هيكل الخلية

الخلفية

تمثل الخلايا الوحدات البيولوجية الأساسية لجميع الكائنات الحية ، سواء كانت كائنات بسيطة وحيدة الخلية مثل البكتيريا ، أو كائنات كبيرة متعددة الخلايا مثل الأفيال وأشجار الخشب الأحمر العملاقة. في منتصف القرن التاسع عشر ، تم اقتراح نظرية الخلية لتعريف الخلية ، والتي تنص على:

• يتكون كل كائن حي من خلية واحدة أو أكثر.
• الخلايا هي الوحدات الوظيفية لجميع الكائنات الحية.
• تنشأ جميع الخلايا من خلايا موجودة مسبقا.

تشترك جميع الخلايا في سمات مشتركة مثل وجود غشاء بلازما وسيتوبلازم وحمض نووي وريبوسومات. غشاء البلازما عبارة عن طبقة ثنائية من الدهون الفوسفورية تحيط بالخلية. تعمل هذه الطبقة الرقيقة والسائلة حول الخلايا على عزل محتويات الخلية عن بيئتها وتنظيم تبادل المواد مع بيئتها ، مع تسهيل التفاعلات مع الخلايا الأخرى. داخل غشاء البلازما ، تمتلئ الخلية بسائل يشبه الهلام يسمى السيتوبلازم يحتوي على جزيئات عضوية وأملاح ومواد أخرى حيوية لوظائف الخلية. لذلك ، تحدث التفاعلات الكيميائية الحيوية التي تدعم الحياة ، والتي تعرف باسم عمليات التمثيل الغذائي ، داخل السيتوبلازم. تعتمد أنواع عمليات التمثيل الغذائي التي يمكن للخلية تنفيذها على معلوماتها الجينية. تستخدم جميع الخلايا الحمض النووي كمادة وراثية ، وهو المخطط الوراثي لبناء الهياكل والمنتجات الخلوية. أخيرا ، تستخدم جميع الخلايا الريبوسومات لتصنيع منتجاتها البروتينية.

هناك نوعان من الخلايا بناء على موقع مادتها الوراثية: بدائية النواة ، والتي تعني "قبل النواة" ، وحقيقية النواة ، والتي تعني "النواة الحقيقية". لذلك ، في حين أن كلا النوعين من الكائنات الحية لهما حمض نووي ، فإن بدائيات النوى مثل البكتيريا لها نوكليودات ، أو مكونات "شبيهة بالنواة" بدلا من النواة ، في حين أن حقيقيات النوى تمتلك نوى حقيقية مرتبطة بالغشاء لاحتواء الحمض النووي الخاص بها. علاوة على ذلك ، فإن بدائيات النوى صغيرة نسبيا ، حوالي 0.1-5.0 ميكرومتر (ميكرومتر) ، مقارنة بحقيقيات النوى التي يمكن أن يتراوح حجمها عادة من 10-100 ميكرومتر. يسمح الحجم الصغير لبدائيات النوى بالتوزيع السريع والسهل للمواد داخل الخلية وتنفيذ عمليات التمثيل الغذائي ، بالإضافة إلى الإزالة السريعة للنفايات أو المنتجات الأخرى من الخلية. ومن ثم ، تمتلك الخلايا حقيقية النواة هياكل متخصصة تعرف باسم العضيات ، مثل الميتوكوندريا أو جهاز جولجي ، لتمكين تنفيذ الوظائف الحيوية.

الخلية حقيقية النواة

الخلية حقيقية النواة هي سمة مشتقة مشتركة لجميع حقيقيات النوى ، مما يعني أن لها أصلا واحدا ورثته جميع حقيقيات النوى منذ ذلك الحين. شوهدت أقدم الخلايا حقيقية النواة في الحفريات منذ حوالي 2.4 مليار سنة ، ويمكن التعرف عليها لأنها أكبر من الخلايا بدائية النواة ¹ . نتج أصل هذا النوع من الخلايا عن حدث تعايش داخلي ابتلعت فيه خلية شبيهة بالأميبا بكتيريا المكورات الدقيقة وشكلت تعايشا مستقرا². تطورت البكتيريا المغمورة إلى أول عضيات منتجة للطاقة ، الميتوكوندريا ، وهي عضيات التمثيل الغذائي الهوائية في الخلية. الميتوكوندريا لها جينوم منفصل خاص بها وتتشابه في الحجم مع بدائيات النوى. تحتوي على طبقتين من الأغشية التي تحيط بجزأين متميزين. تحدث بعض التفاعلات التي تكسر الجزيئات الحيوية عالية الطاقة في المقصورة الداخلية ، في حين أن الحجرة الخارجية تحتوي على التفاعلات التي تلتقط الطاقة المنبعثة من هذه المركبات في جزيئات الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) لاستخدامها كعملة طاقة للخلية.

النوى والميتوكوندريا ليست الهياكل المشتركة الوحيدة للخلايا حقيقية النواة. العضيات حقيقية النواة الأخرى المنتشرة في كل مكان هي الشبكة الإندوبلازمية الملساء والخشنة (ER) ، وجهاز جولجي ، والليزوزومات ، والفجوات. الشبكة الإندوبلازمية تعني ببساطة "شبكة داخل البلازما" وكما يشير اسمها فهي عبارة عن شبكة كبيرة من الأغشية داخل الخلية ، خاصة حول النواة. تمتد أجزاء من ER الخام من الغشاء النووي وتتميز عن ER الناعم بمظهرها الخشن بسبب العديد من الريبوسومات على سطحها. Rough ER هو موقع تخليق البروتين ، مثل البروتينات المضمنة في غشاء البلازما أو البروتينات التي تفرز من الخلية. في المقابل ، تنتج ER السلس منتجات قائمة على الدهون ولكنها تحتوي أيضا على إنزيمات لإزالة السموم من المواد الكيميائية الضارة. ومن ثم تحتوي خلايا الكبد على ER ناعم وفير. أيضا ، تحتوي خلايا العضلات على كميات كبيرة من ER الناعم بسبب وظيفة تخزين الكالسيوم لهذه العضية ، وهو أمر ضروري لتقلص العضلات. يقوم جهاز Golgi بفرز وتعديل وتعبئة المنتجات الخلوية داخل الحويصلات ، والتي تندمج مع غشاء البلازما لإطلاق المنتجات. بعض البروتينات التي يتم إنتاجها في غرفة الطوارئ الخام هي إنزيمات هضمية داخل الخلايا. يتم تعبئة هذه الإنزيمات في جهاز جولجي في حويصلات خاصة تسمى الجسيمات الحالة تتمثل الوظيفة الرئيسية للجسيمات الحالة في هضم جزيئات الطعام التي تبتلعها الخلية وكذلك أجزاء الخلية القديمة. الفجوات هي أكياس من غشاء الخلية تعمل كوحدات تخزين داخل الخلايا. قد تعمل على تخزين المياه لتنظيم محتوى الماء في الخلية وكذلك تخزين منتجات التمثيل الغذائي أو حتى الجزيئات السامة ، اعتمادا على نوع الخلية والكائن الحي.

عضيات خاصة بالمملكة

طورت الخلايا حقيقية النواة أيضا عضيات مميزة خاصة بكل مملكة. على سبيل المثال ، المملكة Plantae و Animalia كلاهما حقيقيات النواة ، لكن عضيات الخلايا النباتية والحيوانية تختلف بطرق رئيسية تسمح لها بممارسة حياتها كمنتجين ومستهلكين ، على التوالي. تحتاج النباتات الأرضية إلى أن تنمو طويلا ولها سيقان صلبة لتثبيت الأوراق ، والتي تستخدمها في عملية التمثيل الضوئي. يحتاجون أيضا إلى أن يكونوا قادرين على الاحتفاظ بالمياه التي تمتصها الجذور. تعكس خلاياهم هذه الاحتياجات المحددة. على عكس الخلايا الحيوانية ، تحتوي الخلايا النباتية على بلاستيدات خضراء ، والتي تستخدم في عملية التمثيل الضوئي وغالبا ما تحتوي على صبغة الكلوروفيل الخضراء. بالإضافة إلى ذلك ، فهي محاطة بجدران الخلايا ، وهي طبقات خارجية صلبة مصنوعة من السليلوز لدعم النمو واحتباس الماء. نظرا لأنهم يحتاجون إلى تخزين كميات كبيرة من الماء للحفاظ على ضغط الماء في الخلية ، فإن لديهم فجوات أكبر من الخلايا الحيوانية. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي الخلايا النباتية أيضا على نوع آخر من عضيات التخزين المتخصصة تسمى البلاستيدات ، والتي تحتوي على أصباغ بالإضافة إلى منتجات التمثيل الضوئي مثل النشا. هذه الاختلافات ملحوظة وتميز الخلايا النباتية عن الخلايا الحيوانية: الخلايا النباتية عموما لها شكل مستطيل منتظم بسبب جدرانها الخلوية الصلبة ، بينما تكون الخلايا الحيوانية مستديرة وغير منتظمة.

الفحص المجهري

بعض الخلايا ، مثل بويضات الضفادع ، كبيرة بما يكفي لرؤيتها بالعين المجردة ، ومع ذلك لا يمكن رؤية معظم الخلايا بدون أي مساعدة بصرية. لذلك ، يستخدم العلماء تقنيات الفحص المجهري لدراسة هياكل الخلايا وتمييز أنواع الخلايا عن بعضها البعض. في حين أن المجاهر قادرة على تكبير الأشياء التي يصعب أو يستحيل رؤيتها بالعين البشرية ، فإن معظم الأنسجة تفتقر بشكل طبيعي إلى التصبغ. لذلك ، تم إنشاء حلول يمكنها تلطيخ الخلايا بشكل انتقائي بناء على تركيبها الجزيئي. يسمح هذا للباحثين بالتمييز بين العضيات في الخلية ، وأنواع الأنسجة في جذع النبات ، وطبقات الدهون في ، على سبيل المثال لا الحصر. صبغة الميثيلين الزرقاء تلطخ الأحماض النووية للخلايا الميتة ، وترتبط بالحمض النووي سالب الشحنة. محلول السافرانين هو صبغة بيولوجية أخرى تلطخ نوى الخلية باللون الأحمر. تحتاج الخلايا فقط إلى أن تكون في محاليل التلوين لفترة قصيرة من الزمن ، ويمكن تركيبها مباشرة بعد خطوة التلوين. تقنيات التركيب شائعة الاستخدام هي التركيب الرطب والغمر بالزيت. يتم إنشاء حامل مبلل عن طريق جمع عينة ووضعها على شريحة زجاجية مع سائل بين الشريحة والغطاء. يتم تعليق عينات الخلايا في سوائل مثل الماء أو الجلسرين. من الأفضل استخدام الجلسرين مع الثقافات الحية ، لأنه يمنع تكاثر البكتيريا ³ . يمكن إضافة زيت الغمر أعلى الغطاء لتحسين عرض العينة بتكبير عالي. يتم تحقيق ذلك لأن الزيت له نفس معامل الانكسار مثل الزجاج ، مما يعني أنه يسمح للضوء بالمرور عبره مثل الزجاج. تشتت واجهة الزجاج والهواء الضوء أكثر من الزيت أو الزجاج ، لذلك يتأثر وضوح الصورة عند تركيب العينات "جافة" أو بدون زيت. بمجرد تلطيخ الخلايا وتركيبها ، تصبح جاهزة للدراسة تحت المجهر.

هناك العديد من تقنيات الفحص المجهري من تقنية المسح الإلكتروني التي سمحت للباحثين بعرض الأشياء على المستوى الذري إلى تصوير الخلايا الحية الفلورية التي تسمح بالمراقبة في الوقت الفعلي لحركة الجزيئات داخل الخلايا الفردية ⁴. الفحص المجهري للمجال الساطع هو أبسط تقنية مجهرية ، ولا يتطلب سوى ضوء مصدر الهالوجين ، وعدسة مكثفة لتركيز الضوء ، وعدسة عينية لعرض الصورة ، وعدسة موضوعية لتكبير الصورة. مع أي تقنية مجهرية ، من المهم فهم أجزاء المجهر قبل استخدام واحدة. بشكل عام ، تحتوي المجاهر المركبة المستخدمة في تصوير المجال الساطع على عدسة في الجزء العلوي من المنظار ، والتي يتم توصيلها بالرأس والأهداف. تتميز العدسة بتكبير 10X ، ويتم ضبط العدسات الموضوعية على تكبير معين في نطاق 4X-100X. هناك ما بين ثلاثة وخمسة أهداف على المجهر القياسي. تشير الأهداف إلى المرحلة ، حيث يتم وضع عينة للعرض. غالبا ما تحتوي المرحلة على أجزاء ميكانيكية ومشابك مسرح لحمل شريحة وتحريكها أثناء المشاهدة. الفتحة هي ثقب في المسرح لمرور الضوء عبره. يتم التحكم في هذا الضوء بواسطة عدسة مكثفة قابلة للتعديل فوق مصباح إضاءة أو مصدر ضوء. للتحكم في تكبير المسرح للكائن الذي يتم عرضه ، تتميز المجاهر بمقابض ضبط التركيز البؤري الخشنة والدقيقة. يتحرك مقبض التركيز البؤري الخشن على نطاق أكبر من التركيز البؤري الدقيق ، لكنهما على نفس المحور. يكون التركيز الدقيق مفيدا عندما يتم تقريب الكائن الموجود على المسرح من الأهداف. من المهم عدم ترك العدسة الموضوعية تلمس الكائن الموجود على المسرح ، حيث يمكن أن تخدش العدسة. يجب دائما عرض الكائنات أولا على هدف التكبير الأدنى والتركيز بوضوح قبل التبديل إلى أهداف التكبير الأعلى.

يعد الفحص المجهري أداة مهمة للعديد من جوانب المجال الطبي بما في ذلك البحث والتشخيص والعلاج. هذا له تطبيق استخدام تقنية النانو في الطب ، كطريقة علاج جديدة بدلا من جراحة أكثر توغلا ⁵. يستخدم الجراحون أيضا المجاهر ، والتي تم تعديل بعضها ليتم تركيبها على رأس الجراح ويتم تشغيلها بدواسات القدم. هذه التكبير أقل بكثير من المجاهر الضوئية المستخدمة اليوم ، لكنها تسهل التنفيذ الآمن للإجراءات الدقيقة ، مثل جراحة البصر وجراحة الأعصاب.

المراجع

1. Bengtson S و Rasmussen B و Ivarsson M و Muhling J و Broman C و Marone F و Stampanoni M و Bekker A. الحفريات الفطرية الشبيهة بالفطريات في بازلت حويصلي عمره 2.4 مليار عام. طبيعة البيئة والتطور. 2017 ، المجلد 1 ، رقم المقالة: 0141.
2. Vellai T، Vida G. أصل حقيقيات النوى: الفرق بين الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة. Proc. R. Soc. Lond. ب. 1999 ، المجلد 266 ، 1571-1577.
3. Gouet V ، Roger G ، Fonty C ، Andre P. تأثيرات الجلسرين على نمو الجلسرين ونشاطه المحلل للخلايا للبكتيريا المحللة للكرش والفطريات اللاهوائية. علم الأحياء الدقيقة الحالي. 24 ، 1992 ، المجلد 4 ، 197-201.
4. Cognet L، Leduc C، Lounis B. تقدم في تتبع الجسيمات المفردة للخلية الحية والتصوير الديناميكي فائق الدقة. Curr Opin Chem Biol. 2014, Jun; 20: 78-85.
5. Asiyanbola B، Soboyejo W. للجراح: مقدمة في تكنولوجيا النانو. J Surg Educ. 2008 ، المجلد 65 ، 2 (155-61).