Κυτόπλασμα:Δομή, Λειτουργία &Ρόλος στη Ζωή των Κυττάρων

Τα κύτταρα μοιράζονται ορισμένα κοινά χαρακτηριστικά που καθορίζουν τη βασική δομή και λειτουργία τους. Ένα από αυτά τα θεμελιώδη συστατικά είναι το κυτταρόπλασμα. Αν και συχνά περιγράφεται απλώς ως το εσωτερικό του κυττάρου που μοιάζει με γέλη, το κυτταρόπλασμα είναι πολύ περισσότερο από ένα παθητικό πληρωτικό. Είναι μια δυναμική, ημι-ρευστή μήτρα γεμάτη οργανίδια, δομικά νημάτια και διαλυμένα μόρια που μαζί διατηρούν την κυτταρική ακεραιότητα, διευκολύνουν τις βιοχημικές αντιδράσεις και επιτρέπουν τις κυτταρικές κινήσεις.

Κυττάρο:Βασικά σημεία

• Όλα τα κύτταρα (τόσο τα προκαρυωτικά όσο και τα ευκαρυωτικά) περιέχουν κυτταρόπλασμα.
• Το κυτταρόπλασμα περιλαμβάνει οτιδήποτε περικλείεται μέσα στην κυτταρική μεμβράνη εκτός από τον πυρήνα. Περιλαμβάνει κυτταρόπλασμα, οργανίδια, κυτταροσκελετό και διάφορα εγκλείσματα.
• Το κυτταρόπλασμα είναι ένα δυναμικό σύστημα κολλοειδούς πηκτής, όχι απλώς ένα στατικό «πληρωτικό».
• Οι κύριες μεταβολικές οδοί, η κατανομή των θρεπτικών συστατικών και οι ενδοκυτταρικές κινήσεις εξαρτώνται από τη δομή και τη σύνθεση του κυτταροπλάσματος.
• Οι αλλαγές στην κυτταροπλασματική δομή εμπλέκονται στην κυτταρική διαίρεση, τις αλλαγές σχήματος και την κίνηση.

Ορισμός και θέση κυτταροπλάσματος

Το κυτταρόπλασμα είναι η περιοχή ενός κυττάρου που βρίσκεται μεταξύ της κυτταρικής μεμβράνης (πλασματική μεμβράνη) και του πυρήνα των ευκαρυωτικών κυττάρων. Στα προκαρυωτικά κύτταρα, τα οποία δεν διαθέτουν πυρήνα και άλλα οργανίδια που συνδέονται με τη μεμβράνη, το κυτταρόπλασμα περιλαμβάνει ουσιαστικά τα πάντα μέσα στην πλασματική μεμβράνη.

Το κυτταρόπλασμα περιλαμβάνει το κυτταρόπλασμα (η υγρή φάση), τον κυτταροσκελετό (πρωτεϊνικά νήματα που παρέχουν υποστήριξη και σχήμα), τα οργανίδια ή τις κυτταρικές δομές που αιωρούνται μέσα του και αδιάλυτα σωματίδια που ονομάζονται εγκλείσματα. Το κυτταρόπλασμα είναι η πυκνή, πλούσια σε θρεπτικά συστατικά μήτρα που περιβάλλει το γενετικό υλικό και στεγάζει τα ριβοσώματα, διάφορα ένζυμα και άλλα συστατικά απαραίτητα για τη ζωή.

Ιστορία και προέλευση λέξης

Η έννοια του κυτταροπλάσματος εμφανίστηκε καθώς οι επιστήμονες άρχισαν να εξετάζουν κύτταρα κάτω από μικροσκόπια φωτός τον 17ο και 18ο αιώνα. Οι βιολόγοι των πρώιμων κυττάρων παρατήρησαν μια «κυτταρική ουσία» διαφορετική από τον πυρήνα, αλλά δεν κατάλαβαν την πολυπλοκότητά της. Ο Ελβετός επιστήμονας Rudolf von Kölliker εισήγαγε τον όρο «κυτταρόπλασμα» το 1863. Ο όρος προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις kytos , που σημαίνει "κούφιο αγγείο" ή "κύτταρο" και πλάσμα , που σημαίνει «σχηματισμένη ή καλουπωμένη ουσία». Στα τέλη του 19ου αιώνα, ερευνητές όπως ο Eduard Strasburger και άλλοι βοήθησαν να τελειοποιηθεί ο ορισμός και να διακριθεί από τον πυρήνα. Τον 20ο αιώνα, η ηλεκτρονική μικροσκοπία αποκάλυψε το περίπλοκο δίκτυο νηματίων, οργανιδίων και μοριακών μηχανών που περιέχει.

Κυτταρόλυμα έναντι κυτταροπλάσματος

Μερικές φορές οι όροι κυτοσόλιο και κυτταρόπλασμα χρησιμοποιούνται εναλλακτικά (ειδικά σε παλαιότερα ή εισαγωγικά κείμενα). Ωστόσο, η σύγχρονη κυτταρική βιολογία διακρίνει μεταξύ τους. Το κυτταρόπλασμα περιλαμβάνει όλα τα εσωτερικά συστατικά του κυττάρου εκτός του πυρήνα, δηλαδή το κυτταρόπλασμα, τα οργανίδια και τα κυτταροσκελετικά στοιχεία. Αντίθετα, τοκυτταρόλυμα αναφέρεται αυστηρά στο ημι-ρευστό, υδατικό διάλυμα στο οποίο αιωρούνται αυτά τα οργανίδια και οι δομές. Το κυτταρόπλασμα είναι ουσιαστικά το «διαλυτό» τμήμα του κυτταροπλάσματος, χωρίς οργανίδια και μεγάλα δομικά συγκροτήματα.

Φυσική φύση του κυτταροπλάσματος

Μακριά από ένα απλό στατικό υγρό, το κυτταρόπλασμα περιγράφεται καλύτερα ως μια δυναμική μήτρα «sol-gel». Αυτός ο όρος αναφέρεται στην ικανότητά του να μετατοπίζεται μεταξύ περισσότερων ρευστών (sol) και πιο παχύρρευστων (gel) καταστάσεων ανάλογα με τις κυτταρικές συνθήκες. Το κυτταρόπλασμα δεν είναι ούτε καθαρό υγρό ούτε στερεό. Αντίθετα, συμπεριφέρεται σαν μαλακό, ιξωδοελαστικό υλικό ή ακόμα και σαν ποτήρι. Περιέχει υψηλή συγκέντρωση πρωτεϊνών, αλάτων και άλλων μορίων διαλυμένων στο νερό. Αλλάζει τη ρευστότητά του καθώς αλλάζουν οι ανάγκες του κυττάρου. Για παράδειγμα, περιοχές του κυτταροπλάσματος γίνονται πιο πηκτωματώδεις για να σταθεροποιήσουν τα οργανίδια ή περισσότερο υγρό για να επιτρέψουν στα κυστίδια και σε άλλα συστατικά να κινούνται ελεύθερα. Αυτή η δυναμική φυσική κατάσταση που ανταποκρίνεται είναι ζωτικής σημασίας για διαδικασίες όπως η κυτταρική διαίρεση, η ενδοκυτταρική μεταφορά και οι αλλαγές σχήματος.

Συστατικά του κυτταροπλάσματος

Το κυτταρόπλασμα περιλαμβάνει το κυτταρόπλασμα, τα οργανίδια (ευκαρυώτες) ή ανάλογες δομές (προκαρυώτες), τα ριβοσώματα, τον κυτταροσκελετό και τα εγκλείσματα:

• Κυτταρόλυμα :
  • Σύνθετο υδατικό διάλυμα νερού, ιόντων, μικρών μορίων (σάκχαρα, αμινοξέα, νουκλεοτίδια) και μεγάλων μακρομορίων (πρωτεΐνες, ένζυμα).
  • Το κυτοσόλιο είναι η κύρια θέση πολλών μεταβολικών οδών, συμπεριλαμβανομένης της γλυκόλυσης και τμημάτων βιοσυνθετικών διεργασιών.
• Οργανέλια (σε Ευκαρυώτες) :
  • Μιτοχόνδρια :Τοποθεσίες κυτταρικής αναπνοής και παραγωγής ενέργειας (ATP).
  
  
  • Ενδοπλασματικό Δίκτυο (ΕΔ) :Συμμετέχει στη σύνθεση πρωτεϊνών και λιπιδίων. Το Rough ER έχει ριβοσώματα για την παραγωγή πρωτεΐνης, ενώ το Smooth ER λειτουργεί στη σύνθεση λιπιδίων και την αποτοξίνωση.
  
  
  • Συσκευή Golgi :Τροποποιεί, ταξινομεί και συσκευάζει πρωτεΐνες και λιπίδια για μεταφορά.
  
  
  • Λυσοσώματα και υπεροξισώματα :Περιέχει πεπτικά ένζυμα ή αντιδράσεις οξείδωσης για διάσπαση μακρομορίων και αποτοξίνωση επιβλαβών ενώσεων.
  
  
  • Χλωροπλάστες (στα φυτά και τα φύκια) :Τοποθεσίες φωτοσύνθεσης.
• Ριβοσώματα :
  • Παρουσιάζεται τόσο σε προκαρυώτες όσο και σε ευκαρυώτες.
  • Μοριακές μηχανές για τη σύνθεση πρωτεϊνών.
  • Βρίσκεται ελεύθερο στο κυτταρόπλασμα ή συνδέεται με το ER στους ευκαρυώτες.
• Κυτταροσκελετός :
  • Ένα δίκτυο πρωτεϊνικών νημάτων (μικροσωληνίσκων, νημάτων ακτίνης και ενδιάμεσων νημάτων σε ευκαρυώτες) που παρέχουν δομική υποστήριξη, διατηρούν το σχήμα των κυττάρων και διευκολύνουν την εσωτερική μεταφορά και την κίνηση των κυττάρων.
  • Στους προκαρυώτες, τα δομικά νημάτια είναι λιγότερο πολύπλοκα αλλά εξακολουθούν να είναι απαραίτητα για τη διατήρηση του σχήματος και τη βοήθεια στην κυτταρική διαίρεση.
• Εγκλείσματα και άλλα σωματίδια :
  • Μη μεμβρανώδεις δομές όπως κόκκοι γλυκογόνου, σταγονίδια λιπιδίων, χρωστικές ουσίες, ορυκτά κρύσταλλα, άμυλο και υλικά αποθήκευσης.
  • Χρησιμοποιήστε ως αποθέματα ενέργειας ή άλλες εξειδικευμένες λειτουργίες ανάλογα με τον τύπο του κυττάρου.

Λειτουργίες κυτταροπλάσματος

Δεδομένου ότι το κυτταρόπλασμα περιλαμβάνει τα περισσότερα από τα συστατικά του κυττάρου, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι εκτελεί πολλές λειτουργίες:

• Δομική υποστήριξη :Ο κυτταροσκελετός και η κυτταροπλασματική μήτρα συνεργάζονται για να διατηρήσουν το σχήμα του κυττάρου, αντιστέκονται στην παραμόρφωση και παρέχοντας μηχανική αντοχή.
• Βιοχημικές αντιδράσεις :Πολλές μεταβολικές διεργασίες συμβαίνουν στο κυτταρόπλασμα, συμπεριλαμβανομένης της γλυκόλυσης και μερών της σύνθεσης λιπιδίων και αμινοξέων. Το κυτταρόπλασμα δρα ως στάδιο για κρίσιμες ενζυματικές αντιδράσεις.
• Αποθήκευση και διανομή θρεπτικών ουσιών :Διαλυμένα θρεπτικά συστατικά και ιόντα στο κυτταρόπλασμα είναι άμεσα διαθέσιμα σε οργανίδια και μοριακές μηχανές. Τα αποθηκευμένα υλικά (π.χ. κόκκοι γλυκογόνου) μπορούν να κινητοποιηθούν όπως απαιτείται.
• Ενδοκυτταρική μεταφορά :Τα οργανίδια, τα κυστίδια και τα μόρια κινούνται κατά μήκος των κυτταροσκελετικών τροχιών, επιτρέποντας την αποτελεσματική κατανομή των μορίων και την επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών τμημάτων του κυττάρου.
• Διαίρεση κυττάρων :Ο κυτταροσκελετός αναδιοργανώνεται κατά τη διάρκεια της μίτωσης ή της δυαδικής σχάσης, διασφαλίζοντας τον σωστό διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων και τη διαίρεση του κυτταρικού περιεχομένου.
• Απάντηση στα ερεθίσματα :Το κυτταρόπλασμα αλλάζει τη συνοχή του και αναδιατάσσει τα κυτταροσκελετικά συστατικά του ως απόκριση σε περιβαλλοντικά ή εσωτερικά σήματα. Αυτό διευκολύνει κινήσεις όπως η κίνηση των αμοιβάδων, οι αλλαγές στο σχήμα των κυττάρων και ο σχηματισμός επεκτάσεων κυττάρων.

Αναφορές

• Guo, M.; et al. (2014). «Διερεύνηση των στοχαστικών, κινητικών ιδιοτήτων του κυτταροπλάσματος χρησιμοποιώντας μικροσκοπία φάσματος δύναμης». Κελί . 158 (4):822–832. doi:10.1016/j.cell.2014.06.051
• Luby-Phelps, Κ. (1999). «Κυτοαρχιτεκτονική και φυσικές ιδιότητες του κυτταροπλάσματος:όγκος, ιξώδες, διάχυση, ενδοκυτταρική επιφάνεια». Διεθνής Επιθεώρηση Κυτταρολογίας . 192:189–221. doi:10.1016/S0074-7696(08)60527-6. ISBN 9780123645968.
• Parry, B.R.; et al. (2014). «Το βακτηριακό κυτταρόπλασμα έχει ιδιότητες που μοιάζουν με γυαλί και ρευστοποιείται από τη μεταβολική δραστηριότητα». Κελί . 156 (1–2):183–94. doi:10.1016/j.cell.2013.11.028
• Shepherd, V.A. (2006). «Η κυτταρομήτρα ως συνεργατικό σύστημα μακρομοριακών και υδάτινων δικτύων». Τρέχοντα θέματα στην αναπτυξιακή βιολογία . 75:171–223. doi:10.1016/S0070-2153(06)75006-2. ISBN 9780121531751.