Kaasaegsed eksperimentaalsed uuringud on kindlaks teinud, et rakk on peaaegu kõigi elusorganismide kõige keerulisem struktuurne ja funktsionaalne üksus, välja arvatud viirused, mis on mitterakulised eluvormid. Tsütoloogia uurib raku ehitust ja ka elutähtsat aktiivsust: hingamist, toitumist, paljunemist, kasvu. Neid protsesse käsitletakse selles artiklis.
Rakkude struktuur
Valgus- ja elektronmikroskoobi abil on bioloogid kindlaks teinud, et taime- ja loomarakud sisaldavad pinnaaparaati (ülemembraani ja submembraani kompleksid), tsütoplasmat ja organelle. Loomarakkudes paikneb membraani kohal glükokalüks, mis sisaldab ensüüme ja tagab raku toitumise väljaspool tsütoplasma. Taimerakkudes, prokarüootides (bakterid ja tsüanobakterid), aga ka seentes moodustub membraani kohale rakusein, mis koosneb tselluloosist, ligniinist või mureiinist.
Tuum on oluline organelleukarüootid. See sisaldab pärilikku materjali - DNA-d, mis näeb välja nagu kromosoomid. Bakterid ja tsüanobakterid sisaldavad nukleoidi, mis toimib desoksüribonukleiinhappe kandjana. Kõik nad täidavad rangelt spetsiifilisi funktsioone, mis määravad kindlaks raku metaboolsed protsessid.
Mida me mõtleme rakulise toitumise all
Raku elutähtsad ilmingud pole muud kui energia ülekandmine ja selle muundumine ühest vormist teise (vastav alt termodünaamika esimesele seadusele). Varjatud, st seotud olekus toitainetes leiduv energia läheb ATP molekulidesse. Küsimusele, mis on rakkude toitumine bioloogias, on vastus, mis võtab arvesse järgmisi postulaate:
- Rakk, olles avatud biosüsteem, vajab pidevat energiavarustust väliskeskkonnast.
- Toitumiseks vajalikke orgaanilisi aineid saab rakk kätte kahel viisil:
a) rakkudevahelisest keskkonnast valmisühendite kujul;
b) sünteesib iseseisv alt valke, süsivesikuid ja rasvu süsinikdioksiidist, ammoniaagist jne.
Seetõttu jagunevad kõik organismid heterotroofseteks ja autotroofseteks, mille ainevahetuse iseärasusi uurib biokeemia.
Ainevahetus ja energia
Rakku sisenevad orgaanilised ained lõhuvad, mille tulemusena vabaneb energia ATP või NADP-H2 molekulide kujul. Kogu assimilatsiooni- ja dissimilatsioonireaktsioonide kogum on ainevahetus. Allpool käsitleme energia metabolismi etappe, mis pakuvad heterotroofsete rakkude toitumist. Esiteks valgud, süsivesikud ja lipiididlagunevad nende monomeerideks: aminohapeteks, glükoosiks, glütserooliks ja rasvhapeteks. Seejärel lagunevad need hapnikuvaba seedimise käigus edasi (anaeroobne seedimine).
Nii toidetakse rakusiseseid parasiite: riketsiat, klamüüdiat ja patogeenseid baktereid, nagu klostridium. Üherakulised pärmseened lagundavad glükoosi etüülalkoholiks, piimhappebakterid piimhappeks. Seega on glükolüüs, alkoholi, võihappe ja piimhappe kääritamine näited rakkude toitumisest, mis on tingitud heterotroofide anaeroobsest seedimisest.
Autotroofia ja ainevahetusprotsesside omadused
Maal elavate organismide jaoks on peamiseks energiaallikaks Päike. Tänu temale on meie planeedi elanike vajadused rahuldatud. Mõned neist sünteesivad toitaineid tänu valgusenergiale, neid nimetatakse fototroofideks. Teised - redoksreaktsioonide energia abil nimetatakse neid kemotroofideks. Üherakulistes vetikates toimub raku toitmine, mille foto on esitatud allpool, fotosünteetiliselt.
Rohelised taimed sisaldavad klorofülli, mis on osa kloroplastidest. See mängib antenni rolli, mis püüab kinni valguskvante. Fotosünteesi heledas ja pimedas faasis toimuvad ensümaatilised reaktsioonid (Calvini tsükkel), mille tulemusena tekivad süsinikdioksiidist kõik toitumiseks kasutatavad orgaanilised ained. Seetõttu rakk, mida toidetaksevalgusenergia kasutamise tõttu nimetatakse seda autotroofseks või fototroofseks.
Üherakulised organismid, mida nimetatakse kemosünteetilisteks, kasutavad keemiliste reaktsioonide tulemusena vabanevat energiat orgaaniliste ainete moodustamiseks, näiteks rauabakterid oksüdeerivad raudühendeid raudrauaks ja vabanev energia läheb glükoosi sünteesiks. molekulid.
Seega püüavad fotosünteetilised organismid valgusenergiat ja muudavad selle mono- ja polüsahhariidide kovalentsete sidemete energiaks. Seejärel kandub energia mööda toiduahelate lülisid heterotroofsete organismide rakkudesse. Teisisõnu, tänu fotosünteesile eksisteerivad kõik biosfääri struktuurielemendid. Võib öelda, et rakk, mille toitumine toimub autotroofselt, “toidab” mitte ainult iseennast, vaid ka kõike planeedil Maa elavat.
Kuidas heterotroofsed organismid söövad
Rakku, mille toitumine sõltub väliskeskkonnast orgaaniliste ainete saamisest, nimetatakse heterotroofseks. Organismid, nagu seened, loomad, inimesed ja parasiitbakterid, lagundavad seedeensüüme kasutades süsivesikuid, valke ja rasvu.
Seejärel imenduvad saadud monomeerid rakku ja kasutavad neid oma organellide ja elu loomiseks. Lahustunud toitained sisenevad rakku pinotsütoosi teel, tahked toiduosakesed aga fagotsütoosi teel. Heterotroofsed organismid võib jagada saprotroobideks ja parasiitideks. Esimesed (näiteks mullabakterid, seened, mõned putukad) toituvad surnud orgaanilisest ainest, teised (patogeensed bakterid, helmintid, parasiitseened) toituvad elusorganismide rakkudest ja kudedest.
Miksotroofid, nende levik looduses
Segatüüpi toitumine looduses on üsna haruldane ja on kohanemise (idioadaptatsiooni) vorm erinevate keskkonnateguritega. Miksotroofia peamiseks tingimuseks on nii fotosünteesiks klorofülli sisaldavate organellide olemasolu rakus kui ka ensüümide süsteem, mis lagundab keskkonnast tulevaid valmistoitaineid. Näiteks üherakuline loom Euglena green sisaldab kromatofoore, mille hüaloplasmas on klorofüll.
Kui reservuaar, milles euglena elab, on hästi valgustatud, toitub ta nagu taim, st autotroofselt, fotosünteesi kaudu. Selle tulemusena sünteesitakse süsinikdioksiidist glükoos, mida rakk kasutab toiduna. Euglena toitub öösiti heterotroofselt, lõhustades orgaanilist ainet seedevakuoolides paiknevate ensüümide abil. Seega peavad teadlased raku mixotroofset toitumist taimede ja loomade päritolu ühtsuse tõendiks.
Rakkude kasv ja selle seos trofismiga
Nii kogu organismi kui ka selle üksikute organite ja kudede pikkuse, massi, mahu suurenemist nimetatakse kasvuks. See on võimatu ilma pideva toitainete tarnimiseta rakkudele, mis toimivad ehitusmaterjalina. Et saada vastus küsimusele, kuidas kasvab rakk, mille toitumineesineb autotroofselt, on vaja selgitada, kas tegemist on iseseisva organismiga või on ta struktuuriüksusena osa hulkraksest isendist. Esimesel juhul toimub kasv rakutsükli interfaasi ajal. Selles toimuvad intensiivselt plastivahetuse protsessid. Heterotroofsete organismide toitumine on korrelatsioonis väliskeskkonnast tuleva toidu olemasoluga. Mitmerakulise organismi kasv toimub tänu biosünteesi aktiveerumisele kasvatuskudedes, samuti anaboolsete reaktsioonide ülekaalu tõttu katabolismi protsesside ees.
Hapniku roll heterotroofsete rakkude toitumises
Aeroobsed organismid: mõned bakterid, seened, loomad ja inimesed kasutavad hapnikku toitainete (nt glükoosi) täielikuks lagundamiseks süsinikdioksiidiks ja veeks (Krebsi tsükkel). See esineb mitokondrite maatriksis, mis sisaldab ensümaatilist süsteemi H + -ATP-aasi, mis sünteesib ADP-st ATP molekule. Prokarüootsetes organismides, nagu aeroobsed bakterid ja tsüanobakterid, toimub hapniku dissimilatsiooni etapp rakkude plasmamembraanil.
Sugurakkude spetsiifiline toitumine
Molekulaarbioloogias ja tsütoloogias võib rakkude toitumist lühid alt kirjeldada kui toitainete sisenemise protsessi, nende lõhenemist ja teatud energiaosa sünteesi ATP molekulide kujul. Sugurakkude trofism: munarakkudel ja spermatosoididel on mõned omadused, mis on seotud nende funktsioonide kõrge spetsiifilisusega. See kehtib eriti naiste sugurakkude kohta, kes on sunnitud koguma suures koguses toitaineid, peamiseltmunakollane.
Pärast viljastamist kasutab ta neid embrüo purustamiseks ja moodustamiseks. Laagerdumisprotsessis (spermatogeneesis) olevad spermatosoidid saavad orgaanilisi aineid seemnetorukestes paiknevatest Sertoli rakkudest. Seega on mõlemat tüüpi sugurakkudel kõrge ainevahetus, mis on võimalik tänu aktiivsele rakutrofismile.
Mineraalse toitumise roll
Ainevahetusprotsessid on võimatud ilma mineraalsoolade osaks olevate katioonide ja anioonide sissevooluta. Näiteks magneesiumioonid on vajalikud fotosünteesiks, kaaliumi- ja k altsiumiioonid on vajalikud mitokondriaalsete ensüümsüsteemide tööks ning naatriumioonide, aga ka karbonaadianioonide olemasolu on vajalik hüaloplasma puhveromaduste säilitamiseks. Mineraalsoolade lahused sisenevad rakku pinotsütoosi või difusiooni teel läbi rakumembraani. Mineraalne toitumine on omane nii autotroofsetele kui heterotroofsetele rakkudele.
Kokkuvõttes oleme veendunud, et rakkude toitumise tähtsus on tõesti suur, kuna selle protsessi tulemusena moodustuvad autotroofsetes organismides süsinikdioksiidist ehitusmaterjalid (süsivesikud, valgud ja rasvad). Heterotroofsed rakud toituvad orgaanilistest ainetest, mis moodustuvad autotroofide elutegevuse tulemusena. Nad kasutavad saadud energiat paljunemiseks, kasvuks, liikumiseks ja muudeks eluprotsessideks.
