Слово «органелла» означает «маленький орган». Однако органеллы намного меньше, чем органы растений или животных. Подобно тому, как орган выполняет определенную функцию в организме, например, глаз помогает рыбе видеть, так и тычинка помогает цветку размножаться, каждый из органелл выполняет определенные функции в клетках. Клетки представляют собой автономные системы внутри своих соответствующих организмов, и органеллы внутри них работают вместе, как компоненты автоматизированной машины, чтобы обеспечить бесперебойную работу. Когда дела идут не так гладко, существуют органеллы, ответственные за самоуничтожение клеток, также известные как запрограммированная гибель клеток.

Многие вещи плавают в клетке, и не все они являются органеллами. Некоторые из них называются включениями, которые относятся к таким предметам, как продукты, хранящиеся в клетках, или инородные тела, попавшие в клетку, например, вирусы или мусор. Большинство, но не все органеллы окружены мембраной, чтобы защитить их от цитоплазмы, в которой они плавают, но это обычно не относится к клеточным включениям. Кроме того, включения не имеют существенного значения для выживания клетки или, по крайней мере, для функционирования органелл.

Первые наблюдения клеток

В 1665 году английский естествоиспытатель по имени Роберт Гук исследовал под микроскопом тонкие кусочки пробки, а также древесную массу из нескольких видов деревьев и других растений. Он был удивлен, обнаружив заметное сходство между такими разными материалами, которые все напоминали ему о сотах. Во всех образцах он видел множество прилегающих пор или «очень много маленьких коробочек», которые он сравнивал с комнатами, в которых жили монахи. Он придумал им целлюлы, что в переводе с латыни означает маленькие комнаты; в современном английском языке эти поры знакомы студентам и ученым как клетки. Спустя почти 200 лет после открытия Гука шотландский ботаник Роберт Браун заметил темное пятно в клетках орхидей, видимое под микроскопом. Он назвал эту часть клетки ядром, латинское слово для ядра.

Спустя несколько лет немецкий ботаник Матиас Шлейден переименовал ядро в цитобласт. Он заявил, что цитобласт является наиболее важной частью клетки, так как он полагал, что он образует остальные части клетки. Он предположил, что ядро - как его снова называют сегодня - было причиной различий в клетках у разных видов растений и в разных частях отдельного растения. Будучи ботаником, Шлейден изучал исключительно растения, но когда он сотрудничал с немецким физиологом Теодором Шванном, было показано, что его идеи о ядре верны и в отношении клеток животных и других видов. Они совместно разработали теорию клеток, которая стремилась описать универсальные особенности всех клеток, независимо от того, в какой системе органов животных, грибах или съедобных фруктах они были обнаружены.

Строительные блоки жизни

В отличие от Шлейдена, Шванн изучал ткани животных. Он пытался придумать объединяющую теорию, которая объясняла различия во всех клетках живых существ; Как и многие другие ученые того времени, он искал теорию, которая охватывала различия во всех многих типах клеток, которые он просматривал под микроскопом, но которая все же позволяла считать их всех клетками. Животные клетки имеют множество структур. Он не мог быть уверен, что все «маленькие комнаты», которые он видел под микроскопом, были даже клетками, без надлежащей теории клеток. Услышав о теориях Шлейдена о том, что ядро ​​(цитобласт) является локусом образования клеток, он почувствовал, что у него есть ключ к теории клеток, которая объясняет животные и другие живые клетки. Вместе они предложили клеточную теорию со следующими принципами:

1. Клетки являются строительными блоками всех живых организмов.
    2. Независимо от того, насколько различны отдельные виды, все они развиваются путем образования клеток.
    3. Как отметил Шванн, «каждая клетка в определенных пределах представляет собой отдельное целое. Жизненные явления одного повторяются полностью или частично во всех остальных ».
    4. Все клетки развиваются одинаково, и поэтому все одинаковы, независимо от внешнего вида.

Содержание клеток

Опираясь на теорию клеток Шлейдена и Шванна, многие ученые внесли открытия, многие из которых были сделаны с помощью микроскопа, и теории о том, что происходило внутри клеток. В течение следующих нескольких десятилетий их клеточная теория обсуждалась, и выдвигались другие теории. Однако до сегодняшнего дня многое из того, что два немецких ученых установили в 1830-х годах, считается точным в биологических областях. В последующие годы микроскопия позволила обнаружить более подробную информацию о внутренностях клеток. Другой немецкий ботаник по имени Уго фон Мохл обнаружил, что ядро ​​не было прикреплено к внутренней части клеточной стенки растения, а плавало в клетке, удерживаемой полувязкой желеобразной субстанцией. Он назвал это вещество протоплазмой. Он и другие ученые отметили, что в протоплазме содержатся небольшие, взвешенные предметы. Начался период большого интереса к протоплазме, который стал называться цитоплазмой. Со временем, используя улучшающие методы микроскопии, ученые перечислили бы органеллы клетки и их функции.

Крупнейшая органелла

Самая большая органелла в клетке - ядро. Как открыл Матиас Шлейден в начале 19-го века, ядро ​​служит центром клеточных операций. Дезоксирибозная нуклеиновая кислота, более известная как дезоксирибонуклеиновая кислота или ДНК, содержит генетическую информацию для организма и транскрибируется и сохраняется в ядре. Ядро также является локусом клеточного деления, которое формирует новые клетки. Ядро отделено от окружающей цитоплазмы, которая заполняет клетку ядерной оболочкой. Это двойная мембрана, которая периодически прерывается порами, через которые гены, которые транскрибируются в нити рибонуклеиновой кислоты, или РНК, которая становится мессенджерной РНК, или мРНК, проходят к другим органеллам, называемым эндоплазматическим ретикулумом, вне ядра. Внешняя мембрана ядерной мембраны связана с мембраной, которая окружает эндоплазматическую мембрану, что облегчает передачу генов. Это эндомембранная система, и она также включает аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли, везикулы и клеточную мембрану. Внутренняя мембрана ядерной оболочки выполняет основную работу по защите ядра.

Сеть синтеза белка

Эндоплазматический ретикулум представляет собой сеть каналов, идущих от ядра и заключенных в мембрану. Каналы называются цистернами. Существует два типа эндоплазматического ретикулума: грубый и гладкий эндоплазматический ретикулум. Они связаны и являются частью одной сети, но два типа эндоплазматического ретикулума имеют разные функции. Цистерны гладкого эндоплазматического ретикулума представляют собой округлые трубочки со многими ветвями. Гладкая эндоплазматическая сеть синтезирует липиды, особенно стероиды. Это помогает в расщеплении стероидов и углеводов, а также детоксифицирует алкоголь и другие лекарства, которые попадают в клетку. Он также содержит белки, которые перемещают ионы кальция в цистерны, позволяя гладкой эндоплазматической сети служить местом хранения ионов кальция и регулятором их концентрации.

Грубый эндоплазматический ретикулум соединен с внешней мембраной ядерной мембраны. Его цистерны - это не трубочки, а сплющенные мешочки, которые усеяны маленькими органеллами, называемыми рибосомами, и именно здесь он получает «грубое» обозначение. Рибосомы не заключены в мембраны. Грубый эндоплазматический ретикулум синтезирует белки, которые отправляются за пределы клетки или упаковываются внутри других органелл внутри клетки. Рибосомы, которые находятся на грубой эндоплазматической сети, читают генетическую информацию, закодированную в мРНК. Затем рибосомы используют эту информацию для создания белков из аминокислот. Транскрипция ДНК с РНК на белок известна в биологии как «Центральная догма». Грубый эндоплазматический ретикулум также производит белки и фосфолипиды, которые образуют плазматическую мембрану клетки.

Центр распределения белка

Комплекс Гольджи, который также известен как тело Гольджи или аппарат Гольджи, представляет собой еще одну сеть цистерн, и, подобно ядру и эндоплазматическому ретикулуму, он заключен в мембрану. Работа органеллы состоит в том, чтобы обрабатывать белки, которые были синтезированы в эндоплазматической сети, и распространять их по другим частям клетки, или готовить их для экспорта за пределы клетки. Это также помогает в транспортировке липидов вокруг клетки. Когда он обрабатывает материалы для транспортировки, он упаковывает их в нечто, называемое пузырьком Гольджи. Материал связывается в мембране и направляется вдоль микротрубочек цитоскелета клетки, поэтому он может перемещаться к месту назначения через цитоплазму. Некоторые из пузырьков Гольджи покидают клетку, а некоторые хранят белок, который высвобождается позже. Другие становятся лизосомами, которые представляют собой другой тип органелл.

Перерабатывать, детоксифицировать и самоуничтожиться

Лизосомы представляют собой круглую мембраносвязанную везикулу, созданную аппаратом Гольджи. Они заполнены ферментами, которые расщепляют ряд молекул, таких как сложные углеводы, аминокислоты и фосфолипиды. Лизосомы являются частью эндомембранной системы, такие как аппарат Гольджи и эндоплазматическая сеть. Когда клетка больше не нуждается в определенной органелле, лизосома переваривает ее в процессе, называемом аутофагией. Когда клетка работает со сбоями или больше не нужна по какой-либо другой причине, она участвует в запрограммированной гибели клетки, явлении, также известном как апоптоз. Клетка переваривает себя с помощью своей собственной лизосомы, в процессе, называемом автолизом.

Органеллой, сходной с лизосомой, является протеасома, которая также используется для расщепления ненужных клеточных материалов. Когда клетка нуждается в быстром снижении концентрации определенного белка, она может пометить молекулы белка сигналом, прикрепив к ним убиквитин, который отправит их в протеасому для расщепления. Другая органелла в этой группе называется пероксисомой. Пероксисомы производятся не в аппарате Гольджи, как лизосомы, а в эндоплазматической сети. Их основная функция заключается в детоксикации вредных лекарств, таких как алкоголь и токсины, которые попадают в кровь.

Древний бактериальный потомок как источник топлива

Митохондрии, единственным из которых является митохондрия, являются органеллами, ответственными за использование органических молекул для синтеза аденозинтрифосфата, или АТФ, который является источником энергии для клетки. Из-за этого митохондрия широко известна как «электростанция» клетки. Митохондрии постоянно смещаются между нитевидной формой и сфероидальной формой. Они окружены двойной мембраной. Внутренняя мембрана имеет много складок, так что она выглядит как лабиринт. Складки называются кристами, единственное число которых является кристой, а пространство между ними называется матрицей. Матрица содержит энзимы, которые митохондрии используют для синтеза АТФ, а также рибосомы, подобные тем, которые изучают поверхность шероховатой эндоплазматической сети. Матрица также содержит маленькие круглые молекулы мтДНК, что является сокращением от митохондриальной ДНК.

В отличие от других органелл, митохондрии имеют свою собственную ДНК, которая отделена и отличается от ДНК организма, которая находится в ядре каждой клетки (ядерной ДНК). В 1960-х годах ученый-эволюционист по имени Линн Маргулис предложил теорию эндосимбиоза, которая до сих пор обычно считается объяснением мтДНК. Она считала, что митохондрии произошли от бактерий, которые жили в симбиотических отношениях внутри клеток вида хозяина около 2 миллиардов лет назад. В конце концов, результатом был митохондрия, не как его собственный вид, а как органелла с собственной ДНК. Митохондриальная ДНК наследуется от матери и мутирует быстрее, чем ядерная ДНК.