Sodobne eksperimentalne študije so pokazale, da je celica najbolj zapletena strukturna in funkcionalna enota skoraj vseh živih organizmov, z izjemo virusov, ki so necelične oblike življenja. Citologija proučuje strukturo, pa tudi vitalno aktivnost celice: dihanje, prehrana, razmnoževanje, rast. Ti postopki bodo obravnavani v tem prispevku.
Struktura celic
Biologi so z uporabo svetlobnega in elektronskega mikroskopa ugotovili, da rastlinske in živalske celice vsebujejo površinski aparat (supramembranski in submembranski kompleksi), citoplazmo in organele. V živalskih celicah se nad membrano nahaja glikokaliks, ki vsebuje encime in zagotavlja prehrano celici zunaj citoplazme. V rastlinskih celicah, prokariotih (bakterije in cianobakterije), pa tudi pri glivah se nad membrano oblikuje celična stena, ki je sestavljena iz celuloze, lignina ali mureina.
Jedro je bistvena organelaevkariontov. Vsebuje dedni material - DNK, ki je videti kot kromosomi. Bakterije in cianobakterije vsebujejo nukleoid, ki deluje kot nosilec deoksiribonukleinske kisline. Vsi opravljajo strogo specifične funkcije, ki določajo presnovne celične procese.
Kaj mislimo s celično prehrano
Bistvene manifestacije celice niso nič drugega kot prenos energije in njena preobrazba iz ene oblike v drugo (v skladu s prvim zakonom termodinamike). Energija, ki jo najdemo v hranilih v latentnem, torej vezanem stanju, prehaja v molekule ATP. Na vprašanje, kaj je celična prehrana v biologiji, obstaja odgovor, ki upošteva naslednje postulate:
- Celica kot odprt biosistem zahteva stalno oskrbo z energijo iz zunanjega okolja.
- organske snovi, potrebne za prehrano, lahko celica dobi na dva načina:
a) iz medceličnega medija, v obliki že pripravljenih spojin;
b) neodvisno sintetizirajo beljakovine, ogljikove hidrate in maščobe iz ogljikovega dioksida, amoniaka itd.
Zato so vsi organizmi razdeljeni na heterotrofne in avtotrofne, katerih presnovne značilnosti proučuje biokemija.
Presnova in energija
Organske snovi, ki vstopijo v celico, se delijo, zaradi česar se sprosti energija v obliki molekul ATP ali NADP-H2. Celoten niz asimilacijskih in disimilacijskih reakcij je presnova. Spodaj bomo obravnavali stopnje energetske presnove, ki zagotavljajo prehrano heterotrofnih celic. Najprej beljakovine, ogljikovi hidrati in lipidise razgradijo na svoje monomere: aminokisline, glukozo, glicerol in maščobne kisline. Nato se med prebavo brez kisika podvržejo nadaljnji razgradnji (anaerobna prebava).
Na ta način se hranijo znotrajcelični paraziti: rikecije, klamidija in patogene bakterije, kot je klostridij. Enocelične kvasovke razgrajujejo glukozo v etilni alkohol, mlečnokislinske bakterije v mlečno kislino. Tako so glikoliza, alkohol, maslena, mlečnokislinska fermentacija primeri prehranjevanja celic zaradi anaerobne prebave pri heterotrofih.
Autotrofija in značilnosti presnovnih procesov
Za organizme, ki živijo na Zemlji, je glavni vir energije Sonce. Zahvaljujoč njemu so izpolnjene potrebe prebivalcev našega planeta. Nekateri med njimi sintetizirajo hranila zaradi svetlobne energije, imenujemo jih fototrofi. Drugi - s pomočjo energije redoks reakcij se imenujejo kemotrofi. V enoceličnih algah se prehrana celice, katere fotografija je predstavljena spodaj, izvaja fotosintetično.
Zelene rastline vsebujejo klorofil, ki je del kloroplastov. Ima vlogo antene, ki zajema svetlobne kvante. V svetli in temni fazi fotosinteze potekajo encimske reakcije (Calvinov cikel), pri katerih iz ogljikovega dioksida nastanejo vse organske snovi, ki se uporabljajo za prehrano. Zato celica, ki se hranizaradi uporabe svetlobne energije se imenuje avtotrofna ali fototrofna.
Enocelični organizmi, imenovani kemosintetiki, uporabljajo energijo, ki se sprosti kot rezultat kemičnih reakcij, za tvorbo organskih snovi, na primer železove bakterije oksidirajo železove spojine v železovo železo, sproščena energija pa gre za sintezo glukoze molekule.
Tako fotosintetični organizmi zajamejo svetlobno energijo in jo pretvorijo v energijo kovalentnih vezi mono- in polisaharidov. Nato se po členih prehranjevalnih verig energija prenaša na celice heterotrofnih organizmov. Z drugimi besedami, zahvaljujoč fotosintezi obstajajo vsi strukturni elementi biosfere. Lahko rečemo, da celica, katere prehrana poteka avtotrofno, "hrani" ne samo sebe, ampak tudi vse, kar živi na planetu Zemlja.
Kako jedo heterotrofni organizmi
Celico, katere prehrana je odvisna od vnosa organskih snovi iz zunanjega okolja, imenujemo heterotrofna. Organizmi, kot so glive, živali, ljudje in parazitske bakterije, razgrajujejo ogljikove hidrate, beljakovine in maščobe s pomočjo prebavnih encimov.
Potem celica absorbira nastale monomere in jih uporabi za izgradnjo svojih organelov in življenja. Raztopljena hranila vstopajo v celico s pinocitozo, trdni delci hrane pa s fagocitozo. Heterotrofne organizme lahko razdelimo na saprotrofe in parazite. Prve (na primer bakterije v tleh, glive, nekatere žuželke) se prehranjujejo z odmrlo organsko snovjo, druge (patogene bakterije, helminti, parazitske glive) se hranijo s celicami in tkivi živih organizmov.
Miksotrofi, njihova razširjenost v naravi
Mešana prehrana v naravi je precej redka in je oblika prilagajanja (idioadaptacije) različnim okoljskim dejavnikom. Glavni pogoj za miksotrofijo je prisotnost v celici obeh organelov, ki vsebujejo klorofil za fotosintezo, in sistem encimov, ki razgrajujejo že pripravljena hranila, ki prihajajo iz okolja. Na primer, enocelična žival Euglena green vsebuje kromatofore s klorofilom v hialoplazmi.
Ko je rezervoar, v katerem živi euglena, dobro osvetljen, se prehranjuje kot rastlina, torej avtotrofno, s fotosintezo. Posledično se iz ogljikovega dioksida sintetizira glukoza, ki jo celica uporablja kot hrano. Euglena se ponoči hrani heterotrofno in s pomočjo encimov, ki se nahajajo v prebavnih vakuolah, razgrajuje organske snovi. Tako znanstveniki menijo, da je miksotrofna prehrana celice dokaz enotnosti izvora rastlin in živali.
Rast celic in njen odnos s trofizmom
Povečanje dolžine, mase, prostornine tako celotnega organizma kot njegovih posameznih organov in tkiv se imenuje rast. Nemogoče je brez stalne oskrbe celic s hranili, ki služijo kot gradbeni material. Da bi dobili odgovor na vprašanje, kako raste celica, katere prehranase pojavlja avtotrofno, je treba razjasniti, ali gre za samostojen organizem ali pa je del večceličnega posameznika kot strukturne enote. V prvem primeru bo rast potekala med medfazo celičnega cikla. V njem intenzivno potekajo procesi plastične izmenjave. Prehrana heterotrofnih organizmov je povezana s prisotnostjo hrane, ki prihaja iz zunanjega okolja. Rast večceličnega organizma nastane zaradi aktivacije biosinteze v izobraževalnih tkivih, pa tudi zaradi prevlade anaboličnih reakcij nad procesi katabolizma.
Vloga kisika v prehrani heterotrofnih celic
Aerobni organizmi: Nekatere bakterije, glive, živali in ljudje uporabljajo kisik za popolno razgradnjo hranil, kot je glukoza, v ogljikov dioksid in vodo (Krebsov cikel). Pojavlja se v matriksu mitohondrijev, ki vsebuje encimski sistem H + -ATP-azo, ki sintetizira molekule ATP iz ADP. Pri prokariotskih organizmih, kot so aerobne bakterije in cianobakterije, se stopnja disimilacije kisika zgodi na plazemski membrani celic.
Specifična prehrana spolnih celic
V molekularni biologiji in citologiji lahko prehranjevanje celic na kratko opišemo kot proces vstopa hranil vanjo, njihovega cepljenja in sinteze določenega dela energije v obliki molekul ATP. Trofizem gamet: jajčec in semenčic ima nekatere značilnosti, povezane z visoko specifičnostjo njihovih funkcij. To še posebej velja za ženske zarodne celice, ki so prisiljene kopičiti veliko zalogo hranil, predvsem v oblikirumenjak.
Po oploditvi jih bo uporabila za drobljenje in oblikovanje zarodka. Spermatozoidi v procesu zorenja (spermatogeneze) prejemajo organske snovi iz Sertolijevih celic, ki se nahajajo v semenskih tubulih. Tako imata obe vrsti gamet visoko stopnjo presnove, kar je možno zaradi aktivne celične trofizma.
Vloga mineralne prehrane
Presnovni procesi so nemogoči brez dotoka kationov in anionov, ki so del mineralnih soli. Na primer, magnezijevi ioni so potrebni za fotosintezo, kalijevi in kalcijevi ioni so potrebni za delovanje mitohondrijskih encimskih sistemov, prisotnost natrijevih ionov, pa tudi karbonatnih anionov, pa je potrebna za ohranjanje puferskih lastnosti hialoplazme. Raztopine mineralnih soli vstopajo v celico s pinocitozo ali difuzijo skozi celično membrano. Mineralna prehrana je lastna tako avtotrofnim kot heterotrofnim celicam.
Če povzamemo, smo prepričani, da je pomen celične prehrane res velik, saj ta proces vodi do tvorbe gradbenega materiala (ogljikovih hidratov, beljakovin in maščob) iz ogljikovega dioksida v avtotrofnih organizmih. Heterotrofne celice se prehranjujejo z organskimi snovmi, ki nastanejo kot posledica vitalne aktivnosti avtotrofov. Prejeto energijo uporabljajo za razmnoževanje, rast, gibanje in druge življenjske procese.
