Κυτταροσκελετός: Ορισμός, δομή και λειτουργία (με διάγραμμα)

Περιεχόμενο

• Γιατί τα κύτταρα χρειάζονται έναν κυτταροσκελετό;
• Οφέλη κυτταροσκελετού για κύτταρα
• Τι συστατικά συνθέτουν τον κυτταροσκελετό
• Το μέγεθος μετράει
• Ο ρόλος των μικροσωληναρίων στον κυτταροσκελετό
• Μικροσωληνίσκοι και κίνηση μέσα στο κύτταρο
• Μικροσωληνίσκοι και κυτταρική κίνηση
• Ο ρόλος των ενδιάμεσων νημάτων στον κυτταροσκελετό
• Ενδιάμεσες νήματα και αγκύρωση με οργανίδια
• Ο ρόλος των μικροϊνών στον κυτταροσκελετό
• Προβολές μικροϊνών

Πιθανότατα γνωρίζετε ήδη το ρόλο που παίζει ο σκελετός σας στη ζωή σας. δίνει τη δομή του σώματός σας και σας βοηθά να κινηθείτε.

Χωρίς αυτό, θα ήσασταν περισσότερο σαν ανθρώπινη σκουλήκι από ένα κινούμενο, λειτουργικό άτομο. Όπως υποδηλώνει και το όνομά του, ο κυτταροσκελετός εξυπηρετεί έναν πολύ παρόμοιο σκοπό σε προκαρυωτικά και ευκαρυωτικά κύτταρα.

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ τι κάνει τα κύτταρα να φαίνονται γύρω και τα κρατά από την κατάρρευση τους σε γλοιώδεις σφαίρες; Ή πώς τα πολλά οργανίδια μέσα στο κύτταρο οργανώνονται και κινούνται μέσα στο κελί, ή πώς το ίδιο το κελί ταξιδεύει; Τα κύτταρα βασίζονται σε κυτταρόσκελο για όλες αυτές τις λειτουργίες.

Η σημαντική δομική μονάδα του κυτταροσκελετού είναι πραγματικά ένα δίκτυο πρωτεϊνικών ινών στο κυτταρόπλασμα που δίνει στο κύτταρο το σχήμα του και του δίνει τη δυνατότητα να εκτελεί σημαντικές λειτουργίες, όπως η κυτταρική κίνηση.

Διαβάστε περισσότερα για τα άλλα organelles και λειτουργίες των κυττάρων.

Γιατί τα κύτταρα χρειάζονται έναν κυτταροσκελετό;

Ενώ κάποιοι άνθρωποι μπορεί να φανταστούν τα κύτταρα ως αδόμητα, τα ισχυρά μικροσκόπια που χρησιμοποιούνται στην κυτταρική βιολογία αποκαλύπτουν ότι τα κύτταρα είναι πολύ οργανωμένα.

Ένα βασικό στοιχείο είναι ζωτικής σημασίας για τη διατήρηση αυτού του σχήματος και επιπέδου οργάνωσης: κυτταροσκελετού του κυττάρου. Τα νήματα πρωτεΐνης που αποτελούν το κυτταροσκελετό σχηματίζουν ένα δίκτυο ινών μέσω του κυττάρου.

Το δίκτυο αυτό παρέχει δομική υποστήριξη στη μεμβράνη του πλάσματος, βοηθά στη σταθεροποίηση των οργανιδίων στις κατάλληλες θέσεις τους και επιτρέπει στο κύτταρο να ανακατέυει τα περιεχόμενά του όσο χρειάζεται. Για ορισμένους κυτταρικούς τύπους, ο κυτταροσκελετός καθιστά ακόμη δυνατό το κύτταρο να κινείται και να ταξιδεύει χρησιμοποιώντας εξειδικευμένες δομές.

Αυτά σχηματίζονται από τα νήματα πρωτεΐνης όταν απαιτείται για μετακίνηση κυττάρων.

Η υπηρεσία που παρέχει ο κυτταροσκελετός για τη διαμόρφωση του κυττάρου έχει πολύ νόημα. Όπως το ανθρώπινο σκελετό, το δίκτυο πρωτεϊνών του κυτταροσκελετού δημιουργεί δομική υποστήριξη που είναι ζωτικής σημασίας για τη διατήρηση της ακεραιότητας του κυττάρου και για την αποτροπή της κατάρρευσης των γειτόνων του.

Για τα κύτταρα με πολύ υγρές μεμβράνες, το δίκτυο πρωτεϊνών που συνθέτουν τον κυτταροσκελετό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τη διατήρηση των κυτταρικών περιεχομένων μέσα στο κύτταρο.

Αυτό ονομάζεται ακεραιότητα της μεμβράνης.

Οφέλη κυτταροσκελετού για κύτταρα

Ορισμένα εξειδικευμένα κύτταρα βασίζονται επίσης στον κυτταροσκελετό για δομική υποστήριξη.

Για αυτά τα κύτταρα, η διατήρηση του μοναδικού σχήματος του κυττάρου καθιστά δυνατή τη σωστή λειτουργία του κυττάρου. Αυτά περιλαμβάνουν νευρώνες, ή εγκεφαλικά κύτταρα, τα οποία έχουν στρογγυλά κυτταρικά σώματα, βραχίονες βραχίονες που ονομάζονται δενδρίτες και τεντωμένες ουρές.

Αυτό το χαρακτηριστικό σχήμα κυττάρων επιτρέπει στους νευρώνες να εντοπίζουν τα σήματα χρησιμοποιώντας τους βραχίονες του δενδριτη και να περάσουν αυτά τα σήματα μέσω των ουρών του νευρικού τους άξονα και στους ανυψωμένους δενδριτών ενός γειτονικού εγκεφαλικού κυττάρου. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο τα εγκεφαλικά κύτταρα επικοινωνούν μεταξύ τους.

Έχει επίσης νόημα ότι τα κύτταρα επωφελούνται από την οργάνωση που τους δίνει τα κυτταροσκελετά δίκτυα ινών πρωτεϊνών. Υπάρχουν πάνω από 200 τύποι κυττάρων στο ανθρώπινο σώμα και ένα μεγάλο σύνολο περίπου 30 τρισεκατομμυρίων κυττάρων σε κάθε άνθρωπο στον πλανήτη.

Τα οργανίδια σε όλα αυτά τα κύτταρα πρέπει να εκτελούν μια ευρεία ποικιλία κυττάρων, όπως η οικοδόμηση και η διάσπαση βιομορίων, η απελευθέρωση ενέργειας για το σώμα να χρησιμοποιήσει και η πραγματοποίηση πλήθους χημικών αντιδράσεων που καθιστούν δυνατή τη ζωή.

Για να λειτουργούν αυτές οι λειτουργίες σε ένα ολόκληρο επίπεδο οργανισμού, κάθε κύτταρο χρειάζεται μια παρόμοια δομή και τρόπο να κάνει τα πράγματα.

Τι συστατικά συνθέτουν τον κυτταροσκελετό

Για να εκτελέσει αυτούς τους σημαντικούς ρόλους, ο κυτταροσκελετός βασίζεται σε τρεις ξεχωριστούς τύπους νηματίων:

Αυτές οι ίνες είναι όλες τόσο απείρως μικρές ώστε είναι εντελώς αόρατες με γυμνό μάτι. Οι επιστήμονες τις ανακάλυψαν μόνο μετά την εφεύρεση του ηλεκτρονικό μικροσκόπιο έφερε στο εσωτερικό του το κύτταρο.

Για να δείτε πόσο μικρές είναι αυτές οι πρωτεϊνικές ίνες, είναι χρήσιμο να κατανοήσετε την έννοια του νανομέτρου, που μερικές φορές γράφεται ως nm. Τα νανομερή είναι μονάδες μέτρησης ακριβώς όπως μια ίντσα είναι μια μονάδα μέτρησης.

Μπορεί να έχετε μαντέψει από τη ριζική λέξη μετρητής ότι η μονάδα νανομέτρου ανήκει στο μετρικό σύστημα, ακριβώς όπως το κάνει ένα εκατοστό.

Το μέγεθος μετράει

Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν νανομετρικά για να μετρήσουν εξαιρετικά μικρά πράγματα, όπως άτομα και φως κύματα.

Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ένα νανομέτρο ισούται με ένα δισεκατομμύριο ενός μέτρου. Αυτό σημαίνει ότι εάν πήρατε ένα ραβδί μέτρησης μέτρησης, το οποίο έχει μήκος περίπου 3 πόδια όταν μετατραπεί στο αμερικανικό σύστημα μέτρησης και το σπάσει σε ένα δισεκατομμύριο ίσα κομμάτια, ένα μόνο κομμάτι θα ισούται με ένα νανόμετρο.

Τώρα φανταστείτε ότι θα μπορούσατε να κόψετε τα νημάτια πρωτεϊνών που συνθέτουν τον κυτταροσκελετό του κυττάρου και να μετρήσετε το διάμετρος πέρα από το κομμένο πρόσωπο.

Κάθε ίνα θα μετράει μεταξύ 3 και 25 νανομέτρων σε διάμετρο, ανάλογα με τον τύπο του νηματίου. Για con, μια ανθρώπινη τρίχα έχει διάμετρο 75.000 νανόμετρα. Όπως μπορείτε να δείτε, τα νήματα που αποτελούν τον κυτοσκέττανο είναι απίστευτα μικρά.

Μικροσωληνίσκοι είναι η μεγαλύτερη από τις τρεις ίνες του κυτταροσκελετού, που κυμαίνονται στα 20 έως 25 νανόμετρα σε διάμετρο. Ενδιάμεσα νημάτια είναι οι κυτταροσκελετοί μεσαίου μεγέθους ίνες και έχουν διάμετρο περίπου 10 νανόμετρα.

Τα μικρότερα νημάτια πρωτεΐνης που βρίσκονται στον κυτταροσκελετό είναι μικροϊνών. Αυτές οι ίνες που μοιάζουν με νήμα έχουν διάμετρο μόλις 3 έως 6 νανόμετρα.

Σε πραγματικούς όρους, είναι περίπου 25.000 φορές μικρότερη από τη διάμετρο μιας μέσης ανθρώπινης τρίχας.

••• Sciencing

Ο ρόλος των μικροσωληναρίων στον κυτταροσκελετό

Οι μικροσωληνίσκοι παίρνουν το όνομά τους τόσο από τη γενική τους μορφή όσο και από τον τύπο πρωτεΐνης που περιέχουν. Είναι σωληνοειδείς και σχηματίζονται από επαναλαμβανόμενες μονάδες αλφα- και βήτα-τουβουλίνης πρωτεΐνη πολυμερή που συνδέονται μεταξύ τους.

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με την κύρια λειτουργία των μικροσωληνίσκων στα κύτταρα.

Αν έπρεπε να δείτε τα νημάτια μικροσωληνίσκων κάτω από ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, θα έμοιαζαν με αλυσίδες μικρών πρωτεϊνών στριμωγμένες μαζί σε ένα σφιχτό σπειροειδές πλέγμα.

Κάθε πρωτεϊνική μονάδα δεσμεύεται με όλες τις μονάδες γύρω της, δημιουργώντας μια πολύ ισχυρή, πολύ άκαμπτη δομή. Στην πραγματικότητα, οι μικροσωληνίσκοι είναι το πιο άκαμπτο δομικό συστατικό που μπορείτε να βρείτε σε ζωικά κύτταρα, τα οποία δεν έχουν κυτταρικούς τοίχους όπως τα φυτικά κύτταρα.

Αλλά οι μικροσωληνίσκοι δεν είναι μόνο άκαμπτοι. Αντέχουν επίσης τις δυνάμεις συμπίεσης και συστροφής. Αυτή η ποιότητα αυξάνει την ικανότητα του μικροσωληνίσκου να διατηρεί το σχήμα και την ακεραιότητα των κυττάρων, ακόμη και υπό πίεση.

Οι μικροσωληνίσκοι δίνουν επίσης το κύτταρο πόλωση, που σημαίνει ότι το κελί έχει δύο μοναδικές πλευρές ή πόλους. Αυτή η πολικότητα είναι μέρος αυτού που καθιστά δυνατό για το κύτταρο να οργανώνει τα συστατικά του, όπως οργανίδια και άλλα τμήματα του κυτταροσκελετού, επειδή δίνει στο κύτταρο έναν τρόπο να προσανατολίσει αυτά τα συστατικά σε σχέση με τους πόλους.

Μικροσωληνίσκοι και κίνηση μέσα στο κύτταρο

Οι μικροσωληνίσκοι υποστηρίζουν επίσης την κίνηση των κυτταρικών περιεχομένων μέσα στο κύτταρο.

Τα νημάτια των μικροσωληνίσκων σχηματίζουν διαδρομές, οι οποίες λειτουργούν σαν σιδηροδρομικές διαδρομές ή αυτοκινητόδρομοι στο κελί. Μεταφορείς φυσαλίδων ακολουθήστε αυτά τα κομμάτια για να μετακινήσετε το φορτίο κυττάρων γύρω στο κυτταρόπλασμα. Αυτά τα κομμάτια είναι ζωτικής σημασίας για την αφαίρεση ανεπιθύμητων περιεχομένων κυττάρων, όπως εσφαλμένες πρωτεΐνες, παλαιά ή σπασμένα οργανίδια και εισβολείς παθογόνων, όπως βακτήρια και ιούς.

Οι μεταφορείς φυσαλίδων ακολουθούν απλά τη σωστή διαδρομή μικροσωληνίσκων για να μεταφέρουν αυτό το φορτίο στο κέντρο ανακύκλωσης του κυττάρου, το λυσοσώματος. Εκεί, το λυσοσόμο σώζει και επαναχρησιμοποιεί μερικά μέρη και υποβαθμίζει άλλα μέρη.

Το σύστημα τροχιάς βοηθάει επίσης την κυτταρική κίνηση νεοαποκτηθέντων βιομορίων, όπως πρωτεϊνών και λιπιδίων, από τις οργανικές κατασκευές και από τις θέσεις που το κύτταρο χρειάζεται τα μόρια.

Για παράδειγμα, οι μεταφορείς κυστιδίων χρησιμοποιούν διαδρομές μικροσωληνίσκων για να μεταφέρουν πρωτεΐνες κυτταρικής μεμβράνης από τα οργανίδια στην κυτταρική μεμβράνη.

Μικροσωληνίσκοι και κυτταρική κίνηση

Μόνο μερικά κύτταρα μπορούν να χρησιμοποιήσουν μετακίνηση κυττάρων να ταξιδεύουν και εκείνα που βασίζονται γενικά σε εξειδικευμένες κινητές κατασκευές κατασκευασμένες από ίνες μικροσωληνίσκων.

Το κύτταρο σπερματοζωαρίων είναι ίσως ο ευκολότερος τρόπος για να απεικονίσετε αυτά τα μετακινούμενα κύτταρα.

Όπως γνωρίζετε, τα κύτταρα σπερματοζωαρίων μοιάζουν κάπως με μανταλάκια με μεγάλες ουρές ή flagella, τα οποία μαστίζουν για να κολυμπήσουν στον προορισμό τους και να γονιμοποιήσουν ένα κύτταρο αυγών. Η ουρά σπέρματος είναι κατασκευασμένη από τουμπουλίνη και είναι ένα παράδειγμα ενός νήματος μικροσωληνίσκων που χρησιμοποιείται για μετακίνηση κυττάρων.

Μια άλλη γνωστή κινητική δομή παίζει επίσης ρόλο στην αναπαραγωγή είναι η βλεφαρίδες. Αυτές οι κινούμενες με τρίχες δομές ευθυγραμμίζουν τους σάλπιγγες και χρησιμοποιούν μια κυματοειδή κίνηση για να μετακινήσουν το αυγό μέσα από τον σαλπιγγικό σωλήνα και μέσα στη μήτρα. Αυτές οι σπείρες είναι ίνες μικροσωληνίσκων.

Ο ρόλος των ενδιάμεσων νημάτων στον κυτταροσκελετό

Τα ενδιάμεσα νημάτια είναι ο δεύτερος τύπος ινών που βρίσκονται στον κυτταροσκελετό. Μπορείτε να τις απεικονίσετε ως τον πραγματικό σκελετό του κυττάρου, αφού ο μόνος ρόλος τους είναι η δομική υποστήριξη. Αυτές οι πρωτεϊνικές ίνες περιέχουν κερατίνη, η οποία είναι μια κοινή πρωτεΐνη που μπορείτε να αναγνωρίσετε από τα προϊόντα περιποίησης σώματος.

Αυτή η πρωτεΐνη αποτελεί ανθρώπινη τρίχα και νύχια καθώς και το ανώτερο στρώμα του δέρματος. Είναι επίσης η πρωτεΐνη που σχηματίζει κέρατα, νύχια και οπλές άλλων ζώων. Η κερατίνη είναι πολύ ισχυρή και χρήσιμη για την προστασία από τις ζημιές.

Ο κύριος ρόλος των ενδιάμεσων νηματίων είναι ο σχηματισμός της μήτρας των δομικών πρωτεϊνών στο πλαίσιο του κυτταρική μεμβράνη. Αυτό είναι σαν ένα υποστηρικτικό πλέγμα που δίνει δομή και σχήμα στο κελί. Επίσης, προσδίδει κάποια ελαστικότητα στο κελί, επιτρέποντάς του να ανταποκρίνεται με ευελιξία υπό την πίεση.

Ενδιάμεσες νήματα και αγκύρωση με οργανίδια

Μια από τις σημαντικές εργασίες που εκτελούνται από ενδιάμεσα νήματα είναι να βοηθήσουν να κρατηθούν τα οργανίδια στα σωστά σημεία μέσα στο κελί. Για παράδειγμα, τα ενδιάμεσα νημάτια αγκυρώνουν τον πυρήνα στην κατάλληλη θέση του μέσα στο κύτταρο.

Αυτή η αγκύρωση είναι ζωτικής σημασίας για τις κυτταρικές διεργασίες επειδή τα διάφορα οργανίδια μέσα σε ένα κύτταρο πρέπει να συνεργάζονται για να εκτελέσουν αυτές τις κυτταρικές λειτουργίες. Στην περίπτωση του πυρήναςη προσκόλληση αυτού του σημαντικού οργανέλαιου στη μήτρα του κυτταροσκελετού σημαίνει ότι τα οργανίδια που βασίζονται στις οδηγίες DNA από τον πυρήνα για να κάνουν τις δουλειές τους μπορούν εύκολα να έχουν πρόσβαση σε αυτές τις πληροφορίες χρησιμοποιώντας αγγελιαφόρους και μεταφορείς.

Αυτή η σημαντική δουλειά θα μπορούσε να είναι αδύνατη αν ο πυρήνας δεν ήταν αγκυροβολημένος επειδή αυτοί οι αγγελιοφόροι και οι μεταφορείς θα έπρεπε να ταξιδεύουν γύρω από την αναζήτηση μέσα από το κυτταρόπλασμα για έναν περιπλανώμενο πυρήνα!

Ο ρόλος των μικροϊνών στον κυτταροσκελετό

Microfilaments, που ονομάζεται επίσης ακτινικά νημάτια, είναι αλυσίδες πρωτεϊνών ακτίνης στριμωγμένες σε σπειροειδή ράβδο. Αυτή η πρωτεΐνη είναι καλύτερα γνωστή για το ρόλο της στα μυϊκά κύτταρα. Εκεί, συνεργάζονται με μια άλλη πρωτεΐνη που ονομάζεται μυοσίνη για να επιτρέψει τη συστολή μυών.

Όταν πρόκειται για τον κυτταροσκελετό, τα μικροϊντίδια δεν είναι μόνο οι μικρότερες ίνες. Είναι επίσης η πιο δυναμική. Όπως όλες οι ίνες κυτταροσκελετού, τα μικροϊντίδια δίνουν το δομικό στήριγμα των κυττάρων. Λόγω των μοναδικών χαρακτηριστικών τους, τα μικροφίσματα τείνουν να εμφανίζονται στα άκρα του κυττάρου.

Η δυναμική φύση των ινών ακτίνης σημαίνει ότι αυτές οι πρωτεϊνικές ίνες μπορούν να αλλάξουν τα μήκη τους γρήγορα για να ικανοποιήσουν τις μεταβαλλόμενες δομικές ανάγκες του κυττάρου. Αυτό επιτρέπει στην κυψέλη να αλλάξει το σχήμα ή το μέγεθος ή ακόμα και τη μορφή της ειδικές προβολές που εκτείνονται εκτός του κυττάρου, όπως π.χ. filopodia, lamellipodia και microvilli.

Προβολές μικροϊνών

Μπορείς να φανταστείς filopodia ως αισθητήρες ότι ένα κύτταρο σχεδιάζει να αντιληφθεί το περιβάλλον γύρω από αυτό, να πάρει χημικές ενδείξεις και ακόμη και να αλλάξει την κατεύθυνση του κυττάρου, εάν κινούνται. Οι επιστήμονες καλούν επίσης μερικές φορές filopodia μικροσκοπικά.

Η Filopodia μπορεί να αποτελέσει μέρος ενός άλλου τύπου ειδικής προβολής, lamellipodia. Αυτή είναι μια δομή με πόδια που βοηθάει την κυτταρική κίνηση και το ταξίδι.

Microvilli είναι σαν μικροσκοπικές τρίχες ή δάχτυλα που χρησιμοποιούνται από το κελί κατά τη διάχυση. Το σχήμα αυτών των προεξοχών αυξάνει την επιφάνεια έτσι ώστε να υπάρχει περισσότερος χώρος για να κινηθούν τα μόρια κατά μήκος της μεμβράνης μέσω διαδικασιών όπως η απορρόφηση.

Αυτά τα δάχτυλα εκτελούν επίσης μια συναρπαστική λειτουργία που ονομάζεται ροή κυτταροπλάσματος.

Αυτό συμβαίνει όταν τα νήματα της ακτίνης χτενίζουν το κυτταρόπλασμα για να το διατηρήσουν. Η ροή του κυτταροπλάσματος αυξάνεται διάχυση και βοηθάει να κινηθούν τα επιθυμητά υλικά, όπως τα θρεπτικά συστατικά, και τα ανεπιθύμητα υλικά, όπως τα απόβλητα και τα κυτταρικά συντρίμμια, γύρω από το κελί.