سلول چیست و ساختار آن چگونه است؟ اهمیت بررسی ساختار سلول ها در چیست و دانشمندان چگونه سلولها را مورد مطالعه و برسی قرار میدهند؟
سلولها ساختار و عملکرد همه موجودات زنده از میکروارگانیسمها گرفته تا انسان را تعیین میکنند. دانشمندان سلولها را کوچکترین شکل زندگی میدانند. سلولها تشکیلات بیولوژیکیای را در خود جای میدهند که این تشکیلات درواقع مسئولیت هر اتفاقی که در بدن ما میافتد را به پروتئینها، مواد شیمیایی و سیگنالها نسبت میدهد.
فهرست مطالب:
- سلول ها چه شکلی هستند؟
- انوع سلول های انسانی چیست؟
- سلول یوکاریوتی و پروکاریوتی چیست و چه تفاوتی با هم دارند؟
- اندامک های اصلی سلول های انسانی
- سلول ها چگونه حرکت می کنند؟
- دانشمندان چگونه سلول ها را مطالعه می کنند؟
- بدن ما چگونه سلول ها را می سازد؟
- دلیل مرگ سلول ها چیست؟
- سلول بنیادی چیست؟
- مشکلات موجود در سلول ها چگونه منجر به بیماری می شود؟
- شش نکته در مورد DNA و ترمیم DNA
سلول ها چه شکلی هستند؟
سلولها به شکلهای مختلفی وجود دارند: گرد، مسطح، بلند، ستارهمانند، مکعبی و حتی بیشکل. بیشتر سلولها بیرنگ و شفاف هستند. اندازهی آنها نیز متفاوت است.
برخی از کوچکترین سلولها درواقع باکتریهای تکسلولی هستند که برای دیدن با چشم غیرمسلح بسیار کوچک هستند و قطر آنها یک میلیونیم متر (میکرو متر) است. گیاهانی دارای برخی از بزرگترین سلولها به قطر ۱۰-۱۰۰ میکرومتر هستند. سلول انسانی دارای بیشترین قطر، سلول تخمک است که قطر آن تقریباً به اندازه یک تار مو (۸۰ میکرومتر) است.
انوع سلول های انسانی چیست؟
تریلیونها سلولی که یک انسان را تشکیل میدهند در حدود ۲۰۰ نوع اصلی، سازماندهی شدهاند. همه سلولهای یک فرد حاوی مجموعهای از ژنها هستند. با این حال، هر نوع سلول، الگوی متفاوتی از ژنها را «روشن» میکند و این الگو مشخص میکند که سلول کدام پروتئین را تولید کند.
مجموعهی منحصربهفرد پروتئینهای موجود در انواع مختلف سلولها به آنها اجازه میدهد تا وظایف تخصصی خود را انجام دهند. بهعنوان مثال، گلبولهای قرمز خون، اکسیژن را در سراسر بدن حمل میکنند. گلبولهای سفید خون مهاجمان (میکروبها و …) را از بین میبرند. سلولهای روده مولکولهایی را آزاد میکنند که به هضم غذا کمک میکند. سلولهای عصبی پیامهای شیمیایی و الکتریکی میفرستند که باعث تولید افکار و حرکات میشود و سلولهای قلب بهطور هماهنگ منقبض میشوند تا خون را به سراسر بدن پمپ کنند.
توضیح عکس: سلولهای فیبروبلاست با هسته (آبی، دایره ای، قسمت مرکزی)، کارخانههای انرژی (سبز، اطراف هسته)، و اسکلت سلولی اکتین (قرمز، بیرونیترین لایه). منبع: Dylan Burnette و Jennifer Lippincott-Schwartz، مؤسسه ملی سلامت کودک و رشد Eunice Kennedy Shriver، مؤسسه ملی بهداشت آمریکا.
سلول های یوکاریوتی و پروکاریوتی چیست و چه تفاوتی با هم دارند؟
سلولهای یوکاریوتی (Eukaryotic cells ) حیوانات، گیاهان، قارچها و برخی از موجودات تکسلولی را تشکیل میدهند و تعدادی ساختار درون خود دارند که اندامک نامیده میشوند. مهمترین اندامک هسته است که حاوی مواد ژنتیکی سلول یا DNA است. سلولهای پروکاریوتی (Prokaryotic cells) هسته یا سایر اندامکها را ندارند. این نوع سلولها درواقع میکروارگانیسمهای تک سلولی هستند که کوچکتر از سلولهای یوکاریوتی هستند. دو نوع سلول پروکاریوتی وجود دارد – باکتری و آرکی (archaea).
توضیح عکس: محققان برای روشن کردن شبکه پیچیدهای از الیاف میکروتوبول (microtubule) (رشتههای زرد که در مرکز قرار دارند) و رشته اکتین (actin) (بنفش، در بیرونیترین لایه) که ساختار یک سلول را میسازد، از برچسبهای فلورسنت استفاده کردهاند. منبع: Torsten Wittmann، موسسه تحقیقاتی اسکریپس.
اندامک های اصلی سلول های انسانی
علاوه بر هسته، اساسیترین اندامکهای سلولهای انسانی شامل موارد زیر است:
میتوکندری (Mitochondria) یا نیروگاههای سلولی، انرژی حاصل از غذا را به منبع اصلی انرژی بدن یعنی آدنوزین تریفسفات (ATP مخفف adenosine triphosphate) تبدیل میکنند.
ریبوزومها (Ribosomes) کارخانههای مولکولی هستند که پروتئینها را میسازند.
شبکه آندوپلاسمی (ER مخفف endoplasmic reticulum)، شبکهای از کیسههای به هم پیوسته که پروتئینهای غشا را پردازش کرده و مواد چربی به نام لیپید را تولید میکند.
مجموعه گلژی (Golgi complex) پروتئینها و لیپیدها را از شبکهی آندوپلاسمی دریافت و آنها را بستهبندی میکند و به مقصد نهایی خود در داخل سلول، داخل غشای سلولی یا خارج از سلول میفرستد.
لیزوزومها (Lysosome)، زبالههای سلولی و مواد زائد را تجزیه کرده و آنها را دور ریخته یا بازیافت میکنند.
سلول ها چگونه حرکت می کنند؟
بسیاری از انواع سلولها میتوانند حرکت کنند. موجودات تکسلولی برای یافتن غذا حرکت میکنند و حتی سلولهای موجود در موجودات چند سلولی نیز ممکن است نیاز به حرکت کردن داشته باشند. بهعنوان مثال، سلولهای سیستم ایمنی باید به سمت مهاجمان حرکت کنند و اسپرم برای بارور کردن تخمکها باید “شنا” کند.
سلولها به روشهای مختلفی حرکت میکنند. برخی از آنها به سادگی در آب یا مایعات دیگر شناور میشوند. برخی دیگر با استفاده از پروتئینهای بلند و نازک به نام تاژک و مژک که به قسمت بیرونی غشای سلولی میچسبند، به اطراف حرکت میکنند. برخی دیگر نیز با استفاده از حرکات آمیبوئید (amoeboid) که در آن برآمدگیهای پر از سیتوپلاسم، سلول را به سمت جلو میکشند، میخزند.
در درون سلولها نیز، مواد مغذی و اندامکها برای انجام عملکردهای مختلف سلولی حرکت میکنند. این نوع حرکت داخلی سیکلوز یا جریان سیتوپلاسمی نامیده میشود. ساختار داخلی سلولها که سیتوپلاسم نامیده میشود، جریانی جهتدار ایجاد میکند که محتویات سلولها را به اطراف هل میدهد.
دانشمندان حرکت سلولی را برای درک بهتر نحوه عملکرد سلولها، از جمله نحوه حرکت سلولهای سرطانی از بافتی به بافت دیگر و نحوه حرکت گلبولهای سفید خون برای بهبود زخمها و حمله به مهاجمان (باکتریها و …)، مورد بررسی و مطالعه قرار میدهند.
سلول خوک در فرآیند تقسیم سلولی. کروموزومها (قسمت بنفش رنگ و در مرکز) و اسکلت سلولی (قسمت سبز رنگ و بیرونی). منبع: ناصر روسان (Nasser Rusan)، موسسه ملی قلب، ریه و خون آمریکا وابسته به موسسه ملی سلامت آمریکا.
دانشمندان چگونه سلول ها را مطالعه می کنند؟
زیستشناسان سلولی برای بررسی درون بدن و بررسی سلولها به مجموعهای از ابزارها تکیه میکنند. تکنیکهای تصویربرداری، اندامکها را بزرگنمایی میکنند و سلولها را در حین تقسیم، رشد، تعامل و انجام سایر وظایف حیاتی نشان میدهند.
آزمایشهای بیوشیمیایی یا ژنتیکی به محققان این امکان را میدهد تا چگونگی واکنش سلولها به عوامل استرسزای محیطی مانند افزایش دما یا سموم را بررسی کنند. این آزمایشها همچنین میتوانند با استفاده از برچسبهای فلورسنت و مواد شیمیایی دیگر، پروتئینهای خاصی را برچسبگذاری کنند. این کار به دانشمندان اجازه میدهد تصاویر پروتئینهای داخل سلولها را ایجاد و با استفاده از ابزارهای محاسباتی پیچیده، دادهها را تجزیه و تحلیل کنند.
بدن ما چگونه سلول ها را می سازد؟
یک سلول در فرآیندی به نام میتوز (mitosis) به دو سلول تقسیم میشود. نوعی از تقسیم سلولی به نام میتوز، دو سلول دارای ژنتیک یکسان را از یک سلول تکوالد تولید میکند. نوع دیگری از تقسیم سلولی یه نام میوز (meiosis)، چهار سلول جدید را ایجاد میکند که از نظر ژنتیکی از یکدیگر و از سلول والد اصلی متمایز هستند. در بدن ما تنها چند سلول خاص میتوانند تقسیم سلولی میوز را انجام دهند: سلولهایی که در زنان به تخمک و در مردان به اسپرم تبدیل میشوند.
دلیل مرگ سلول ها چیست؟
سلولها به چیزی که برای خودتخریبی نیاز دارند مجهز هستند. به این امر مرگ سلولی برنامهریزیشده یا آپوپتوز (apoptosis) گفته میشود که نقشی سالم و محافظتی در بدن ما ایفا میکند. مثلا به شکلدهی انگشتان دست و پا در زمان قبل از تولد کمک میکند و سلولهای بیمار را در طول زندگی از بین میبرد. نوع دیگری از مرگ سلولی، به نام نکروز (necrosis)، برنامهریزینشده است و نقش محافظتی ندارد. نکروز میتواند پس از یک آسیب تروماتیک ناگهانی، عفونت یا قرار گرفتن در معرض یک ماده شیمیایی سمی رخ دهد.
سلول بنیادی چیست؟
سلولهای بنیادی میتوانند میلیونها بار خود را تولید و تجدید کنند در حالیکه سلولهای دیگر بدن مانند سلولهای عضلانی و عصبی نمیتوانند این کار را انجام دهند. سلولهای بنیادی جنینی تمایزناپذیر هستند، به این معنی که میتوانند به هر نوع سلولی در بدن تبدیل شوند.
سلولهای بنیادی بافتی خاص (که گاهی سلولهای بنیادی بالغ یا سوماتیک نیز نامیده میشوند) در مراحل بعدی رشد ایجاد میشوند. آنها هم میتوانند سلولها را تجدید کنند. نقش اصلی سلولهای بنیادی بافتی خاص، حفظ و ترمیم بافتی است که در آن بافت، یافت میشود.
مشکلات موجود در سلول ها چگونه منجر به بیماری می شود؟
تغییراتی به نام جهش، که در ژنهای درون سلولی رخ میدهد، میتواند توانایی سلول برای تقسیم، ساخت پروتئین، حذف مواد زائد یا انجام کارهای دیگر را تغییر دهد. این جهشهای ژنتیکی میتوانند منجر به نقایص مادرزادی، سرطان و سایر بیماریها شوند. سلولهایی که در اثر ضربه فیزیکی یا عفونت آسیب دیدهاند، در موارد شدید میتوانند به التهاب و اختلال در عملکرد اندامها منجر شود.
اهمیت مطالعه و بررسی سلول ها برای درک سلامتی و بیماری انسان ها
یادگیری درمورد نحوه عملکرد سلولها و اینکه چه اتفاقی میافتد که دیگر درست کار نمیکنند، درمورد فرآیندهای بیولوژیکی که ما را سالم نگه میدارند نکات مهمی را به ما میآموزد. این کار همچنین راههای جدیدی را برای درمان بیماریها ارائه میدهد.
تحقیقات سلولی که تاکنون صورت گرفته است به کشف درمان سرطان، آنتیبیوتیکها، داروهایی که کلسترول را کاهش میدهند و روشهای جدیدی برای دارورسانی به بدن منجر شده است. با این حال، هنوز موارد زیادی برای کشف باقی مانده است. بهعنوان مثال، درک چگونگی بازسازی سلولهای بنیادی و برخی سلولهای دیگر می تواند درمورد چگونگی ترمیم بافت آسیب دیده یا ازدسترفته اطلاعات مهمی را ارائه دهد.
شش نکته در مورد DNA و ترمیم DNA
اسید دئوکسیریبونوکلئیک (Deoxyribonucleic acid)، که بیشتر با نام DNA شناخته میشود، برای اولین بار تقریباً ۱۵۰ سال پیش روی یک باند جراحی دور انداختهشده شناسایی شد! ابزارها و تکنیکهای پیچیده به دانشمندان این امکان را داده است که درمورد این ترکیب شیمیایی که شامل تمام دستورالعملهای لازم برای ساختن یک موجود زنده است، بیشتر بیاموزند. از میان دهها مورد شگفتانگیز شناختهشده درمورد DNA، در ادامه شش مورد آورده شده است.
۱. DNA در هر موجود زندهای وجود دارد.
دستورالعملهای شیمیایی ساختن یک انسان – و هر موجود دیگری روی زمین – در DNA آن موجود است. DNA شبیه یک نردبان پیچخورده با چوبپنبه است که به آن مارپیچ دوگانه میگویند. دو ریل نردبان به عنوان ستون فقرات شناخته میشوند که از گروههای متناوب قند و فسفات ساخته شدهاند. پلههای این نردبان از چهار بلوک ساختمانی مختلف به نام باز (bases) ساخته شدهاند که به صورت جفت چیده شدهاند: آدنین (A: adenine) با تیمین (T: thymine) جفت میشود و سیتوزین (C: cytosine) با گوانین (G: guanine).
انسان ها در هر سلول حدود ۳ میلیارد جفتباز دارند. ترتیب جفتبازها دستورات دقیق کدگذاری شده در آن قسمت از مولکول DNA را تعیین میکند. همچنین، توالی جفتبازهای DNA در یک فرد حدود ۹۹.۹ درصد با بقیه یکسان است.
DNA از دو زنجیرهی بلند و پیچخوردهی تشکیلشده از نوکلئوتیدها (nucleotid)، تشکیل شده است. هر نوکلئوتید حاوی یک باز، یک مولکول فسفات و مولکول قند دئوکسیریبوز (deoxyribose) است. بازهای موجود در نوکلئوتیدهای DNA عبارتند از آدنین، سیتوزین، گوانین و تیمین. منبع: NIGMS.
۲. انسانها DNAهای زیادی دارند.
ساختار انسان بهصورت یک سلول لقاحیافته منفرد شروع میشود که حاوی (به استثنای برخی موارد نادر) جفت کامل DNA – ژنوم – است که در ۴۶ کروموزوم مجزا (۲۳ جفت که مادر و پدر هر کدام در نیمی از هر جفت دخیل هستند) در هسته سلول مرتب شدهاند. در اولین سلول انسان، به اندازهی ۶ فوت DNA وجود دارد که بهطور محکم پیچیده شده است.
هر بار که سلول تقسیم می شود تمام اطلاعات موجود در DNA تکثیر میشود. طول DNA بستهبندیشده در تمام سلولهای یک فرد بالغ در حدود ۱۰۰ تریلیون فوت (حدود ۱۹ میلیارد مایل) است – بهطوری که اگر زنجیره DNA کشیده میشد، به اندازهای طولانی بود که بیش از ۲۰۰ بار بین زمین و خورشید عقب و جلو برود!
۳. اوه! امکان رخ دادن اشتباه در دیانای وجود دارد
همانند هر فرآیند بیوشیمیایی دیگری، همانندسازی DNA ذاتاً مستعد خطا است. برخی از رایجترین اشتباهات زمانی اتفاق میافتند که یک باز چندین بار پشت سر هم تکرار شود. بهعنوان مثال، اگر Tهای متوالی زیادی وجود داشته باشد، آنزیمی که مولکولهای DNA جدید را میسازد ممکن است بهطور تصادفی یک پایه اضافه کند. این نوع خطا را تغییر چهارچوب (ٰframeshift) مینامند و اگر بهدرستی تعمیر نشود میتواند عواقب جدی داشته باشد. بهعنوان مثال، تغییر چارچوب در فیبروز کیستیک و بیماری تایساکس نقش دارد.
۴. نور میتواند به دیانای آسیب برساند یا مشکلات آن را برطرف کند.
آسیب به DNA میتواند توسط عوامل مختلفی، از جمله پرتوهای یونیزهکننده، مانند اشعه ایکس، مواد شیمیایی موجود در دود تنباکو و اشعه ماوراء بنفش (UV) نور خورشید ایجاد شود. نور فرابنفش بهویژه میتواند باعث شود که بازهای مجاور در یک سمت زنجیره DNA در یک دور به نام دایمر (ٰdimer) به هم بچسبند و باعث ایجاد پیچخوردگی در زنجیره DNA و توقف تکثیر شوند.
بسیاری از موجودات، از باکتریهای تکسلولی و برخی از انواع مخمر گرفته تا انواع گیاهان و حشرات، میتوانند دایمرهای ناشی از اشعه ماوراء بنفش را از طریق فرآیندی به نام photoreactivation، که با عنوان ترمیم نوری نیز شناخته میشود، ترمیم کنند. photoreactivation از انرژی نور مرئی استفاده میکند تا مستقیماً دیمرها را از هم جدا کند.
با این حال، انسان و اکثر پستانداران دیگر، آنزیمهای لازم برای انجام این نوع ترمیم مستقیم DNA را ندارند. یکی از پستاندارانی که در پاسخ به آسیب اشعه ماوراء بنفش از photoreactivation استفاده میکند، اپوسوم دمکوتاه خاکستری آمریکای جنوبی است. این اپوسوم کوچک اولین جانور کیسهدار بود که توالی ژنوم آن تعیین شد.
۵. برش بزنید و بچسبانید تا درست شود!
خوشبختانه، همه ارگانیسمها راههایی برای رفع آسیبهای DNA دارند که به نور خورشید نیاز ندارد و در مجموع با عنوان ترمیم تاریک (بدون نور) شناخته میشود. یکی از این روشها، ترمیم برداشتن باز در مواقعی است که یک رشته از مارپیچ DNA آسیب میبیند. این روش شامل مجموعهای از آنزیمها است که ابتدا باز یا نوکلئوتید آسیبدیده یا نادرست قرار دادهشده را شناسایی کرده و سپس قسمت اشتباه را جدا میکنند و در باز یا نوکلئوتید درست قرار میدهند.
نوع دوم روش ترمیم ژنومی با عنوان ترمیم برش نوکلئوتیدی، برای تعویض بخشهای طولانی DNA از مجموعه متفاوتی از آنزیمها استفاده میکند. این فرآیند ترمیم، بهویژه برای اصلاح آسیبهای ناشی از اشعه ماوراءبنفش مهم است. افرادی که دارای جهشهای ارثی خاصی در آنزیمهای ترمیمکننده برش نوکلئوتیدی هستند، در اثر قرار گرفتن در معرض نور خورشید، بهشدت مستعد ابتلا به سرطانهای پوست هستند.
جایزه نوبل شیمی در سال ۲۰۱۵ به پژوهشی داده شد که نشان داد سلولهای ما چگونه با استفاده از آنزیمها آسیب به DNA را ترمیم میکنند، مانند آنچه در ادامه نشان داده شده است که در اطراف مارپیچ دوگانه پیچیده شده است. بدون انجام کارهایی برای اصلاح DNA آسیبدیده، سلولها ممکن است عملکرد نادرستی داشته باشند، بمیرند یا سرطانی شوند. منبع: تام النبرگر، دانشکده پزشکی دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، و دیو گوهارا، دانشکده پزشکی دانشگاه سنت لوئیس.
مکانیسم ترمیم سوم، “خطاهای عدم تطابق” را تصحیح میکند. برای مثال، یک A به جای T، با یک C تطبیق داده شود. اگرچه دانشمندان هنوز جزئیات کامل سیستم ترمیم عدم تطابق انسان را تعیین نکردهاند، اما تخمین میزنند که این فرآیند از هر ۱۰۰۰ یا بیشتر خطای عدم تطابق، به جز یک مورد همه را پیدا میکند.
در سال ۲۰۱۵، جایزه نوبل شیمی به Paul Modrich و Aziz Sancar به همراه Tomas Lindahl، برای درک چگونگی عملکرد این روشهای ترمیم DNA اعطا شد.
۶. چیزهای زیادی در مورد DNA وجود دارد که ما نمی دانیم.
مولکول DNA اولین بار در سال ۱۸۶۹ توسط دانشمند سوئیسی Freidrich Miescher، از چرک روی باندهای جراحیِ دور انداختهشده جدا شد. اگرچه محققان در ۱۴۸ سال گذشته چیزهای زیادی درمورد ساختار و فعالیت DNA آموختهاند، اما هنوز هم قلمروهای ناشناخته زیادی باقی مانده است.
اصطلاح “DNA بیمصرف ( junk DNA)” را در نظر بگیرید که تخمین زده میشود در ژنوم انسان، ۹۹ درصد از DNA را تشکیل میدهد. طی سالهای زیادی، از این اصطلاح برای توصیف DNA ای استفاده میشد که دستورالعملهای ساخت پروتئینها را رمزگذاری نمیکرد. در چند سال گذشته، دانشمندان این واژه را کنار گذاشتهاند، زیرا اطلاعات بیشتری درمورد بخش بزرگی از DNA غیرکدکننده که نقشهای کلیدی در هدایت و تنظیم فعالیت ژن ایفا میکند، کسب کردهاند.
فنآوریهای جدید، از جمله مجموعهای از ابزارهای تصویربرداری که مجموعاً میکروسکوپ با رزولوشن بسیار بالا (super-resolution microscopy) نامیده میشوند، به دانشمندان این امکان را میدهند که محتویات و اجزای سلولی (از جمله DNA) را در سطوح رزولوشنی که با میکروسکوپ نوری در دسترس نیست، ببینند. این تکنیکها مطمئناً جزئیات جدیدی را درمورد این مولکول بنیادی به نمایش میگذارند. با این حال، همیشه رازهای بیشتری برای بررسی در آینده وجود خواهد داشت.
ترجمه اختصاصی توسط مجله قرمز
منابع:
National Institute of General Medical Sciences (NIGMS), Studying Cells, last updated on 3/11/2020
Biomedical Beat Blog – National Institutes of Health (NIH), Six Things to Know About DNA and DNA Repair