سلول چیست و چگونه کار می کند؟

 

در ابعاد میکروسکوپی، همه ما از سلول ساخته شده ایم. به خودتان در آینه نگاه کنید. آنچه که می بینید، مجموعه ای است از 10 تریلیون سلول از 200 مدل مختلف که گرد هم آمده اند. ماهیچه ها از سلول های ماهیچه ای، کبد از سلول های کبدی و به طور کل هر بافتی از سلول های خود ساخته شده است.

اگر می خواهید بدانید که بدن تان چگونه کار می کند، ابتدا لازم است سلول ها را بشناسیم. هر فرآیندی نظیر تولید مثل، ابتلا به بیماری و حتی ترمیم یک استخوان شکسته در سطوح سلولی رخ می دهد.

پیگیر اخبار روز دنیای علم و دانش که باشید، حتما می دانید این روزها ژن ها نقشی بزرگ بازی می کنند. بیوتکنولوژی، اصلاح ژن، ژنوم انسان، مهندسی ژنتیک، بیماری های ژنتیکی، ژن تراپی، جهش ژنتیکی و … واژه هایی هستند که بسیار می شنویم.

دانش ژنتیک این روزها به سرعت چهره پزشکی، کشاورزی و حتی سیستم قانونی کشورها را با تغییر مواجه ساخته. در این مقاله به دنیای مولکول ها سفر می کنیم تا نحوه کارکرد یک سلول را با استفاده از آن ها بفهمیم.

به سراغ ساده ترین سلول ممکن می رویم: سلول باکتریایی. با فراگیری نحوه فعالیت سلول باکتری، می توانید درکی کلی از کارکرد سلول های دیگر نیز به دست آورید. اگر مطالعات زیست شناسی چندانی ندارید، مطالعه این مقاله می تواند درک بسیاری از تحقیقاتی که این روزها در صدر اخبار مشاهده می کنید را ساده تر سازد.

 

اطلاعات کلی

 

بدن از 10 تریلیون سلول ساخته شده که بزرگ ترین آن ها هم قطر تار موی انسان است اما اکثر سلول های انسان بسیار کوچکترند، شاید یک دهم تار مو. یک تار موی خودتان را ببینید و تصور کنید یک دهم قطر آن چقدر کوچک خواهد بود. سپس در برابر آینه یک بار دیگر به اندام خود نگاه کنید. آنگاه متوجه عظمت رقم 10 تریلیون سلول خواهید شد.

 تار مو چندان ضخیم نیست، شاید قطری معادل صد میکرون داشته باشد (در واقع، اگر یک متر را به یک میلیون بخش تقسیم کنیم، یک میکرون می شود یک بخش از آن)، اما هر سلول انسان به طور میانگین 10 میکرون قطر دارد. به انگشت شست پای خود نگاه کنید. بسته به اندازه فیزیک شما، 2 الی 3 میلیارد سلول در این ناحیه وجود دارد.

 باکتری ها ساده ترین سلول هایی هستند که در دوره کنونی زیست شناسی وجود دارند. باکتری، یک سلول تنها و خود مختار است، برای مثال اشرشیا کلای (ای. کلای یا E. Coli) سلول هایی معمولی با اندازه ای حدود یک میکرون طول و یک دهم میکرون عرض هستند (تقریبا صد برابر کوکتر از سلول انسان). زمانی که دچار عفونت باکتریایی می شوید، این باکتری های کوچک و جسور، همانند قایقی کوچک در کنار کشتی های بزرگ (سلول انسان) به حرکت می افتند.

پر واضح است که سلول های باکتریایی بسیار ساده تر ار سلول های انسانی هستند و پیچیدگی های آن را ندارند. باکتری یک غشای سلولی دارد که درون آن را مایعی به نام سیتوپلاسم پر کرده است. حدودا 70 درصد سیتوپلاسم آب است و 30 درصد باقی مانده آنزیم، پروتئین، آمینو اسید، گلوکز، ATP و … هستند. همه این ها در کنار هم شیره سلولی را پدید می آورند.

 در مرکز سلول باکتری، یک کلاف در هم پیچیده DNA یا RNA قرار گرفته که اگر آن را از هم باز کنیم، 1000 برابر طول باکتری خواهد بود. در واقع تمام این تفاوت ها، مفهوم «یوکاریوت» و «پروکاریوت» را شکل می دهند. سلول بدن انسان یک سلول یوکاریوت است و باکتری ها پروکاریوت محسوب می شوند.

 یک باکتری اشرشیا کلای، شکل کپسولی مشخصی دارد. کپسول روی غشا و دیواره سلول قرار گرفته (مطابق شکل فوق) و یکی از عوامل بیماری زایی در باکتری های مختلف است. فلاژله ها یا زائده های برآمده از سلول نیز از همین کپسول منشعب می شوند. با این حال، همه باکتری ها لزوما دارای فلاژله نیستند و البته هیچ سلول انسانی به جز اسپرم در مردان نیز چنین اندام متحرکی ندارد.

 سلول های انسانی بسیار پیچیده تر از باکتری ها هستند و ماده ژنتیکی شان درون محفظه ای به نام هسته، توسط غشایی خاص محافظت می شود. میتوکندری، دستگاه گلژی و بسیاری اندامک های دیگر نیز در باکتری ها غایب اند اما به طور کلی، پروسه فعالیت سلول ها مشابه یکدیگر است.

 آنزیم ها

در سلول، هر کاری که انجام شود، آنزیم ها به نوعی در آن دخیل هستند. بنابراین اگر به خوبی نحوه فعالیت آنزیم ها را بدانید، سلول را هم شناخته اید. یک باکتری مثل ای. کلای، حدودا 1000 مدل آنزیم مختلف دارد که در سیتوپلاسم آن شناورند.

 بخش های خاص آنزیم ها، آنها را به واکنشگرهای کوچک شیمیایی تبدیل کرده است. هدف آنزیم، انجام واکنش های شیمیایی با سرعت بالا است که در نتیجه این واکنش ها، چیزهایی ساخته و یا قطعاتی از هم جدا می شوند. اینگونه است که یک سلول بزرگ شده و تقسیم می شود. به بیانی ساده تر، سلول یک کیسه پر از مایعات و آنزیم های مختلف است که مرتبا در حال تولید و تکثیر هستند.

 آنزیم ها از آمینو اسیدها ساخته شده اند یا به عبارتی دیگر پروتئین هستند. زمانی که یک آنزیم شکل می گیرد، یعنی 100 الی 1000 آمینو اسید با ترتیبی خاص پشت یکدیگر چیده شده اند. این زنجیره سپس در هم می پیچد و شکلی خاص را پدید می آورد. شکل خاص آنزیم اجازه می دهد تا واکنش های شیمیایی مخصوصی توسط هر کدام صورت پذیرد.

 آنزیم ها، کاتالیست های بسیار موثری برای واکنش های شیمیایی هستند و سرعت انجام فعالیت ها را به میزان قابل توجهی افزایش می دهند. برای مثال، قند مالتوز از دو گلوکز ساخته شده که به یکدیگر متصل شده اند. آنزیم مالتاز نیز دقیقا به گونه ای ساخته شده که مالتوز می تواند روی آن قرار بگیرد و پیوند بین دو گلوکز شکسته شود.

در نتیجه، آنزیم مالتاز، مالتوز را دریافت کرده و دو گلوکز تحویل می دهد. تنها کاری که مالتاز می تواند انجام دهد، همین است. اما اگر چنین آنزیمی در سلول نباشد، فرآیند تبدیل مالتوز به گلوکز (قند مورد نیاز بدن) بسیار آهسته و کند صورت می پذیرد. آنزیم های دیگر هم هستند که مولکول ها و اتم ها را به یکدیگر متصل می سازند.

 قطع پیوند به مولکول ها و بالعکس، پدید آوردن پیوند، کاری است که آنزیم ها به خوبی انجام می دهند و برای انجام هر واکنش خاص نیز، بدن یک آنزیم مخصوص دارد.

 حتما تا به حال در مورد افرادی که به لاکتوز حساسیت دارند شنیده اید و یا شاید خودتان از این مسئله رنج می برید. قند موجود در شیر یا همان لاکتوز، در بدن چنین افرادی به گلوکز تبدیل نمی شود، یا به عبارتی دیگر، این افراد آنزیم لاکتاز ندارند.

 تصور کنید در باک یک خودرو، نوشابه بریزید. اگر موتور این خودرو نتواند نوشابه را بسوزاند و به نیرو محرکه تبدیل کند، نه تنها خودرو حرکت نمی کند، بلکه دچار نقص هم خواهد شد. مشابه همین ماجرا را ما با گلوکز داریم. اگر بنزین بدن ما، گلوکز، تامین نشود، لاکتوز پس زده می شود. مصرف آنزیم لاکتاز پیش از خوردن شیر یا هر ماده ای که لاکتوز در آن وجود داشته باشد، می تواند مشکل را به صورت موقت برطرف سازد.

 درون یک باکتری کوچک، هزار نوع آنزیم وجود دارد که لاکتاز یکی از آن ها به حساب می آید. همه آنزیم ها کاملا آزاد در سیتوپلاسم غوطه می خورند و منتظرند تا ترکیب مورد نظر روی جایگاه فعال شان قرار گیرد. بسته به میزان اهمیت واکنش، از روی هر آنزیم، هزاران و یا شاید میلیون ها کپی تهیه شده که همه شان درون باکتری آزادانه می چرخند. خورد کردن قندها به گلوکز، ساخت دیواره سلولی، ساخت آنزیم های دیگر، تهیه نسخه کپی از روی DNA و … از جمله مهم ترین فعالیت های آنزیم ها هستند.

 پروتئین

یک پروتئین، زنجیره ای از آمینو اسیدها است و یک آمینو اسید، بلوکه های کوچک مولکولی سازنده پروتئین است. اگر چربی را در نظر نگیریم، 20 درصد از وزن بدن انسان را پروتئین ها، 60 درصد را آب و 20 درصد باقی مانده را دیگر مواد معدنی تشکیل داده اند.

 واحدهای سازنده پروتئین را به این دلیل آمینو اسید می نامند که از یک گروه آمین (NH2) و یک گروه کربوکسیل که اسیدی است (COOH) تشکیل شده اند. این دو واحد در تمامی آمینو اسیدها یکسان است و تغییری نمی کند، بلکه زنجیره متصل به آن تغییرات عمده به خود خواهد دید.

 در مجموع حدودا 100 نوع آمینو اسید مختلف در طبیعت موجود است اما در بدن انسان صرفا 20 آمینو اسید طبیعی وجود دارد که به دو دسته آمینو اسید ضروری و غیر ضروری تقسیم می شوند و تنها راه کسب آن ها از طریق غذا است.

 پروتئین بدن ما دو منبع حیوانی و گیاهی دارد. اغلب پروتئین های جانوری مثل گوشت، شیر و تخم مرغ، پروتئین های ضروری را در اختیار بدن قرار می دهند اما منابع گیاهی معمولا چندان غنی از پروتئین نیستند و اگر باشند، حاوی پروتئین های غیر ضروری هستند. مثلا برنج حاوی ایزولوسین و لیزین است که در دسته پروتئین های غیر ضروری دسته بندی می شوند.

 با این حال، برخی منابع گیاهی مثل گردو، لوبیا و سویا سرشار از پروتئین بوده و با ترکیب کامل غذایی می توان تمامی پروتئین های ضروری بدن را از این طریق به دست آورد. بنابراین گیاهخوارانی که ترکیب غذایی درستی داشته باشند قادرند تا تمامی پروتئین مورد نیازشان را بدون مصرف گوشت و تخم مرغ به دست آورند.

در ابعاد میکروسکوپی، همه ما از سلول ساخته شده ایم. به خودتان در آینه نگاه کنید. آنچه که می بینید، مجموعه ای است از 10 تریلیون سلول از 200 مدل مختلف که گرد هم آمده اند. ماهیچه ها از سلول های ماهیچه ای، کبد از سلول های کبدی و به طور کل هر بافتی از سلول های خود ساخته شده است.

 اگر می خواهید بدانید که بدن تان چگونه کار می کند، ابتدا لازم است سلول ها را بشناسیم. هر فرآیندی نظیر تولید مثل، ابتلا به بیماری و حتی ترمیم یک استخوان شکسته در سطوح سلولی رخ می دهد.

 پیگیر اخبار روز دنیای علم و دانش که باشید، حتما می دانید این روزها ژن ها نقشی بزرگ بازی می کنند. بیوتکنولوژی، اصلاح ژن، ژنوم انسان، مهندسی ژنتیک، بیماری های ژنتیکی، ژن تراپی، جهش ژنتیکی و … واژه هایی هستند که بسیار می شنویم.

 دانش ژنتیک این روزها به سرعت چهره پزشکی، کشاورزی و حتی سیستم قانونی کشورها را با تغییر مواجه ساخته. در این مقاله به دنیای مولکول ها سفر می کنیم تا نحوه کارکرد یک سلول را با استفاده از آن ها بفهمیم.

 به سراغ ساده ترین سلول ممکن می رویم: سلول باکتریایی. با فراگیری نحوه فعالیت سلول باکتری، می توانید درکی کلی از کارکرد سلول های دیگر نیز به دست آورید. اگر مطالعات زیست شناسی چندانی ندارید، مطالعه این مقاله می تواند درک بسیاری از تحقیقاتی که این روزها در صدر اخبار مشاهده می کنید را ساده تر سازد.

آنزیم ها مشغول به کارند


همه جور آنزیمی در سلول انسان مشغول به کار است و برخی از آن ها واقعا فوق العاده اند. سلول از آنزیم برای رشد داخلی، تکثیر و تولید انرژی استفاده می کند. حتی آنزیم ها می توانند از سلول خارج شده و در محیط بیرونی فعالیت خود را انجام دهند. برای مثال، ای. کلای آنزیم های خاصی را به بیرون می فرستد تا مواد غذایی را بشکنند و جذب از طریق دیواره سلولی آسان تر شود.

 بعضی از آنزیم ها که شاید نام آن ها را روی بسته های مواد غذایی، شوینده ها و … دیده باشید را با یکدیگر مرور می کنیم:

 

  • پروتئاز و پپتیداز: یک پروتئاز، آنزیمی است که می تواند رشته طویل پروتئین را به قطعه های کوچک به نام پپتید تبدیل کند (یک پپتید متشکل است از چند آمینو اسید که زنجیره ای کوچک ساخته اند). پپتیدازها نیز سپس هر پپتید را به آمینو اسید سازنده اش تبدیل می کنند. پروتئاز و پپتیداز معمولا در پودرهای لباسشویی دیده می شود. این آنزیم ها سبب شکسته شدن پیوندها و در نتیجه پاک شدن لکه های خونی از روی لباس می شوند. بعضی پروتئازها بسیار تخصصی عمل می کنند و برخی دیگر هم هر زنجیره آمینو اسیدی که در اختیارشان قرار بگیرد را خرد می کنند. حتما نام مهارکننده های پروتئاز را شنیده ای که در داروهای ضد ویروس AIDS به کار می روند. این ویروس، از پروتئازهای بسیار تخصص یافته ای در طول چرخه تکثیر خود استفاده می کند و مهارکننده های پروتئاز در برابر آن ها می ایستند.
  • آمیلاز: رشته های بلند نشاسته توسط آمیلاز تبدیل به مولکول های کوچک شکر می شوند. آب دهان پر است از آمیلاز و درون روده کوچک نیز کثرت این آنزیم مشاهده می شود. مالتاز، لاکتاز و سوکراز نیز در مرحله آخر، قندهای کوچک را به مولکول های گلوکز تقسیم می کنند.
  • لیپاز: چربی را می شکند و به واحدهای کوچک تبدیل می کند.
  • سلولاز: مولکول های سلولز به وسیله این آنزیم به واحدهای کوچک تر تبدیل می شوند و یکی از دلایلی که سلولز منبع انرژی مناسبی برای انسان نیست، همین مسئله است. در دستگاه گوارش گاو و دیگر گیاهخواران و نشخوارکنندگان، باکتری هایی وجود دارد که سلولاز را می شکند و به همین ترتیب علوفه و بافت های چوبی نرم، خوراک مناسبی برای آن ها به حساب می آید. باکتری ها آنزیم های شان را از غشا و دیواره خارج کرده و محیط را برای تجزیه سلولز آماده می کنند. در واقع بسیاری از باکتری ها نظیر ای. کلای بدین گونه تغذیه می کنند.

درون سلول، صدها آنزیم بسیار تخصص یافته وظایفی منحصر به فرد را عهده دار شده اند تا سلول بتواند به زندگی خود ادامه دهد. بعضی از این آنزیم ها عبارتند از:

 

  • آنزیم های انرژی: یک مجموعه 10 تایی از آنزیم ها به سلول اجازه عمل گلیکولیز را می دهند. 8 آنزیم دیگر نیز چرخه اسید سیتریک (یا چرخه کربس) را سر پا نگه داشته اند. این دو چرخه در کنار هم مثل دو چرخ دنده ای که روی یکدیگر قرار گرفته باشند، گلوکز و اکسیژن را به آدنوزین تری فسفات یا ATP تبدیل می کنند. در سلولی هوازی چون ای. کلای یا سلول انسان، یک گلوکز طی دو چرخه نام برده به 36 گلوکز تبدیل می شود. در سلول های بی هوازی، چرخه کربس صورت نمی پذیرد و نتیجه گلیکولیز صرفا دو مولکول ATP خواهد بود. اگر گلوکز را همچون بنزین در نظر بگیریم، ATP آن میزان انرژی ای است که در نتیجه احتراق ایجاد می شود.
  • آنزیم های محدودکننده: بسیاری از باکتری ها قادرند تا آنزیم های محدودکننده بسازند. این آنزیم ها الگوهای خاصی را روی زنجیره DNA شناخته و آن ها قطع می کنند. وقتی یک ویروس، DNA خود را وارد باکتری می کند، آنزیم مذکور متوجه حضور بیگانه شده و آن را از بین می برد، پیش از آن که تقسیمی صورت پذیرد.
  • آنزیم های حاضر در همانندسازی DNA: همانند پلی مرازها که پیش از این در مورد آن ها برایتان گفته بودیم. این آنزیم ها در طول زنجیره DNA حرکت کرده و اشتباهات صورت پذیرفته را اصلاح می کنند. یک سری آنزیم های دیگر نیز قادرند پیوند بین دو رشته DNA را شکسته و یک سری دیگر نیز عکس این عمل را انجام می دهند.
  • آنزیم های تولیدکننده آنزیم: همه آنزیم هایی که در موردشان صحبت کردیم بالاخره از جایی نشات گرفته اند و در کارگاهی تولید شده اند. ریبونوکلئیک اسید ها در سه فرم tRNA ،mRNA و rRNA نقشی مهم در این میان ایفا می کنند.

 

یک سلول چیزی نیست به جز زنجیره ای از واکنش های شیمیایی پی در پی که در هر گوشه آن صورت می پذیرد و آنزیم ها نقش اصلی را بازی می کنند.

 

ساخت آنزیم ها

مادامیکه غشای سلول سالم و دست نخورده است و می تواند آنزیم های لازم برای انجام واکنش های شیمیایی خود را بسازد، آن سلول زنده است. آنزیمی ها از گلوکز، انرژی ساخته و به تکمیل دیواره سلولی، تکثیر سلولی و تولید دیگر آنزیم ها نیز کمک می کنند.

 بنابراین این آنزیم ها از کجا می آیند؟ و سلول چگونه در زمان نیاز آن ها را تولید می کند؟ این سلسله واکنش های شیمیایی چگونه منجر به تولید آنزیم های جدید می شوند و چگونه زندگی پدید می آید؟

 پاسخ این پرسش را قطعا می دانید: همه چیز در DNA نهفته است.

DNA، مولکولی عظیم است که از 4 نوع بلوک مختلف تحت عنوان نوکلئوتید ساخته شده. چهار حرف ATCG هر کدام نشانگر یک نوکلئوتید هستند که در نردبان مارپیچ DNA، دو به دو در برابر یکدیگر قرار گرفته است .

حالا، DNA یک اشرشیا کلای، به اندازه 4 میلیون بلوک طویل است! اگر DNA این باکتری را از سلول بیرون بکشیم و آن را مستقیم کنیم، طول آن به 1.36 میلی متر می رسد، یعنی هزار برابر بزرگ از بدنه ای که درون آن جای خوش کرده.

در باکتری ها، DNA مثل کلاف سردرگمی است که در هم پیچ خورده و گوشه ای از باکتری را به اشغال خود در آورده. اما در مورد انسان و سلول های پیشرفته تر ماجرا متفاوت است. DNA انسان به اندازه 3 میلیارد نوکلئوتید طول دارد که این مولکول ها، در 23 ساختار کوچکتر به نام کروموزوم دسته بندی شده اند و درون هسته قرار گرفته اند.

نکته جالب در مورد DNA این است که فقط به سلول می گوید پروتئین ها را چگونه بسازد. همین. 4 میلیون نوکلئوتید موجود درون ای. کلای به باکتری می گویند چگونه آنزیم های لازم برای زنده ماندن را بسازد و سلول هم به فرمان گوش می سپارد. راز حیات در پیروی از قوانین به تحریر درآمده ی DNA است.

پرسش بزرگ

در بخش های پیشین گفته شده بود که آنزیم ها و به طور کلی پروتئین ها از 20 نوع آمینو اسید مختلف ساخته شده اند که با ترتیبی خاص پشت هم چیده می شوند و معنایی متفاوت پیدا می کنند. پرسش اصلی این است که چگونه از DNA با چهار حرف AGTC، تنوع 20 تایی آمینو اسیدها پدید می آید؟

آنزیم فوق پیچیده ای به نام ریبوزوم، قادر به خواندن پیام RNA پیامبر یا mRNA است (mRNA خود از روی DNA ساخته شده). برای برداشتن آمینو اسید درست، ریبوزوم رمزی 3 تایی را از روی mRNA می خواند. در واقع 4 نوع آمینو اسید در جایگشتی 3 تایی، 64 رمز مختلف را پدید می آورند (4X4X4=64) اما باز هم ما فقط 20 آمینو اسید می خواهیم، نه 64 تا.

هر رمز سه تایی که یک کدون نام دارد، مختص آمینو اسیدی خاص است. برخی آمینو اسیدها هم بیش از یک رمز در اختیار دارند که آسیب های جهش را به شدت کاهش می دهد. 3 کدون مخصوص نیز به نام کدون پایان وجود دارند و بیانگر هیچ آمینو اسیدی نیستند. بنابراین 61 کدون باقی مانده، میان 20 آمینو اسید تقسیم می شود و هر آمینو اسید، یک الی 4 کدون در اختیار می گیرد.

در هر رشته DNA، بین 100 تا 1000 کدون (300 تا 3000 نوکلئوتید) وجود دارد که هر کدام آمینو اسید خاصی را مفهوم می بخشند و آمینو اسیدها در کنار هم آنزیم را می سازند. کدون پایان در انتهای هر ژن قرار دارد و به ریبوزوم (کارخانه تولید پروتئین) پیام اتمام عملیات را صادر می کند.

باقی ماجرا، درست همانند ساخت پروتئین است که پیش از این مفصل در مورد آن صحبت کرده بودیم. اینگونه می شود که یک آنزیم جدید ساخته شده و وارد جریان تولید انرژی و تکثیر سلولی می گردد.

منبع : دیجیاتو