ساختار و عمل سلول
هدف‌های رفتاری: فراگیر پس از پایان این مطلب خواهد توانست:
۱- سلول و نظریه سلولی را تعریف کند.
۲- وقایع و تجربیاتی را که منجر به پیدایش نظریه سلولی شده است توضیح دهد.
۳- ساختمان سلول را معرفی کند و کار هر یک از قسمتهای مختلف آن را شرح دهد.
نظریه سلولی
در سال ۱۶۶۵ میلادی یک دانشمند انگلیسی بنام رابرت هوک (Robert Hook) برش نازکی از چوب پنبه را زیر میکروسکوپ قرار داد و مشاهده نمود که چوب پنبه دارای فضاهای خالی زیادی است و کلمه سلول یا یاخته را برای توصیف این فضاها به کار برد. شکل ۱ سلول‌های چوب پنبه‌ای را که هوک زیر میکروسکوپ دید نشان می‌دهد.
شکل ۱
امروزه زیست شناسان می‌دانند آنچه که هوک در زیر میکروسکوپ دید سلول زنده نبود، بلکه دیواره سلول‌هایی بود که زمانی زنده بوده‌اند.
در قرن نوزدهم میکروسکوپ کامل تر شد و دانشمندان توانستند قسمتهای مختلف سلول را ببینند. اولین بار رابرت براون (Robert Brown) بخش درونی سلول بنام هسته را کشف کرد و سپس دو زیست شناس آلمانی بنام اشلایدن (Schleiden) و شوان (Schwann) برای اینکه بدانند چه نوع موجودات زنده‌ای دارای سلول هستند کوشش‌های زیادی نمودند و به این نظریه که همه جانداران از سلول ساخته شده‌اند، دست یافتند
تجربیات این دانشمندان به تکمیل شدن نظریه سلولی منتهی گردید. این نظریه بر سه اصل مبتنی است:
۱- همه موجودات زنده از یک یا چندین سلول ساخته شده‌اند.
۲- سلول‌ها، واحدهای ساختاری و کنشی موجودات زنده بشمار می‌روند.
۳- همه سلول‌ها از سلول‌های دیگر بوجود می‌آیند.
ساختار سلول
در سلول‌ها قسمتهای مختلفی وجود دارد که هر یک کار خاصی را انجام می‌دهند. شکل و اندازه و تنوع سلول‌ها بسیار مختلف است ولی می‌توان گفت هر سلول از دو قسمت، هسته و سیتوپلاسم تشکیل شده است و اطراف سیتوپلاسم را غشایی فرا می‌گیرد. به شکل ۳-۲ که یک سلول جانوری و گیاهی را نشان می‌دهد توجه کنید.
غشای سیتوپلاسمی: همه سلول‌ها توسط غشای سیتوپلاسمی (پلاسمایی) احاطه می‌شوند. ا غشای سیتوپلاسمی از دو لایه لیپید و مولکول‌های درشت پروتئین که بطور پراکنده در آن قرار دارند، درست شده است.
غشای سیتوپلاسمی‌باعث شکل دادن به سلول می‌گردد و حفاظت از سیتوپلاسم را به عهده دارد. همچنین در ورود مواد بداخل و خروج مواد از سلول دخالت می‌نماید.
سلول‌ها برای زنده ماندن به موادی نظیر اکسیژن و غذا نیازمندند که به صورتهای مختلفی وارد سلول می‌شوند. این مواد چگونه از غشای سیتوپلاسمی عبور کرده و وارد سلول می‌شوند؟
راه‌های انتقال مواد از غشای سلول
ا- انتشار: انتشار عبارت است از پراکنده شدن مولکول‌های گاز یا مایع در یک محیط. این پدیده فیزیکی ویژه موجودات زنده نیست و در بسیاری از مشاهدات روزمره آن را می‌بینیم مانند انتشار مولکول‌های عطر در فضای اتاق و یا انتشار مولکول‌های قند در چای. انتشار ناشی از حرکت خود به خود مولکول‌هاست. گرچه در انتشار حرکت مولکول‌ها در همه جهات صورت می‌گیرد، ولی سرعت انتشار به تراکم ماده بستگی دارد.
شکل ۲- الف – اجزای تشکیل دهنده سلول جانوری
شکل ۲- ب – اجزای تشکیل دهنده سلول گیاهی
شکل ۳- انتشار
شکل ۴- مولکول‌ها به روش انتشار وارد سلول شده‌اند.
بنابراین همانگونه که در شکلهای بالا می‌بینید از محیط پرتراکم به محیط کم تراکم انتشار بیشتری صورت می‌گیرد و موجب یکسان شدن تراکم ماده در محیط می‌شود.
۲- انتقال فعال: اگر انتشار تنها روشی باشد که توسط آن مواد بتوانند وارد سلول شوند، کنترلی روی موادی که وارد سلول یا از آن خارج می‌شوند، نخواهد بود و بنابراین ماده‌ای که غلظت آن در بیرون سلول زیاد باشد، چه مضر و چه غیرمضر، به داخل سلول نفوذ می‌کند و یا موادی که سلول به آن‌ها نیاز دارد به محض بالا رفتن غلظت آن‌ها در داخل سلول به بیرون نفوذ خواهند کرد. ولی مشاهده می‌شود که در بعضی از حالتها، مواد برخلاف غلظت ذرات وارد سلول شده و یا از آن خارج می‌شوند. مانند یون سدیم که علی رغم غلظت زیاد آن در بیرون سلول عصب، از غشا عبور کرده و به خارج سلول می‌رود. این چنین انتقالی تحت اثر مکانیزمی‌بنام انتقال فعال صورت می‌گیرد.
در انتقال فعال مواد ممکن است در جهت انتشار و یا در خلاف جهت انتشار، از غشا عبور کند ولی برای انتقال آن‌ها یک ماده ناقل وجود دارد و این عمل با مصرف انرژی صورت می‌گیرد. بنابراین هر عملی که جلوی تنفس سلولی را بگیرد (مانند کمبود اکسیژن و یا گلوکز) از انجام انتقال فعال جلو گیری خواهد کرد. جهت انتقال فعال برای مواد مختلف متفاوت است (شکل ۵).
شکل ۵- مدل فرضی که انتقال فعال را توصیف می‌نماید.
۳- آندوسیتوز: ذرات جامد بزرگ یا قطرات مایع نمی‌توانند مانند اکسیژن یا مولکول‌های آب به راحتی از غشای سیتوپلاسمی عبور نموده و به داخل سلول نفوذ نمایند. بنابراین به طریق خاصی که بنام کلی «آندوسیتوز» معروف است وارد سلول می‌شوند.
قطرات مایعی که به داخل سلول برده می‌شوند، در یک حفره یا واکوئل گوارشی که از غشا حاصل می‌شود بسته بندی شده و به داخل سلول می‌روند. این پدیده را «پینوسیتوز» یا قطره خواری می‌گویند (شکل ۶).
شکل ۶- پینوسیتوز
مواد جامد هم به این ترتیب وارد سلول می‌شوند که در کنار آن قرار می‌گیرند و از غشای سیتوپلاسمی حفره‌ای بنام حفره گوارشی در اطراف ذرات تشکیل می‌شود و آن را به درون سیتوپلاسم می‌برد. به این عمل «فاگوسیتوز» یا ریزه خواری می‌گویند (شکل ۷). با عمل فاگوسیتوز گلبول‌های سفید خون میکروب‌ها را می‌خورند و از بین می‌برند.
شکل ۷- فاگوسیتوز در یک گلبول سفید
۴- اگزوسیتوز: خارج شدن مولکول‌ها و ذرات درشت مانند مواد ترشحی از سلول را «اگزوسیتوز» می‌گویند. اگزوسیتوز برعکس عمل آندوسیتوز است. به این ترتیب که ترشحات یا آنزیم‌های تولید شده، در کیسه‌های کوچکی بسته بندی می‌شوند و به طرف غشای سیتوپلاسمی‌می‌آیند و از سلول خارج می‌شوند. شکل ۸، اگزوسیتوز در یک سلول غده‌ای را نشان می‌دهد.
شکل ۸- اگزوسیتوز در یک سلول غده‌ای
۵- اسمز: اسمز نام ویژه‌ای برای توصیف نفوذ آب از میان غشا و از محلول رقیق به طرف محلول بسیار غلیظ است. در زیست‌شناسی معمولا به چگونگی نفوذ آب به داخل یا خارج سلول اسمز گفته می‌شود. اسمز نوع خاصی از انتشار است و در آن فقط مولکول‌های آب و حرکت آن‌ها مورد بحث قرار می‌گیرد.
شکل ۹، محلول غلیظ شده و محلول رقیق شکر را که توسط غشایی از هم جدا شده‌اند، نشان می‌دهد و همانگونه که می‌بینید مولکول‌های آب در حال عبور از غشا هستند.
شکل ۹- اثر اسمز
محلول رقیق نسبت به محلول غلیظ مقدار زیادتری مولکول آب دارد و در نتیجه این تفاوت غلظت، مولکول‌های آب از محلول رقیق به طرف محلول غلیظ می‌روند. سطح محلول غلیظ بالاتر رفته و فشار آن افزایش می‌یابد. غشایی که در محلول را از هم جدا می‌کند، غشای انتخابی و یا نیمه تراوا نامیده می‌شود. زیرا مولکول‌های آب آسانتر از مولکول‌های شکر از آن عبور می‌کنند. بنابراین: عبور مولکول‌های آب از یک غشای نیمه تراوا و از محلول رقیق به محلول غلیظ را «اسمز» می‌گویند.
اینک برای درک بهتر پدیده اسمز به توضیح بیشتری می‌پردازیم.
وقتی موادی مانند شکر در آب حل می‌شوند، مولکول‌های شکر باعث جذب مولکول‌های آب شده و به آن متصل می‌شوند. مولکول‌های آبی که به مولکول‌های شکر متصل می‌شوند دیگر آزادانه قادر به حرکت نیستند و در نتیجه تعداد مولکول‌های آزاد آب در محلول کاهش می‌یابد (شکل ۳-۱۰). در محلول غلیظ تعداد زیادی مولکول شکر وجود دارد که مولکول‌های زیادی از آب را جذب می‌کنند. به عبارت دیگر محلول بسیار غلیظ، تعداد کمتری مولکول‌های آزاد آب خواهد داشت. شکل ۳-۱۱، محلول رقیق شکر را که از محلول غلیظ آن توسط غشایی از هم جدا شده‌اند، نشان می‌دهد. غشا از مخلوط شدن دو محلول رقیق و غلیظ جلوگیری می‌کند، اما مولکول‌های آب و شکر قادرند به تنهایی از آن عبور کنند.
شکل ۱۰- اثر مواد حل شده روی غلظت آب
شکل ۱۱- پدیده اسمز
در سمت چپ عکس تعداد مولکول‌های آب نسبت به سمت راست زیادتر است و به همین دلیل مولکول‌های آب به سرعت از غشا عبور کرده و از سمت چپ به سمت راست حرکت می‌کنند. مولکول‌های شکر نیز اگرچه درشت هستند و آهسته تر از مولکول‌های آب حرکت می‌کنند، ولی از سمت راست (با غلظت بیشتر به سمت چپ (با غلظت کمتر) می‌روند. بنابراین مشاهده می‌گردد تعداد زیادی مولکول آب از یک محلول رقیق به طرف محلول غلیظ می‌روند. به غشایی که از مخلوط شدن دو محلول جلوگیری می‌کند و به مولکول‌هایی با اندازه مخصوص اجازه عبور می‌دهد «غشای نیمه تراوا و یا انتخابی» می‌گویند. غشای سیتوپلاسمی‌نیز مانند یک غشای نیمه تراوا نسبت به مولکول‌های آب و مواد حل شده در آن عمل می‌کند. در صورتی که سلول را در محیطی غلیظ تر از محیط داخلی آن قرار دهیم و مولکول‌های آب با عمل اسمز از آن خارج شوند سلول‌ها چروک می‌خورند. در سلول‌های گیاهی هم خروج آب از سلول باعث جمع شدن سیتوپلاسم و جدا شدن از دیواره اسکلتی سلول می‌شود، به این پدیده «پلاسمولیز» می‌گویند.
چنانچه مولکول‌های آب در داخل سلول بیشتر از بیرون آن تجمع یابند، این امر باعث متورم شدن سلول می‌شود. این پدیده را «تور ژسانس» می‌گویند.
سیتوپلاسم
سیتوپلاسم محلول شفاف و نسبتا غلیظی است که بین هسته و غشای سیتوپلاسمی قرار دارد. بیشتر اعمال شیمیایی سلول در داخل سیتوپلاسم انجام می‌گیرد. در ترکیب آن مواد آلی (بیشتر پروتئین و لیپید) و نمکهای کانی و مقدار زیادی آب وجود دارد.
همچنین اجزای مختلفی بنام «اندا مک» در سیتوپلاسم وجود دارند که هر یک کار مخصوصی را عهده دار هستند.
اندامکها
۱- میتوکندری: میتوکندریها اندامکهایی هستند که به شکل کشیده یا کروی در داخل سیتوپلاسم دیده می‌شوند. آن‌ها می‌توانند در داخل سلول جابجا شوند. اغلب در نقاطی که فعالیت‌های شیمیایی سریع در حال انجام و یا اکسیژن بیشتری وجود دارد، به تعداد زیادتری دیده می‌شوند.
میتوکندریها از یک غشای دو لایه پوشیده شده‌اند. غشای درونی دارای چین خوردگیهایی است که باعث افزایش سطح آن می‌گردد. روی غشای درونی، آنزیم‌های لازم برای تنفس سلولی وجود دارد و از شکستن مولکول‌های مواد غذایی (با حضور اکسیژن) در درون میتوکندریها، انرژی لازم برای اعمال حیاتی موجود زنده به دست می‌آید، بنابراین به میتوکندریها «نیروگاه سلول» می‌گویند. شکل ۱۲ یک میتوکندری و ساختمان درونی آن را نشان می‌دهد.
شکل ۱۲- میتوکندری
۲- اجسام گلژی: اجسام گلژی اجزای کیسه مانندی هستند که در کنار هسته قرار دارند. در سیتوپلاسم سلول وظیفه بسته بندی و ذخیره موادشیمیایی که باید از سلول خارج شوند به عهده اجسام گلژی است. در سلول‌هایی که بزاق دهان را می‌سازند، تعداد زیادی از این اندامکها وجود دارند. به نظر شما علت آن چیست؟
شکل ۱۳- اجسام گلژی
۳- لیزوزوم: کیسه‌های کوچکی که دارای آنزیم‌های گوارشی هستند «لیزوزوم» نامیده می‌شوند. محتویات این کیسه‌ها مولکول‌های درشت را می‌شکنند و بعضی از میکروب‌هایی را که وارد سلول می‌شوند، از بین می‌برند.
۴- واکوئل: بسیاری از سلول‌ها کیسه‌هایی انباشته از آب توأم با ذخیره مواد غذایی و املاح دارند که به آن‌ها «واکوئل» می‌گویند. مواد زاید نیز تا زمانی که سلول آن‌ها را دفع کند، در واکوئلها باقی می‌مانند. در بسیاری از سلول‌های گیاهی واکوئلها فضای زیادی را در داخل سلول اشغال می‌کنند. مایع درون واکوئلها به شادابی و استواری گیاهان کمک می‌کنند.
۵- سانتریول: در سلول‌های جانوری و بعضی از سلول‌های گیاهی در نزدیکی هسته دو لوله کوچک عمود بر هم دیده می‌شوند که آن‌ها را «سانتریول» می‌نامند. هر سانتریول به شکل دو استوانه است که جدار هریک از آن‌ها از ۹ دسته ۳تایی لوله‌های نازک (میکروتوبول) ساخته شده و کار اصلی سانتریولها دخالت در تقسیم سلولی است.
۶- شبکه‌اندوپلاسمی: در سیتوپلاسم بیشتر سلول‌ها مجاری نوار مانندی بین غشای هسته و غشای سیتوپلاسمی‌دیده می‌شود، که به آن‌ها «شبکه‌اندوپلاسمی» می‌گویند. شکل شبکه‌های آندوپلاسمی ثابت نبوده و تغییر می‌کنند. روی غشایی که سطح این شبکه را می‌پوشاند، واکنش‌های شیمیایی انجام می‌گیرد. شبکه‌اندوپلاسمی‌به حرکت سریع مواد در داخل سلول کمک می‌کند. همچنین غشای هسته و غشای سیتوپلاسمی‌را به هم مرتبط می‌سازد.
شکل ۱۴، شبکه‌اندوپلاسمی و ریبوزومها را نشان می‌دهد.
۷- ریبوزوم: روی غشای بعضی از شبکه‌های آندوپلاسمی یا به طور پراکنده در داخل سیتوپلاسم اندامکهایی بنام «ریبوزوم» وجود دارد. ریبوزومها محل ساخته شدن پروتئین در داخل سلول می‌باشند و از اندامکهای دائمی‌سیتوپلاسم هستند. در سلول‌های سرطانی تعداد ریبوزومها افزایش می‌یابد، علت چیست؟
شکل ۱۴- ریبوزوم
۸- پلاستید: در سلول‌های گیاهی اندامکهایی بنام پلاستید وجود دارد که در سلول‌های جانوری دیده نمی‌شوند. اگر این اندامکها محتوی کلروفیل باشند به آن‌ها «کلروپلاست» می‌گویند.
کلروپلاستها بخاطر داشتن ماده‌ای بنام کلروفیل می‌توانند انرژی نوری را جذب و به کمک آن غذاسازی کنند. رنگ کلروفیل سبز است و سبز بودن رنگ گیاهان به آن بستگی دارد (در فصل چهارم عمل غذاسازی توسط کلروپلاست به تفصیل بیان خواهد شد). پلاستیدهای بدون رنگ ممکن است حاوی نشاسته باشند، به آن‌ها آمیلو پلاست می‌گویند.
دیواره سلولی (غشای اسکلتی)
سلول‌های گیاهان و جلبکها علاوه بر غشای سیتوپلاسمی‌پوشش ضخیمی‌بنام «دیواره سلولی» دارند. این دیواره در سلول‌های جانوری وجود ندارد. دیواره سلولی باعث محافظت و نگهداری سلول گردیده و اغلب پس از مرگ و از بین رفتن سایر قسمتهای سلول باقی می‌مانند. قسمت اصلی این دیواره از جنس سلولز است و در بعضی از آن‌ها چوب و چوب پنبه نیز تشکیل می‌شود.
هسته: اغلب سلول‌ها معمولا دارای یک هسته در درون سیتوپلاسم می‌باشند. به این نوع سلول‌ها که دارای هسته مشخص هستند «یوکاریوت» می‌گویند. در سلول بعضی از موجودات زنده مانند باکتری‌ها و جلبکهای سبز – آبی هسته مشخص وجود ندارد و مواد هسته ای، درون سیتوپلاسم می‌باشد ؛ به چنین سلولی «پروکاریوت» می‌گویند.
وقتی سلولی را برای مشاهده کردن با میکروسکوپ رنگ آمیزی می‌کنیم، هسته را به دلیل خاصیت رنگ پذیری زیاد آن تیره تر از سیتوپلاسم می‌بینیم. کنترل نوع و مقدار آنزیم‌هایی که توسط سیتوپلاسم سلول تولید می‌شوند به عهده هسته می‌باشد. هسته مشخص‌کننده نوع تغییراتی است که در یک سلول جنینی بوجود می‌آید و آن را به سلول‌های تخصص یافته مانند سلول خونی، کبد، عضلانی و یا یک سلول عصبی تبدیل می‌کند.
هسته، تقسیم سلول را نیز کنترل می‌کند و سلول بدون هسته نمی‌تواند تقسیم شود. در داخل هسته سلول «رشته‌های طویلی» بنام «شبکه کروماتین» وجود دارد که در زمان تقسیم سلولی ضخیم می‌شوند و کروموزوم را بوجود می‌آورند، به طوری که می‌توان آن‌ها را با میکروسکوپ نوری مشاهده کرد. در داخل هسته جسم کوچکتری بنام «هستک» دیده می‌شود. هستک ساختن ریبوزوم را به عهده دارد. بعضی از سلول‌ها بیش از یک هستک دارند. علاوه بر اینها محلول غلیظ و شفافی در درون هسته وجود دارد بنام «شیره هسته» و اطراف هسته را یک غشای دو لایه فرا می‌گیرد که به آن غشای هسته می‌گویند. منافذی روی غشای هسته دیده می‌شود. از این منافذ مواد به داخل و یا به بیرون هسته انتقال می‌یابند.
پرسش‌ها
۱- دو اندامک از سلول‌های گیاهی را که در سلول‌های جانوری وجود ندارند نام برید.
۲- چرا به میتوکندری «نیروگاه» می‌گویند؟
۳- رابطه احساس بو و پدیده انتشار را توضیح دهید.
۴- مولکول‌های مختلف چگونه از غشا عبور می‌کنند؟
۵- نظریه سلولی چیست؟ اصول این نظریه را نام ببرید.
۶- وظیفه مهم شبکه‌اندوپلاسمی و ریبوزوم در سلول را توضیح دهید.
۷- سلول‌های با هسته و بدون هسته مشخص را چه می‌نامند؟ مثال بزنید.
۸- آنچه که رابرت هوک در زیر میکروسکوپ مشاهده نمود کدام یک از قسمتهایی است که شما مطالعه کردید؟
