گفتار 3
یاخته و بافت در بدن انسان
ساختار کلی یاخته جانوری
مقدمه
یاخته واحد ساختار و عملکرد در جانداران است و نخستین سطح سازمان‌یافته زیستی محسوب می‌شود. یاخته‌های جانوری، که نمونه‌ای از یاخته‌های یوکاریوتی هستند، از سه بخش اصلی تشکیل شده‌اند: هسته، سیتوپلاسم و غشای یاخته‌ای. برای آشنایی با هر بخش و عملکرد آنها، به بررسی دقیق‌تر این اجزا می‌پردازیم.
تقسیم‌بندی جانداران و جایگاه یاخته جانوری
پیش از ورود به جزئیات ساختار یاخته جانوری، توجه به این نکته ضروری است که جانداران از نظر ساختار یاخته‌ای به دو گروه عمده تقسیم می‌شوند:
پروکاریوت‌ها: فاقد هسته و اندامک‌های غشادار هستند. باکتری‌ها در این گروه قرار می‌گیرند. در این یاخته‌ها، ساختار تنها شامل سیتوپلاسم و غشاست و فاقد هسته‌اند.
یوکاریوت‌ها: دارای هسته و اندامک‌های غشادارند. این گروه شامل آغازیان، قارچ‌ها، گیاهان و جانوران می‌شود.
شکل ۹ - یاختۀ جانوری و اندامک‌های آن: رناتن (ریبوزوم): کار آن ساختن پروتئین است. شبکه آندوپلاسمی: شبکه‌ای از لوله‌ها و کیسه‌ها که در سراسر سیتوپلاسم گسترش دارند و بر دو نوع زبر (دارای رناتن) و صاف (بدون رناتن) است. شبکه آندوپلاسمی زبر در ساختن پروتئین‌ها و شبکه آندوپلاسمی صاف در ساختن لیپیدها نقش دارد. دستگاه گلژی: از کیسه‌هایی تشکیل شده است که روی هم قرار می‌گیرند در بسته‌بندی مواد و ترشح آنها به خارج از یاخته نقش دارد. راکیزه (میتوکندری): دو غشا دارد و کار آن تأمین انرژی برای یاخته است. کافنده‌تن (لیزوزوم): کیسه ای است که انواعی از آنزیم‌ها برای تجزیه مواد دارد. میانک (سانتریول): ساختار استوانه‌ای شکلی است که در سلول به تعداد دو عدد عمود بر هم دیده می‌شود و نقش آنها در تقسیم سلولی است. ریزکیسه (وزیکول): کیسه‌ای است که در جابه‌جایی مواد در یاخته نقش دارد.
اجزای یاخته و عملکرد آنها
هسته
هسته یکی از اجزای اصلی یاخته است و نقش‌های زیر را برعهده دارد:
کنترل فعالیت‌های یاخته
تعیین شکل، اندازه و وظیفه یاخته
جایگاه دنا: که حاوی اطلاعات ژنتیکی لازم برای تعیین صفات است.
ساختارهای مربوط هسته:
یک پوشش دو لایه‌ای: شامل غشای داخلی و بیرونی
منافذ هسته‌ای: برای تبادل مواد بین هسته و سیتوپلاسم
هستک: ساختاری کروی درون هسته که در ساخت رناتن (ریبوزوم) نقش دارد.
نکته: دقت کنید که هستک یک اندامک مجزا محسوب نمی‌شود.
سیتوپلاسم
بخشی که در فاصله بین هسته و غشای یاخته‌ای قرار دارد، سیتوپلاسم نام دارد و شامل دو بخش اصلی است:
ماده زمینه‌ای: ترکیبی از آب و مواد دیگر مثل پروتئین‌ها و ...
اندامک‌ها: هر یک وظیفه خاصی در یاخته دارند.
غشای یاخته‌ای
غشای یاخته‌ای مرزی است میان یاخته و محیط پیرامون و وظایف کلیدی زیر را برعهده دارد:
مرزبندی یاخته
تنظیم ورود و خروج مواد (نفوذپذیری انتخابی یا تراوایی نسبی، یعنی فقط برخی از مواد می‌توانند از آن عبور کنند.)
ترکیب ساختاری غشای یاخته‌ای:
فسفولیپیدها: دولایه‌ای هستند که ساختار پایه غشا را تشکیل می‌دهند.
پروتئین‌ها: در دو نوع سطحی و سراسری در غشا قرار دارند.
کلسترول: فقط در غشای یاخته جانوری وجود دارد.
کربوهیدرات‌ها: این مولکول‌ها فقط در سطح خارجی یاخته به‌صورت ترکیب با سایر مولکول‌ها در غشا دیده می‌شوند:
گلیکوپروتئین: ترکیب کربوهیدرات و پروتئین
گلیکولیپید: ترکیب کربوهیدرات و فسفولیپید
غشای یاخته نه تنها ساختار را حفظ می‌کند بلکه با تنظیم تبادل مواد، در حفظ محیط درونی یاخته نقش دارد.
شکل 10 - غشای یاخته
ورود مواد به یاخته و خروج از آن
یاخته‌ها برای تبادل مواد با محیط اطراف خود از سازوکارهای گوناگونی بهره می‌برند. این روش‌ها به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند:
روش‌هایی که بدون مصرف انرژی زیستی انجام می‌گیرند.
روش‌هایی که نیاز به مصرف انرژی دارند.
در روش‌های بدون مصرف انرژی زیستی، سه نوع انتقال وجود دارد: انتشار ساده، انتشار تسهیل‌شده و اسمز. در ادامه، به بررسی سه روش می‌پردازیم.
1. انتشار ساده
در انتشار ساده، مولکول‌ها تمایل دارند از ناحیه‌ای که غلظت بیشتری دارند به سمت ناحیه‌ای با غلظت کمتر حرکت کنند، بدون آنکه انرژی از سوی یاخته صرف شود.
این حرکت ناشی از انرژی جنبشی مولکول‌هاست و نیازی به صرف انرژی زیستی توسط یاخته ندارد.
عبور مولکول‌ها در انتشار ساده از منافذ بین فسفولیپیدهای غشایی انجام می‌شود.
نتیجه نهایی این فرایند، یکسان شدن غلظت ماده در سراسر محیط است.
یاخته در این فرآیند هیچ‌گونه انرژی مصرف نمی‌کند.
برای نمونه، مولکول‌هایی مانند اکسیژن و دی‌اکسید کربن می‌توانند از طریق این روش بدون کمک مولکولی از غشا عبور کنند.
شکل 11 - انتشار ساده
نمونه‌های انتشار ساده در جانداران:
در بدن انسان، تبادل اکسیژن و کربن دی‌اکسید بین شش‌ها و بافت‌ها از طریق انتشار ساده انجام می‌شود.
در جانداران تک‌یاخته‌ای مانند پارامسی، تنفس از طریق انتشار ساده صورت می‌گیرد.
در سخت‌پوستان، مواد دفعی نیتروژن‌دار با استفاده از انتشار ساده از طریق آبشش‌ها خارج می‌شوند.
2. انتشار تسهیل‌شده
در انتشار تسهیل‌شده، انتقال مواد به وسیله ساختارهای پروتئینی خاصی در غشا انجام می‌گیرد که برای عبور هدفمند مولکول‌ها مسیر فراهم می‌کنند.
این پروتئین‌ها با ایجاد مسیرهای عبور، انتقال مولکول‌ها را تسهیل می‌کنند.
با وجود مشارکت پروتئین‌ها، چون انتقال در جهت شیب غلظت است، انرژی زیستی مصرف نمی‌شود.
شکل 12 - انتشار تسهیل شده
3. گذرندگی (اسمز)
به انتشار آب از غشایی با تراوایی نسبی، اسمز گفته می‌شود.
سازوکار اسمز
اگر دو محلول با غلظت‌های متفاوت در دو سوی یک غشا با نفوذپذیری انتخابی قرار گیرند، ولی تنها مولکول‌های آب قادر به عبور باشند، آب از ناحیه‌ای با غلظت آب بیشتر (یا فشار اسمزی کمتر) به ناحیه‌ای با غلظت آب کمتر (یا فشار اسمزی بیشتر) حرکت می‌کند.
این حرکت خالص آب از ناحیه‌ای با غلظت بالاتر به ناحیه با غلظت پایین‌تر را اسمز می‌نامند.
مثلا در لوله‌ای U شکل با یک غشای تراوا در وسط:
یک طرف آب خالص و طرف دیگر محلول شکر قرار دارد.
غشا تنها به آب اجازه عبور می‌دهد.
در نتیجه آب از سمت دارای آب بیشتر (آب خالص) به سمت دارای آب کمتر (محلول شکر) حرکت می‌کند.
پس از مدتی، سطح محلول در سمت چپ (محلول شکر) بالا می‌رود و در نتیجه ارتفاع ستون مایع افزایش می‌یابد.
این افزایش باعث ایجاد فشار در آن سو می‌شود. این فشار به تدریج به حدی می‌رسد که جریان آب متوقف می‌شود.
شکل 13 - اُسمز
فشار اسمزی
به فشاری که لازم است تا این جریان آب را متوقف کند، فشار اسمزی گفته می‌شود.
هر چه اختلاف تعداد مولکول‌های آب در واحد حجم در دو سوی غشا بیشتر باشد، فشار اسمزی محلول بیشتر خواهد بود و سرعت حرکت آب نیز افزایش می‌یابد.
فشار اسمزی با مقدار حل‌شونده‌ها در واحد حجم نسبت مستقیم دارد.
نتیجه نهایی اسمز
جابه‌جایی خالص آب از محلولی با فشار اسمزی کمتر به محلولی با فشار اسمزی بیشتر است.
محلولی که آب بیشتری دارد، فشار اسمزی کمتری دارد و آب از آنجا به سمت محلول غلیظ‌تر منتقل می‌شود.
نکته: در برخی یاخته‌های گیاهی و جانوری، عبور آب از غشا با کمک پروتئین‌های ویژه‌ای انجام می‌شود که باعث افزایش سرعت جریان آب می‌شوند؛ این حالت نیز نوعی اسمز است.
اسمز در یاخته‌های بدن انسان
در بدن انسان، فشار اسمزی مایع اطراف یاخته‌ها تقریبا با فشار اسمزی درون آنها مشابه است.
این هم‌ترازی مانع ورود بیش از حد آب به یاخته‌ها می‌شود و آنها را از ترکیدن محافظت می‌کند.
این تنظیم فشار اسمزی بخشی از پدیدهٔ هم‌ایستایی (هومئوستازی) است.
اختلال در این تعادل می‌تواند منجر به تورم یاخته‌ها و در نهایت آسیب جدی به آنها شود.
اسمز از پرده‌ای با تراوایی نسبی
سه‌چهارم یک ظرف شیشه‌ای (یا بشر) را آب بریزید.
با لبه قاشق به انتهای مدور یک تخم مرغ، آهسته ضربه بزنید و با ناخن تکه کوچکی به اندازه نوک انگشت از پوسته آهکی آن جدا کنید. تخم مرغ را روی ظرف شیشه‌ای طوری قرار دهید که پوسته نازک آن با آب در تماس باشد. در طرف مقابل تخم مرغ سوراخی به اندازه قطر نی ایجاد کنید و نی را تا 2/5 سانتیمتر درون سوراخ و غشای نازک زیر آن فرو ببرید.
در نهایت، فضای بین نی و پوسته تخم مرغ را با خمیر بازی پر کنید و ظرف را یک شب در جای مناسبی قرار دهید. در این صورت، مشاهده می‌کنید که: غشای تخم مرغ مانند پردۀ نیمه تراوا عمل می‌کند و آب درون نی به علت اسمز، بالا می‌رود.
حالا اگر پوسته آهکی یک تخم مرغ را با قرار دادن آن در سرکه از بین ببریم و تخم مرغ بدون پوسته را یک بار در آب مقطر و بار دیگر در محلول نمک غلیظ قرار دهیم مشاهده می‌کنیم که: درون آب مقطر، تخم مرغ متورم شده و در آب نمک غلیظ، چروکیده می‌شود. علت آن، پدیده اسمز است.
مقایسه روش‌های عبور مواد از غشا در جهت شیب غلظت
ویژگی | انتشار ساده | انتشار تسهیل‌شده | اسمز |
مصرف انرژی زیستی | ندارد. | ندارد. | ندارد. |
جهت حرکت | در جهت شیب غلظت | در جهت شیب غلظت | در جهت شیب غلظت آب |
مولکول‌های عبوری | کوچک و غیرقطبی (مثل
،
) | مولکول‌های بزرگتر یا قطبی‌تر | فقط آب |
نیاز به پروتئین غشایی | ندارد (از منافذ بین فسفولیپیدها) | دارد (پروتئین‌های حامل یا کانالی) | گاهی دارد. |
نوع غشا | بدون نیاز به غشای خاص | بدون نیاز به غشای خاص | غشای با نفوذپذیری انتخابی |
انتقال فعال
در انتقال فعال، یاخته مواد را از ناحیه‌ای با غلظت کمتر به سوی ناحیه‌ای با غلظت بالاتر حرکت می‌دهد، یعنی برخلاف جهت طبیعی انتشار. برخلاف انتشار ساده یا انتشار تسهیل‌شده که بدون صرف انرژی و در جهت شیب غلظت صورت می‌گیرند، انتقال فعال نیاز به انرژی دارد.
برای انجام این فرایند، یاخته می‌تواند از مولکول ATP به‌عنوان منبع انرژی استفاده کند.
مولکول‌های پروتئینی خاصی در غشای یاخته، که به آنها پمپ‌های غشایی گفته می‌شود، با مصرف انرژی (مثل مولکول ATP) مواد را از عرض غشا عبور می‌دهند.
این جابه‌جایی برخلاف انتشار، باعث افزایش اختلاف غلظت در دو سوی غشا می‌شود.
شکل 14 - انتقال فعّال
مقایسه انتقال فعال با انتشار ساده و تسهیل‌شده
ویژگی | انتقال فعال | انتشار ساده | انتشار تسهیل‌شده |
جهت حرکت مواد | در خلاف جهت شیب غلظت | در جهت شیب غلظت | در جهت شیب غلظت |
نیاز به انرژی | دارد (ATP) | ندارد. | ندارد. |
نقش پروتئین‌های غشایی | دارد. | ندارد. | دارد. |
درون‌بری (آندوسیتوز) و برون‌رانی (اگزوسیتوز)
در کنار انتقال فعال، بعضی از یاخته‌ها برای جابه‌جایی ذرات بزرگ (مانند پروتئین‌ها، ذرات غذایی یا ترشحات) از درون‌بری (آندوسیتوز) و برون‌رانی (اگزوسیتوز) بهره می‌برند که با مصرف ATP و با تشکیل ریزکیسه‌ها انجام می‌شود.
نکته: برخلاف انتشار و انتقال فعال، درون‌بری و برون‌رانی با شیب غلظت ارتباطی ندارند.
درون‌بری (آندوسیتوز)
در این فرایند، یاخته برای وارد کردن ذره‌های بزرگ به درون خود، ابتدا بخشی از غشا را به صورت فرورفته درآورده و سپس با صرف انرژی (ATP)، آن بخش را جدا کرده و به صورت یک کیسه غشایی به درون خود وارد می‌کند.
این کیسه غشایی که از غشا منشأ گرفته است، به نام ریزکیسه شناخته می‌شود.
در پارامسی (نوعی از آغازیان) یا برخی جانداران دارای حفره گوارشی (مثل هیدر)، ساختارهایی به نام واکوئول غذایی از طریق درون‌بری شکل می‌گیرند تا گوارش درون‌یاخته‌ای انجام شود.
درون‌بری همچنین می‌تواند باعث کاهش مساحت غشای یاخته شود، چراکه بخشی از غشا به درون آن راه می‌یابد.
برون‌رانی (اگزوسیتوز)
برون‌رانی به معنای خروج ذرات بزرگ از یاخته است. در این فرایند، ریزکیسه‌هایی که درون یاخته تشکیل شده‌اند، به سمت غشا حرکت می‌کنند و با آن ادغام می‌شوند تا محتویات خود را به خارج از یاخته منتقل کنند.
این فرایند نیز به انرژی ATP نیاز دارد.
از برون‌رانی برای ترشح آنزیم‌های گوارشی و دفع مواد زاید استفاده می‌شود؛ به‌طور نمونه در پارامسی، واکوئول‌های دفعی از این طریق مواد را از یاخته خارج می‌کنند.
ادغام ریزکیسه با غشای یاخته در برون‌رانی موجب افزایش سطح غشا می‌شود.
نکته مهم اینکه، درون‌بری و برون‌رانی برای عبور ذرات درشتی مانند پروتئین‌ها از عرض غشا نقش دارند و برخلاف انتقال فعال، با عملکرد ریزکیسه‌ها انجام می‌شوند، نه با کمک پروتئین‌های غشایی.
فرایندهای برون‌رانی و درون‌بری در همه یاخته‌ها وجود ندارند؛ مثلاً در باکتری‌ها دیده نمی‌شوند.
شکل 15 - الف) برون‌رانی
شکل 15 - ب) درون‌بری