells have thick primary cell walls made of the polysaccharide, cellulose. Plant cells involved in structural support also have a secondary cell wall made of a very dense polysaccharide, lignin. This gives plants a roughly polygonal shape, whereas animal cells (which lack a cell wall) have a more amorphous shape.

الشكل 12. A typical animal cell. Plant cells have many of same internal cellular structures and organelles as animals cells, with a few exceptions. While both animal and plant contain vacuoles useful for water and nutrient storage, a plant cell's vacuoles is enormous by comparison. This is a result of an immotile life style, and being dependent on rain. Animals in contrast are motile, and either live in water or are capable of moving to search for water.

Figure 13. A typical plant cell. In addition to large vacuoles, plant cells contain chloroplasts, whereas animal cells do not. Plant cells also have a cell wall made of the polysaccharide, cellulose that helps the cell maintain its rigid structure as plants grow.


Myosins on the Move.

In recent years, the number of identified myosin superfamily members has increased exponentially. It has become clear that virtually all eukaryotic cells, not only muscle cells, express a multitude of different myosin molecules (14). The myosins share a conserved motor domain that consists of separate head and neck regions. The head region contains the ATP- and actin-binding sites and exhibits actin-activated ATPase activity. The neck region consists of an extended α-helix of variable length that binds between one and six light polypeptide chains of calmodulin or calmodulin-related proteins. This neck region is proposed to serve as a lever arm for force production (15). Physiological modification of the light chains (i.e., by phosphorylation) contributes to the regulation of motor function. During its mechanochemical cycle, the myosin responsible for muscle contraction does not move processively along the actin filament. Instead, it holds on for only a short period and then spends considerable time detached from the filament (16). Therefore, to achieve continuous movement along actin filaments, a high density of myosin motors is required. Accordingly, muscle myosin self-assembles into filaments. The multitude of newly discovered myosin molecules are believed not to form filaments, and the mechanochemical properties for most remain to be investigated. In addition to the motor domain, the different myosin molecules contain diverse tail domains that are postulated to specify function, perhaps by determining the target of force generation. These tail domains frequently contain amino acid sequence motifs that are also found in other proteins (17). The elucidation of the targets to which the different myosins bind represents an important challenge for the future. The tail domain of a myosin identified from rat tissue, myr5, serves to negatively regulate signal transduction by the small Ras-related G protein Rho (18). Rho regulates the organization of the actin cytoskeleton and various other cellular processes (19, 20). This finding suggests the fascinating possibility that initiation and flow of information might be coupled to directed force production along actin filaments.


فلاجيلا وأهداب

Flagella (singular = flagellum) are long, hair-like structures that extend from the plasma membrane and are used to move an entire cell, (for example, sperm, يوجلينا). عند وجودها ، تحتوي الخلية على سوط واحد فقط أو عدد قليل من الأسواط. When cilia (singular = cilium) are present, however, they are many in number and extend along the entire surface of the plasma membrane. They are short, hair-like structures that are used to move entire cells (such as paramecium) or move substances along the outer surface of the cell (for example, the cilia of cells lining the fallopian tubes that move the ovum toward the uterus, or cilia lining the cells of the respiratory tract that move particulate matter toward the throat that mucus has trapped).


أنابيب مجهرية

كما يوحي اسمها ، الأنابيب الدقيقة عبارة عن أنابيب مجوفة صغيرة. The walls of the microtubule are made of polymerized dimers of α-tubulin and β-tubulin, two globular proteins (Figure). يبلغ قطر الأنابيب الدقيقة حوالي 25 نانومتر ، وهي أوسع مكونات الهيكل الخلوي. إنها تساعد الخلية على مقاومة الانضغاط ، وتوفر مسارًا تنتقل فيه الحويصلات عبر الخلية ، وتسحب الكروموسومات المضاعفة إلى الأطراف المتقابلة للخلية المنقسمة. Like microfilaments, microtubules can dissolve and reform quickly.

Microtubules are hollow. Their walls consist of 13 polymerized dimers of α-tubulin and β-tubulin (right image). The left image shows the molecular structure of the tube.

الأنابيب الدقيقة هي أيضًا العناصر الهيكلية للسوط ، والأهداب ، والمريكزات (الأخيران هما الجسمان العموديان في الجسيم المركزي). في الواقع ، في الخلايا الحيوانية ، يكون الجسيم المركزي هو مركز تنظيم الأنابيب الدقيقة. في الخلايا حقيقية النواة ، تختلف الأسواط والأهداب تمامًا من الناحية الهيكلية عن نظيراتها في بدائيات النوى ، كما هو موضح أدناه.


ملخص

  • The cytoplasm consists of everything inside the plasma membrane of the cell.
  • The cytoskeleton is a cellular “skeleton” that crisscrosses the cytoplasm. Three main cytoskeleton fibers are microtubules, intermediate filaments, and microfilaments.
  • Microtubules are the thickest of the cytoskeleton structures and are most commonly made of filaments which are polymers of alpha and beta tubulin.
  • Microfilament are the thinnest of the cytoskeleton structures and are made of two thin actin chains that are twisted around one another.

[Attributions and Licenses]

This article is licensed under a CC BY-NC-SA 4.0 license.

Note that the video(s) in this lesson are provided under a Standard YouTube License.


Why eukaryotes have three different types of cytoskeleton filaments? - مادة الاحياء

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • Describe the cytoskeleton
  • Compare the roles of microfilaments, intermediate filaments, and microtubules
  • Compare and contrast cilia and flagella
  • Summarize the differences among the components of prokaryotic cells, animal cells, and plant cells

إذا كنت ستقوم بإزالة جميع العضيات من الخلية ، فهل سيكون غشاء البلازما والسيتوبلازم هما المكونان الوحيدان المتبقيان؟ No. Within the cytoplasm, there would still be ions and organic molecules, plus a network of protein fibers that help maintain the cell’s shape, secure some organelles in specific positions, allow cytoplasm and vesicles to move within the cell, and enable cells within multicellular organisms to move. Collectively, scientists call this network of protein fibers the cytoskeleton. There are three types of fibers within the cytoskeleton: microfilaments, intermediate filaments, and microtubules ((Figure)). هنا ، سوف نفحص كل منها.

شكل 1. Microfilaments thicken the cortex around the cell’s inner edge. Like rubber bands, they resist tension. There are microtubules in the cell’s interior where they maintain their shape by resisting compressive forces. There are intermediate filaments throughout the cell that hold organelles in place.

الميكروفيلامين

من بين الأنواع الثلاثة لألياف البروتين في الهيكل الخلوي ، فإن الألياف الدقيقة هي الأضيق. They function in cellular movement, have a diameter of about 7 nm, and are comprised of two globular protein intertwined strands, which we call actin ((Figure)). For this reason, we also call microfilaments actin filaments.

الشكل 2. Two intertwined actin strands comprise microfilaments.

ATP powers actin to assemble its filamentous form, which serves as a track for the movement of a motor protein we call myosin. This enables actin to engage in cellular events requiring motion, such as cell division in eukaryotic cells and cytoplasmic streaming, which is the cell cytoplasm’s circular movement in plant cells. الأكتين والميوسين وفير في خلايا العضلات. عندما تنزلق خيوط الأكتين والميوسين عن بعضها البعض ، تنقبض عضلاتك.

توفر الألياف الدقيقة أيضًا بعض الصلابة والشكل للخلية. يمكنهم إزالة البلمرة (التفكيك) والإصلاح بسرعة ، وبالتالي تمكين الخلية من تغيير شكلها والتحرك. تستفيد خلايا الدم البيضاء (خلايا الجسم التي تقاوم العدوى) من هذه القدرة. They can move to an infection site and phagocytize the pathogen.

ارتباط بالتعلم

To see an example of a white blood cell in action, watch a short time-lapse video of the cell capturing two bacteria. يبتلع أحدهما ثم ينتقل إلى الآخر.

المتوسطة الشعيرات

Several strands of fibrous proteins that are wound together comprise intermediate filaments ((Figure)). Cytoskeleton elements get their name from the fact that their diameter, 8 to 10 nm, is between those of microfilaments and microtubules.

الشكل 3. Intermediate filaments consist of several intertwined strands of fibrous proteins.

الخيوط الوسيطة ليس لها دور في حركة الخلية. وظيفتها هيكلية بحتة. They bear tension, thus maintaining the cell’s shape, and anchor the nucleus and other organelles in place. (Figure) shows how intermediate filaments create a supportive scaffolding inside the cell.

الخيوط الوسيطة هي المجموعة الأكثر تنوعًا من عناصر الهيكل الخلوي. Several fibrous protein types are in the intermediate filaments. You are probably most familiar with keratin, the fibrous protein that strengthens your hair, nails, and the skin’s epidermis.

أنابيب مجهرية

كما يوحي اسمها ، الأنابيب الدقيقة عبارة عن أنابيب مجوفة صغيرة. Polymerized dimers of α-tubulin and β-tubulin, two globular proteins, comprise the microtubule’s walls ((Figure)). With a diameter of about 25 nm, microtubules are cytoskeletons’ widest components. إنها تساعد الخلية على مقاومة الانضغاط ، وتوفر مسارًا تنتقل فيه الحويصلات عبر الخلية ، وتسحب الكروموسومات المضاعفة إلى الأطراف المتقابلة للخلية المنقسمة. مثل الميكروفيلامين ، يمكن للأنابيب الدقيقة أن تتفكك وتصلح بسرعة.

الشكل 4. Microtubules are hollow. Their walls consist of 13 polymerized dimers of α-tubulin and β-tubulin (right image). The left image shows the tube’s molecular structure.

Microtubules are also the structural elements of flagella, cilia, and centrioles (the latter are the centrosome’s two perpendicular bodies). In animal cells, the centrosome is the microtubule-organizing center. In eukaryotic cells, flagella and cilia are quite different structurally from their counterparts in prokaryotes, as we discuss below.

فلاجيلا وأهداب

The flagella (singular = flagellum) are long, hair-like structures that extend from the plasma membrane and enable an entire cell to move (for example, sperm, يوجلينا, and some prokaryotes). عند وجودها ، تحتوي الخلية على سوط واحد فقط أو عدد قليل من الأسواط. However, when cilia (singular = cilium) are present, many of them extend along the plasma membrane’s entire surface. They are short, hair-like structures that move entire cells (such as paramecia) or substances along the cell’s outer surface (for example, the cilia of cells lining the Fallopian tubes that move the ovum toward the uterus, or cilia lining the cells of the respiratory tract that trap particulate matter and move it toward your nostrils.)

على الرغم من الاختلافات في الطول والعدد ، تشترك الأسواط والأهداب في ترتيب هيكلي مشترك للأنابيب الدقيقة يسمى "مصفوفة 9 + 2". This is an appropriate name because a single flagellum or cilium is made of a ring of nine microtubule doublets, surrounding a single microtubule doublet in the center ((Figure)).

الشكل 5. This transmission electron micrograph of two flagella shows the microtubules’ 9 + 2 array: nine microtubule doublets surround a single microtubule doublet. (credit: modification of work by Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College scale-bar data from Matt Russell)

You have now completed a broad survey of prokaryotic and eukaryotic cell components. For a summary of cellular components in prokaryotic and eukaryotic cells, see (Figure).

Components of Prokaryotic and Eukaryotic Cells
مكون الخلية وظيفة موجود في بدائيات النوى؟ موجود في الخلايا الحيوانية؟ موجود في الخلايا النباتية؟
غشاء بلازمي يفصل الخلية عن البيئة الخارجية يتحكم في مرور الجزيئات العضوية والأيونات والماء والأكسجين والنفايات داخل وخارج الخلية نعم نعم نعم
السيتوبلازم يوفر ضغط انتفاخ للخلايا النباتية كسوائل داخل موقع الفجوة المركزية للعديد من وسط التفاعلات الأيضية التي توجد فيها العضيات نعم نعم نعم
النواة منطقة مظلمة داخل النواة حيث يتم تصنيع الوحدات الفرعية الريبوسومية. لا نعم نعم
نواة عضية الخلية التي تحتوي على الحمض النووي وتوجه تخليق الريبوسومات والبروتينات لا نعم نعم
الريبوسومات تخليق البروتين نعم نعم نعم
الميتوكوندريا إنتاج ATP / التنفس الخلوي لا نعم نعم
بيروكسيسومات Oxidize and thus break down fatty acids and amino acids, and detoxify poisons لا نعم نعم
الحويصلات والفراغات تخزين ونقل وظيفة الجهاز الهضمي في الخلايا النباتية لا نعم نعم
جسيم مركزي Unspecified role in cell division in animal cells microtubule source in animal cells لا نعم لا
الجسيمات المحللة هضم الجزيئات الكبيرة وإعادة تدوير العضيات البالية لا نعم بعض
جدار الخلية Protection, structural support, and maintenance of cell shape نعم ، ببتيدوجليكان في المقام الأول لا نعم ، السليلوز في المقام الأول
البلاستيدات الخضراء البناء الضوئي لا لا نعم
الشبكة الأندوبلازمية يعدل البروتينات ويصنع الدهون لا نعم نعم
جهاز جولجي يقوم بتعديل وفرز ووسم وحزم وتوزيع الدهون والبروتينات لا نعم نعم
الهيكل الخلوي يحافظ على شكل الخلية ، ويؤمن العضيات في مواقع محددة ، ويسمح للسيتوبلازم والحويصلات بالتحرك داخل الخلية ، ويمكّن الكائنات أحادية الخلية من التحرك بشكل مستقل نعم نعم نعم
الأسواط الحركة الخلوية بعض بعض No, except for some plant sperm cells
أهداب Cellular locomotion, movement of particles along plasma membrane’s extracellular surface, and filtration بعض بعض لا

ملخص القسم

The cytoskeleton has three different protein element types. من الأضيق إلى الأوسع ، هي الخيوط الدقيقة (خيوط الأكتين) ، والخيوط الوسيطة ، والأنابيب الدقيقة. Biologists often associate microfilaments with myosin. أنها توفر الصلابة والشكل للخلية وتسهل الحركات الخلوية. تحمل الخيوط الوسيطة التوتر وتثبت النواة والعضيات الأخرى في مكانها. تساعد الأنابيب الدقيقة الخلية على مقاومة الانضغاط ، وتعمل كمسارات للبروتينات الحركية التي تحرك الحويصلات عبر الخلية ، وتسحب الكروموسومات المضاعفة إلى الأطراف المتقابلة للخلية المنقسمة. هم أيضًا العنصر الهيكلي للمريكزات والسوط والأهداب.

راجع الأسئلة

Which of the following have the ability to disassemble and reform quickly?


استنتاج

Thus, we examined the structure and functions of the cytoskeleton. It plays an exceptionally important role in the life of the cell, providing its most important processes.

All cytoskeletal components interact. This is confirmed by the existence of direct contacts of microfilaments, intermediate filaments and microtubules.

According to modern ideas, the most important link that unites various cellular parts and carries out data transfer is the cytoskeleton.


شاهد الفيديو: Inner Life Of A Cell - Full Version (قد 2022).