هر یک از تریلیون‌ها سلول انسانی موجود در بدن، یک ساختار زنده است که اگر مایعات اطراف آن حاوی مواد مغذی مناسب و سایر اجزای لازم باشند، می‌تواند ماه‌ها یا سال‌ها زنده بماند. سلول‌ها واحدهای سازندهٔ بدن‌اند؛ به بافت‌ها و اندام‌ها ساختار می‌دهند، مواد مغذی را دریافت کرده و به انرژی تبدیل می‌کنند و اعمال تخصصی خود را انجام می‌دهند. سلول‌ها همچنین حاوی رمز وراثتی بدن هستند؛ رمزی که موادی را که سلول‌ها می‌سازند کنترل می‌کند و به آن‌ها امکان می‌دهد از خود نسخه‌های جدیدی ایجاد کنند.
سازمان کلی سلول و مواد تشکیل‌دهندهٔ پروتوپلاسم
یک طرح شماتیک از یک سلول تیپیک، همان‌گونه که با میکروسکوپ نوری دیده می‌شود، در شکل ۲٫۱ نشان داده شده است. دو بخش عمدهٔ سلول، هسته و سیتوپلاسم هستند. هسته به‌وسیلهٔ غشای هسته از سیتوپلاسم جدا می‌شود و سیتوپلاسم نیز به‌وسیلهٔ غشای سلول ــ که غشای پلاسمایی نیز نامیده می‌شود ــ از مایعات اطراف جدا می‌گردد.
مواد مختلفی که سلول را می‌سازند در مجموع پروتوپلاسم (Protoplasm) نامیده می‌شوند. پروتوپلاسم عمدتاً از پنج مادهٔ پایه تشکیل شده است: آب، الکترولیت‌ها، پروتئین‌ها، لیپیدها و کربوهیدرات‌ها.
آب
بیشتر سلول‌ها، به‌جز سلول‌های چربی، عمدتاً از آب تشکیل شده‌اند و غلظت آب در آن‌ها حدود ۷۰ تا ۸۵ درصد است. بسیاری از مواد شیمیایی سلولی در آب حل شده‌اند. برخی دیگر به‌صورت ذرات جامد در آب معلق‌اند. واکنش‌های شیمیایی میان مواد حل‌شده یا روی سطح ذرات معلق یا غشاها انجام می‌شوند.
یون‌ها
برخی از یون‌های مهم داخل سلول شامل پتاسیم، منیزیم، فسفات، سولفات و بیکربنات‌اند و مقادیر کمتری از سدیم، کلرید و کلسیم نیز وجود دارد. همهٔ این یون‌ها در فصل ۴، هنگام بررسی روابط میان مایعات داخل‌سلولی و خارج‌سلولی، بحث می‌شوند.
یون‌ها مواد شیمیایی غیرآلی لازم برای واکنش‌های سلولی را فراهم می‌کنند و برای عملکرد برخی سازوکارهای کنترلی سلول ضروری‌اند. برای مثال، یون‌هایی که در غشای سلول عمل می‌کنند برای انتقال تکانه‌های الکتروشیمیایی در رشته‌های عصبی و عضلانی لازم‌اند.
پروتئین‌ها
پس از آب، فراوان‌ترین مواد موجود در بیشتر سلول‌ها پروتئین‌ها هستند که به‌طور طبیعی ۱۰ تا ۲۰ درصد جرم سلول را تشکیل می‌دهند. این پروتئین‌ها را می‌توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد: پروتئین‌های ساختمانی و پروتئین‌های عملکردی.
پروتئین‌های ساختمانی در سلول عمدتاً به‌صورت فیلامان‌های بلندی حضور دارند که پلیمرهایی از تعداد زیادی مولکول پروتئینی منفرد هستند. یکی از کاربردهای برجستهٔ این فیلامان‌های داخل‌سلولی، تشکیل میکروتوبول‌هاست؛ ساختارهایی که اسکلت سلولی اندامک‌هایی مانند مژک‌ها، آکسون‌های عصبی و دوک‌های میتوزیِ سلول‌های در حال میتوز را می‌سازند. همچنین شبکه‌ای درهم‌پیچیده از توبول‌های فیلامانی نازک، اجزای سیتوپلاسم و نوکلئوپلاسم را در بخش‌های مربوط به خود کنار هم نگه می‌دارد. پروتئین‌های فیبری در خارج سلول نیز یافت می‌شوند؛ به‌ویژه در رشته‌های کلاژن و الاستین بافت همبند و نیز در ساختارهایی مانند دیوارهٔ عروق خونی، تاندون‌ها و رباط‌ها.
پروتئین‌های عملکردی معمولاً از ترکیب چند مولکول با شکل لوله‌ای ـ کروی ساخته می‌شوند. این پروتئین‌ها عمدتاً آنزیم‌های سلول هستند و برخلاف پروتئین‌های فیبری، اغلب در مایع سلولی قابلیت حرکت دارند. بسیاری از آن‌ها نیز به ساختارهای غشایی داخل سلول متصل می‌شوند و واکنش‌های شیمیایی اختصاصی داخل‌سلولی را کاتالیز می‌کنند. برای مثال، مجموعه‌ای از آنزیم‌های پروتئینی واکنش‌هایی را کاتالیز می‌کنند که گلوکز را به اجزای آن تجزیه می‌کنند و سپس این اجزا را با اکسیژن ترکیب می‌کنند تا دی‌اکسید کربن و آب ساخته شود؛ همزمان انرژی لازم برای عملکرد سلول نیز فراهم می‌شود.
لیپیدها
لیپیدها شامل چند نوع ماده‌اند که به‌علت ویژگی مشترکِ محلول‌بودن در حلال‌های چربی در یک گروه قرار می‌گیرند. مهم‌ترین لیپیدها فسفولیپیدها و کلسترول‌اند که روی‌هم تنها حدود ۲ درصد جرم کل سلول را تشکیل می‌دهند. فسفولیپیدها و کلسترول عمدتاً در آب نامحلول‌اند و به همین دلیل برای تشکیل غشای سلول و موانع غشایی داخل‌سلولی که بخش‌های مختلف سلول را از هم جدا می‌کنند به‌کار می‌روند.
علاوه بر فسفولیپیدها و کلسترول، برخی سلول‌ها مقادیر زیادی تری‌گلیسرید دارند که چربی‌های خنثی نیز نامیده می‌شوند. در سلول‌های چربی یا آدیپوسیت‌ها، تری‌گلیسریدها گاهی تا ۹۵ درصد جرم سلول را تشکیل می‌دهند. چربی ذخیره‌شده در این سلول‌ها مهم‌ترین انبار مواد مغذی انرژی‌زا در بدن است و بعداً هر جا بدن به انرژی نیاز داشته باشد می‌تواند مصرف شود.
کربوهیدرات‌ها
کربوهیدرات‌ها نقش عمده‌ای در تغذیهٔ سلول دارند و به‌عنوان بخشی از مولکول‌های گلیکوپروتئینی، اعمال ساختمانی نیز انجام می‌دهند. بیشتر سلول‌های انسان ذخایر بزرگی از کربوهیدرات نگه نمی‌دارند؛ مقدار آن معمولاً فقط حدود ۱ درصد جرم کل سلول است، اما در سلول‌های عضلانی تا حدود ۳ درصد و گاهی در سلول‌های کبدی تا ۶ درصد افزایش می‌یابد. بااین‌حال، کربوهیدرات به شکل گلوکز حل‌شده همیشه در مایع خارج‌سلولی اطراف وجود دارد و به‌آسانی در دسترس سلول است. همچنین مقدار کمی کربوهیدرات به شکل گلیکوژن در سلول ذخیره می‌شود؛ گلیکوژن پلیمر نامحلول گلوکز است که می‌تواند سریعاً دپلیمریزه شود و برای تأمین نیازهای انرژی سلول به‌کار رود.
اندامک‌ها و ساختارهای غشایی سلول
سلول دارای ساختارهای فیزیکی بسیار سازمان‌یافته‌ای به نام اندامک‌های داخل‌سلولی است که برای عملکرد سلول حیاتی‌اند. برای مثال، اگر یکی از این اندامک‌ها یعنی میتوکندری وجود نداشته باشد، بیش از ۹۵ درصد آزادسازی انرژی سلول از مواد مغذی بلافاصله متوقف می‌شود. برخی از مهم‌ترین اندامک‌ها و سایر ساختارهای سلول در شکل ۲٫۲ نشان داده شده‌اند.
بیشتر اندامک‌های سلول با غشاهایی پوشیده شده‌اند که عمدتاً از لیپیدها و پروتئین‌ها تشکیل شده‌اند. این غشاها شامل غشای سلولی که تمام سلول را احاطه می‌کند، غشای هسته، غشای شبکهٔ آندوپلاسمی و غشاهای میتوکندری‌ها، لیزوزوم‌ها، پراکسی‌زوم‌ها و دستگاه گلژی‌اند.
لیپیدهای موجود در غشاها مانعی ایجاد می‌کنند که حرکت آب و مواد محلول در آب را از یک بخش سلولی به بخش دیگر محدود می‌کند، زیرا آب در لیپیدها حل نمی‌شود. بااین‌حال، مولکول‌های پروتئینی اغلب تمام ضخامت غشا را طی می‌کنند و مسیرهای تخصص‌یافته‌ای ــ که بسیاری از آن‌ها به شکل منفذ سازمان یافته‌اند ــ برای عبور مواد اختصاصی از غشا فراهم می‌کنند. افزون بر این، بسیاری از پروتئین‌های غشایی دیگر آنزیم هستند و طیف وسیعی از واکنش‌های شیمیایی را کاتالیز می‌کنند؛ واکنش‌هایی که هم در این فصل و هم در فصل‌های بعد بررسی می‌شوند.
غشای سلول یک دولایهٔ لیپیدی است که پروتئین‌ها در آن جای گرفته‌اند
غشای سلول، که غشای پلاسمایی نیز نامیده می‌شود، سلول را می‌پوشاند و ساختاری نازک، انعطاف‌پذیر و کشسان با ضخامت فقط ۷٫۵ تا ۱۰ نانومتر است. این غشا تقریباً به‌طور کامل از پروتئین و لیپید ساخته شده است. ترکیب تقریبی آن شامل ۵۵ درصد پروتئین، ۲۵ درصد فسفولیپید، ۱۳ درصد کلسترول، ۴ درصد سایر لیپیدها و ۳ درصد کربوهیدرات است.
شکل ۲٫۳ ساختار غشای سلول را نشان می‌دهد. ساختار پایهٔ آن یک دولایهٔ لیپیدی است؛ فیلمی نازک و دولایه از لیپید که هر لایه فقط به اندازهٔ یک مولکول ضخامت دارد و به‌صورت پیوسته کل سطح سلول را می‌پوشاند. در میان این فیلم لیپیدی، پروتئین‌های کروی بزرگی پراکنده‌اند.
دولایهٔ لیپیدی پایه از سه نوع اصلی لیپید تشکیل شده است: فسفولیپیدها، اسفنگولیپیدها و کلسترول. فسفولیپیدها فراوان‌ترین لیپیدهای غشای سلول‌اند. انتهای فسفاتی هر مولکول فسفولیپید آب‌دوست و محلول در آب است؛ انتهای دیگر، یعنی بخش اسید چرب، آب‌گریز است و فقط در چربی‌ها حل می‌شود.
از آنجا که بخش‌های آب‌گریز مولکول‌های فسفولیپید از آب دفع می‌شوند اما به یکدیگر جاذبه دارند، به‌طور طبیعی تمایل دارند در بخش میانی غشا به یکدیگر متصل شوند، همان‌گونه که در شکل ۲٫۳ دیده می‌شود. در نتیجه، بخش‌های فسفاتی آب‌دوست دو سطح کامل غشای سلول را می‌سازند؛ سطح داخلی با آب داخل‌سلولی و سطح خارجی با آب خارج‌سلولی تماس دارد.
لایهٔ لیپیدی در میانهٔ غشا نسبت به مواد معمولِ محلول در آب، مانند یون‌ها، گلوکز و اوره، نفوذناپذیر است. در مقابل، مواد محلول در چربی مانند اکسیژن، دی‌اکسید کربن و الکل به‌آسانی از این بخش غشا عبور می‌کنند.
اسفنگولیپیدها که از آمینوالکل اسفنگوزین مشتق می‌شوند نیز دارای گروه‌های آب‌گریز و آب‌دوست‌اند و به مقدار کم در غشای سلول‌ها، به‌خصوص سلول‌های عصبی، وجود دارند. اسفنگولیپیدهای پیچیده در غشای سلول چندین عملکرد دارند؛ از جمله محافظت در برابر عوامل زیان‌آور محیطی، انتقال پیام و ایجاد محل اتصال برای پروتئین‌های خارج‌سلولی.
مولکول‌های کلسترول موجود در غشا نیز لیپید به‌شمار می‌روند، زیرا هسته‌های استروئیدی آن‌ها در چربی بسیار محلول‌اند. این مولکول‌ها به‌نوعی در دولایهٔ غشا حل شده‌اند. نقش اصلی آن‌ها کمک به تعیین میزان نفوذپذیری ــ یا نفوذناپذیری ــ دولایه نسبت به اجزای محلول در آبِ مایعات بدن است. کلسترول همچنین بخش بزرگی از سیالیت غشا را کنترل می‌کند.
پروتئین‌های یکپارچه و محیطی غشای سلول
شکل ۲٫۳ همچنین توده‌های کروی شناوری را در دولایهٔ لیپیدی نشان می‌دهد. این پروتئین‌های غشایی عمدتاً گلیکوپروتئین‌اند. دو نوع پروتئین غشای سلول وجود دارد: پروتئین‌های یکپارچه که سراسر غشا را طی می‌کنند، و پروتئین‌های محیطی که به یک پروتئین یکپارچه یا فقط به یکی از سطوح غشا متصل‌اند و از تمام ضخامت غشا عبور نمی‌کنند.
بسیاری از پروتئین‌های یکپارچه، کانال‌های ساختمانی یا منافذی فراهم می‌کنند که مولکول‌های آب و مواد محلول در آب، به‌ویژه یون‌ها، می‌توانند از طریق آن‌ها بین مایعات خارج‌سلولی و داخل‌سلولی منتشر شوند. این کانال‌های پروتئینی ویژگی‌های انتخابی نیز دارند و به بعضی مواد اجازه می‌دهند ترجیحاً بیش از مواد دیگر منتشر شوند.
برخی دیگر از پروتئین‌های یکپارچه به‌عنوان پروتئین حامل عمل می‌کنند و موادی را منتقل می‌کنند که در حالت عادی نمی‌توانند از دولایهٔ لیپیدی عبور کنند. گاهی این پروتئین‌های حامل حتی مواد را در جهتی مخالف شیب الکتروشیمیایی انتشار جابه‌جا می‌کنند که انتقال فعال نام دارد. گروهی دیگر نیز به‌عنوان آنزیم عمل می‌کنند.
پروتئین‌های یکپارچهٔ غشایی همچنین می‌توانند به‌عنوان گیرندهٔ مواد شیمیایی محلول در آب، مانند هورمون‌های پپتیدی، عمل کنند؛ موادی که به‌آسانی از غشای سلول عبور نمی‌کنند. برهم‌کنش گیرنده‌های غشای سلول با لیگاندهای اختصاصی که به گیرنده متصل می‌شوند، تغییرات ساختمانی در پروتئین گیرنده ایجاد می‌کند. این فرایند به نوبهٔ خود بخش داخل‌سلولی پروتئین را به‌صورت آنزیمی فعال می‌کند یا تعامل میان گیرنده و پروتئین‌های سیتوپلاسمی را القا می‌کند که به‌عنوان پیام‌رسان دوم عمل می‌کنند و پیام را از بخش خارج‌سلولی گیرنده به داخل سلول منتقل می‌سازند. به این ترتیب، پروتئین‌های یکپارچه‌ای که سراسر غشای سلول را می‌پیمایند راهی برای انتقال اطلاعات مربوط به محیط به داخل سلول فراهم می‌کنند.
مولکول‌های پروتئینی محیطی اغلب به پروتئین‌های یکپارچه متصل‌اند. این پروتئین‌های محیطی تقریباً به‌طور کامل به‌عنوان آنزیم یا کنترل‌کنندهٔ انتقال مواد از منافذ غشای سلول عمل می‌کنند.
کربوهیدرات‌های غشا — «گلیکوکالیکس» سلول
کربوهیدرات‌های غشایی تقریباً همیشه در ترکیب با پروتئین‌ها یا لیپیدها و به شکل گلیکوپروتئین یا گلیکولیپید وجود دارند. در واقع، بیشتر پروتئین‌های یکپارچه گلیکوپروتئین‌اند و حدود یک‌دهم مولکول‌های لیپیدی غشا گلیکولیپید هستند. بخش‌های گلیکو در این مولکول‌ها تقریباً همیشه به سمت خارج سلول برجسته می‌شوند و از سطح سلول آویزان‌اند. بسیاری از ترکیبات کربوهیدراتی دیگر که پروتئوگلیکان نامیده می‌شوند و عمدتاً از کربوهیدرات متصل به هسته‌های کوچک پروتئینی ساخته شده‌اند، به‌طور شل به سطح خارجی سلول متصل‌اند. بنابراین کل سطح خارجی سلول اغلب دارای پوشش کربوهیدراتی شلی به نام گلیکوکالیکس است.
بخش‌های کربوهیدراتی متصل به سطح خارجی سلول چند عملکرد مهم دارند:
- بسیاری از آن‌ها بار الکتریکی منفی دارند؛ در نتیجه بیشتر سلول‌ها در سطح خود بار کلی منفی پیدا می‌کنند که اجسام دارای بار منفی دیگر را دفع می‌کند.
- گلیکوکالیکس برخی سلول‌ها به گلیکوکالیکس سلول‌های دیگر متصل می‌شود و به این ترتیب سلول‌ها را به یکدیگر می‌چسباند.
- بسیاری از کربوهیدرات‌ها به‌عنوان گیرنده برای اتصال هورمون‌هایی مانند انسولین عمل می‌کنند. پس از اتصال، این مجموعه پروتئین‌های داخلی متصل را فعال می‌کند و آن‌ها نیز به نوبهٔ خود آبشاری از آنزیم‌های داخل‌سلولی را فعال می‌سازند.
- برخی بخش‌های کربوهیدراتی در واکنش‌های ایمنی شرکت می‌کنند؛ موضوعی که در فصل ۳۵ بررسی می‌شود.
شبکهٔ آندوپلاسمی، دستگاه گلژی، لیزوزوم‌ها، پراکسی‌زوم‌ها و وزیکول‌های ترشحی
سیتوپلاسم از ذرات و اندامک‌های کوچک و بزرگ پراکنده پر شده است. بخش مایع و ژله‌مانند سیتوپلاسم که ذرات در آن پراکنده‌اند سیتوزول نام دارد و حاوی پروتئین‌های حل‌شده، الکترولیت‌ها، گلوکز و مواد دیگر است.
در سیتوپلاسم، گویچه‌های چربی خنثی، گرانول‌های گلیکوژن، ریبوزوم‌ها، وزیکول‌های ترشحی و پنج اندامک بسیار مهم پراکنده‌اند: شبکهٔ آندوپلاسمی، دستگاه گلژی، میتوکندری‌ها، لیزوزوم‌ها و پراکسی‌زوم‌ها.
شبکهٔ آندوپلاسمی
شکل ۲٫۲ شبکهٔ آندوپلاسمی را نشان می‌دهد؛ شبکه‌ای از ساختارهای لوله‌ای به نام سیسترن‌ها و ساختارهای وزیکولی تخت در سیتوپلاسم. این اندامک به پردازش مولکول‌های ساخته‌شده توسط سلول کمک می‌کند و آن‌ها را برای کاربردهای اختصاصی درون یا بیرون سلول انتقال می‌دهد. توبول‌ها و وزیکول‌ها به یکدیگر متصل‌اند. دیوارهٔ آن‌ها نیز از غشاهای دولایهٔ لیپیدی با مقادیر زیاد پروتئین ساخته شده است و از این نظر به غشای سلول شباهت دارد. مساحت کل سطح این ساختار در برخی سلول‌ها، برای مثال سلول‌های کبدی، می‌تواند به ۳۰ تا ۴۰ برابر مساحت غشای سلول برسد.
ساختار دقیق بخش کوچکی از شبکهٔ آندوپلاسمی در شکل ۲٫۴ نشان داده شده است. فضای داخل توبول‌ها و وزیکول‌ها که معمولاً فضای سیسترنی نامیده می‌شود، با ماتریکس آندوپلاسمی پر شده است؛ محیطی آبکی که با مایع سیتوزول در خارج شبکهٔ آندوپلاسمی تفاوت دارد. فضای داخل شبکهٔ آندوپلاسمی با فضای میان دو سطح غشای هسته در ارتباط است و به این ترتیب مجرایی میان هسته و سیتوپلاسم فراهم می‌شود.
موادی که در برخی بخش‌های سلول ساخته می‌شوند وارد فضای شبکهٔ آندوپلاسمی شده و سپس به بخش‌های دیگر سلول هدایت می‌شوند. همچنین سطح بسیار وسیع شبکهٔ آندوپلاسمی و سامانه‌های آنزیمی متعدد متصل به غشاهای آن، مکانیسم لازم برای بخش بزرگی از اعمال متابولیک سلول را فراهم می‌کنند.
ریبوزوم‌ها و شبکهٔ آندوپلاسمی زبر (گرانول‌دار)
به سطوح خارجی بسیاری از بخش‌های شبکهٔ آندوپلاسمی تعداد زیادی ذرهٔ گرانولی بسیار کوچک به نام ریبوزوم متصل است. در مناطقی که این ذرات وجود دارند، شبکه را شبکهٔ آندوپلاسمی زبر یا گرانول‌دار می‌نامند. ریبوزوم‌ها از مخلوطی از RNA و پروتئین تشکیل شده‌اند و وظیفهٔ آن‌ها سنتز مولکول‌های پروتئینی جدید در سلول است؛ موضوعی که بعداً در همین فصل و نیز در فصل ۳ بررسی می‌شود.
همان‌طور که در شکل ۲٫۴ دیده می‌شود، شبکهٔ آندوپلاسمی زبر مستقیماً با غشای هسته پیوستگی دارد. این ارتباط نزدیک به شبکهٔ آندوپلاسمی و هسته اجازه می‌دهد اطلاعات را به‌طور مؤثر با یکدیگر مبادله کنند. برای مثال، اگر عملکرد شبکهٔ آندوپلاسمی مختل شود و پروتئین‌هایی که پردازش کامل نشده‌اند در اندامک تجمع یابند، شبکهٔ آندوپلاسمی پیامی به هسته می‌فرستد و هسته از طریق فرایندی چندمرحله‌ای، ترجمهٔ ریبوزومی را آهسته می‌کند. این کار زمان بیشتری در اختیار شبکهٔ آندوپلاسمی قرار می‌دهد تا پردازش پروتئین‌ها را جبران کند و به حفظ سلامت سلول کمک می‌کند.
شبکهٔ آندوپلاسمی صاف (بدون گرانول)
بخشی از شبکهٔ آندوپلاسمی ریبوزوم متصل ندارد. این قسمت شبکهٔ آندوپلاسمی صاف یا بدون گرانول نام دارد و از شبکهٔ آندوپلاسمی زبر گستردگی کمتری دارد. شبکهٔ آندوپلاسمی صاف در سنتز مواد لیپیدی، سم‌زدایی داروها و سموم و سایر فرایندهای سلولی که به‌وسیلهٔ آنزیم‌های داخل شبکه انجام می‌شوند نقش دارد.
دستگاه گلژی
دستگاه گلژی که در شکل ۲٫۵ نشان داده شده است، ارتباط نزدیکی با شبکهٔ آندوپلاسمی دارد. غشاهای آن مشابه غشاهای شبکهٔ آندوپلاسمی صاف‌اند. دستگاه گلژی معمولاً از چهار یا تعداد بیشتری لایهٔ روی‌هم‌قرارگرفته از وزیکول‌های نازک، تخت و بسته تشکیل شده است که نزدیک یکی از طرف‌های هسته قرار دارند. این دستگاه در سلول‌های ترشحی برجسته‌تر است و در سمتی از سلول قرار می‌گیرد که مواد ترشحی از آن خارج می‌شوند.
دستگاه گلژی در ارتباط با شبکهٔ آندوپلاسمی عمل می‌کند. همان‌طور که در شکل ۲٫۵ دیده می‌شود، وزیکول‌های انتقالی کوچک ــ که وزیکول‌های شبکهٔ آندوپلاسمی نیز نامیده می‌شوند ــ به‌طور مداوم از شبکهٔ آندوپلاسمی جدا می‌شوند و اندکی بعد با دستگاه گلژی ادغام می‌گردند. به این ترتیب، مواد به‌دام‌افتاده در وزیکول‌های شبکهٔ آندوپلاسمی از شبکهٔ آندوپلاسمی به دستگاه گلژی منتقل می‌شوند؛ دستگاه گلژی آن‌ها را برای صدور به خارج سلول یا انتقال به محل‌های دیگر درون سلول آماده می‌کند. برخی موادی که در دستگاه گلژی پردازش می‌شوند برای ساخت لیزوزوم‌ها، وزیکول‌های ترشحی و سایر اجزای سیتوپلاسمی به‌کار می‌روند.
لیزوزوم‌ها
لیزوزوم‌ها که در شکل‌های ۲٫۲ و ۲٫۶ نشان داده شده‌اند، اندامک‌های وزیکولی‌ای هستند که با جوانه‌زدن از غشای دستگاه گلژی تشکیل می‌شوند و سپس در سراسر سیتوپلاسم پراکنده می‌گردند. لیزوزوم‌ها یک دستگاه گوارشی داخل‌سلولی فراهم می‌کنند که به سلول اجازه می‌دهد سه گروه از مواد را هضم کند: ۱) ساختارهای آسیب‌دیدهٔ سلولی؛ ۲) ذرات غذایی بلعیده‌شده توسط سلول؛ و ۳) مواد ناخواسته مانند باکتری‌ها و ویروس‌ها.
لیزوزوم‌ها در همهٔ سلول‌ها یافت می‌شوند، اما در سلول‌های مقابله‌کننده با بیماری ــ مانند گلبول‌های سفید ــ که باید مقدار بیشتری مواد حاصل از باکتری‌ها و ویروس‌ها را هضم کنند، تعدادشان بیشتر است. قطر لیزوزوم‌ها معمولاً ۲۵۰ تا ۷۵۰ نانومتر است. آن‌ها با غشای دولایهٔ لیپیدی معمولی احاطه شده‌اند و با تعداد زیادی گرانول کوچک به قطر ۵ تا ۸ نانومتر پر شده‌اند. این گرانول‌ها تجمعات پروتئینیِ تا حدود ۴۰ نوع آنزیم هیدرولاز یا گوارشی متفاوت‌اند. یک آنزیم هیدرولیتیک می‌تواند یک ترکیب آلی را با استفاده از آب به دو یا چند بخش بشکند؛ هیدروژنِ مولکول آب با یک بخش و گروه هیدروکسیل با بخش دیگر ترکیب می‌شود. برای مثال، پروتئین با هیدرولیز به اسیدهای آمینه، گلیکوژن به گلوکز و لیپیدها به اسیدهای چرب و گلیسرول تبدیل می‌شوند.
آنزیم‌های هیدرولیتیک در لیزوزوم‌ها بسیار غلیظ‌اند. در حالت عادی، غشای اطراف لیزوزوم مانع تماس این آنزیم‌ها با مواد دیگر سلول می‌شود و از عمل گوارشی آن‌ها جلوگیری می‌کند. سلول همچنین به دلیل وابستگی این آنزیم‌ها به محیط اسیدی از تماس با آن‌ها محافظت می‌شود. ماتریکس لیزوزوم با pH حدود ۴٫۸ برای فعالیت آنزیمی مناسب است، اما pH خنثی سیتوزول بیشتر آنزیم‌های گوارشی را غیرفعال می‌کند. بااین‌حال، در برخی شرایط غشای لیزوزوم‌ها می‌شکند و آنزیم‌های گوارشی آزاد می‌شوند. این آنزیم‌ها مواد آلیِ در تماس با خود را به مواد کوچک و بسیار قابل انتشار مانند اسیدهای آمینه و گلوکز تجزیه می‌کنند. برخی عملکردهای اختصاصی لیزوزوم‌ها بعداً در همین فصل بررسی می‌شوند.
اختلالات آنزیمی لیزوزوم که هضم سلولی را مختل می‌کنند می‌توانند سبب چندین بیماری انسانی شوند. برای مثال، بیماری Tay-Sachs یک اختلال ژنتیکی نادر است که از جهش ژن آنزیم لیزوزومی هگزوزآمینیداز A ایجاد می‌شود؛ آنزیمی که لیپیدهای پیچیده‌ای به نام گانگلیوزیدها را در مغز و سلول‌های عصبی تجزیه می‌کند. تجمع بیش‌ازحد این لیپیدها به دستگاه عصبی آسیب می‌زند و موجب نقص شناختی، اختلال مهارت‌های حرکتی و اغلب مرگ زودرس می‌شود. در شکل شیرخوارگی Tay-Sachs که با فقدان تقریباً کامل فعالیت هگزوزآمینیداز A مشخص می‌شود، علائم معمولاً از ۳ تا ۶ ماهگی آغاز می‌شوند و بیماری ممکن است حدود ۳ تا ۵ سالگی کشنده باشد. اگر مقداری فعالیت آنزیمی باقی مانده باشد، علائم بیماری در سنین بالاتر ظاهر می‌شوند.
پراکسی‌زوم‌ها
چندین اکسیداز، اکسیژن را با یون‌های هیدروژن حاصل از مواد شیمیایی مختلف داخل سلول ترکیب می‌کنند و پراکسید هیدروژن (H₂O₂) می‌سازند. پراکسید هیدروژن ماده‌ای به‌شدت اکسیدکننده است و همراه با کاتالاز ــ آنزیم اکسیداز دیگری که به مقدار زیاد در پراکسی‌زوم‌ها وجود دارد ــ برای اکسیدکردن بسیاری از موادی به‌کار می‌رود که در غیر این صورت ممکن بود برای سلول سمی باشند. برای مثال، تقریباً نیمی از الکلی که فرد می‌نوشد از این طریق در پراکسی‌زوم‌های سلول‌های کبدی به استالدهید سم‌زدایی می‌شود. یکی از عملکردهای عمدهٔ پراکسی‌زوم‌ها کاتابولیسم اسیدهای چرب زنجیره‌بلند است.
تقریباً از هر ۲۰٬۰۰۰ نفر یک نفر دچار نوعی اختلال پراکسی‌زومی است که یا در اثر نقص مولکولی یک آنزیم پراکسی‌زومی منفرد ایجاد می‌شود یا رشد پراکسی‌زوم را مختل کرده و سبب نقص چندین پروتئین می‌گردد. برای مثال، سندرم Zellweger با کاهش تعداد پراکسی‌زوم‌های سلولی همراه است و به اختلالات شدید دستگاه عصبی و متابولیسم منجر می‌شود. سندرم Zellweger از بدو تولد وجود دارد، درمان مؤثری ندارد و معمولاً در سال اول زندگی کشنده است.
وزیکول‌های ترشحی
یکی از عملکردهای مهم بسیاری از سلول‌ها، ترشح مواد شیمیایی اختصاصی است. تقریباً همهٔ این مواد ترشحی به‌وسیلهٔ سامانهٔ شبکهٔ آندوپلاسمی ـ دستگاه گلژی ساخته می‌شوند و سپس از دستگاه گلژی به‌صورت وزیکول‌های ذخیره‌ای به داخل سیتوپلاسم آزاد می‌شوند که وزیکول‌های ترشحی یا گرانول‌های ترشحی نام دارند. شکل ۲٫۷ وزیکول‌های ترشحی تیپیک را درون سلول‌های آسینار پانکراس نشان می‌دهد. این وزیکول‌ها پروآنزیم‌های پروتئینی ــ یعنی آنزیم‌هایی که هنوز فعال نشده‌اند ــ را ذخیره می‌کنند. پروآنزیم‌ها بعداً از غشای خارجی سلول به داخل مجرای پانکراس ترشح می‌شوند و سپس به دوازدهه می‌رسند؛ در آنجا فعال می‌شوند و اعمال گوارشی خود را روی غذای موجود در دستگاه گوارش انجام می‌دهند.
ساختار، تکثیر و ژنوم میتوکندری
میتوکندری‌ها در همهٔ بخش‌های سیتوپلاسم هر سلول وجود دارند، اما تعداد کل آن‌ها در هر سلول بر حسب نیاز انرژی سلول از کمتر از ۱۰۰ تا چند هزار متغیر است. برای مثال، سلول‌های عضلهٔ قلبی یا کاردیومیوسیت‌ها مقادیر زیادی انرژی مصرف می‌کنند و در مقایسه با سلول‌های چربی یا آدیپوسیت‌ها که انرژی بسیار کمتری مصرف می‌کنند، میتوکندری‌های بسیار بیشتری دارند. افزون بر این، میتوکندری‌ها در بخش‌هایی از سلول که بیشترین متابولیسم انرژی را انجام می‌دهند متمرکز می‌شوند. اندازه و شکل میتوکندری‌ها نیز متغیر است. بعضی تنها چند صد نانومتر قطر دارند و کروی‌اند، درحالی‌که برخی دیگر کشیده‌اند و می‌توانند تا ۱ میکرومتر قطر و ۱۰ میکرومتر طول داشته باشند.
ساختار پایهٔ میتوکندری که در شکل ۲٫۸ نشان داده شده است، عمدتاً از دو غشای دولایهٔ لیپیدی ـ پروتئینی تشکیل می‌شود: غشای خارجی و غشای داخلی. غشای خارجی دارای پروتئین‌های کانالی یا پورین است که جریان یون‌ها و متابولیت‌ها را از غشا تنظیم می‌کنند. غشای داخلی چین‌خوردگی‌های فراوانی دارد که صفحات یا توبول‌هایی به نام کریستا می‌سازند و آنزیم‌های اکسیداتیو روی آن‌ها قرار می‌گیرند. کریستاها سطح بزرگی برای انجام واکنش‌های شیمیایی فراهم می‌کنند. افزون بر این، حفرهٔ داخلی میتوکندری با ماتریکسی پر شده است که مقادیر زیادی آنزیم حل‌شدهٔ لازم برای استخراج انرژی از مواد مغذی را در خود دارد. این آنزیم‌ها همراه با آنزیم‌های اکسیداتیو روی کریستاها عمل می‌کنند و با اکسیدکردن مواد مغذی، دی‌اکسید کربن و آب می‌سازند و همزمان انرژی آزاد می‌کنند. انرژی آزادشده برای سنتز مادهٔ پرانرژی آدنوزین تری‌فسفات (ATP) مصرف می‌شود. ATP سپس از میتوکندری خارج می‌شود و در سراسر سلول انتشار می‌یابد تا هر جا برای عملکرد سلولی لازم باشد انرژی خود را آزاد کند. جزئیات شیمیایی تشکیل ATP در میتوکندری در فصل ۶۸ ارائه شده است، اما برخی عملکردهای پایهٔ ATP در ادامهٔ این فصل معرفی می‌شوند.
میتوکندری‌ها قابلیت خودتکثیری دارند؛ یعنی هرگاه سلول به ATP بیشتری نیاز داشته باشد، یک میتوکندری می‌تواند میتوکندری دوم، سپس سوم و به همین ترتیب ایجاد کند. در واقع، میتوکندری‌ها DNA دارند. در فصل ۳ خواهیم دید DNA جزء اصلی هسته است که تکثیر سلول را کنترل می‌کند. DNA میتوکندری نیز نقشی مشابه دارد و تکثیر میتوکندری را کنترل می‌کند. DNA میتوکندری در ماتریکس قرار دارد؛ ماتریکسی که همچنین دارای آنزیم‌ها و ریبوزوم‌های لازم برای سنتز پروتئین است. سلول‌هایی که با نیاز انرژی بیشتری روبه‌رو می‌شوند ــ برای مثال عضلات اسکلتی تحت تمرین ورزشی مزمن ــ می‌توانند تراکم میتوکندری‌های خود را افزایش دهند تا انرژی اضافی لازم را تأمین کنند.
DNA میتوکندریایی یا mtDNA دارای ۳۷ ژن ضروری برای عملکرد میتوکندری است و عمدتاً از مادر به ارث می‌رسد، هرچند شواهدی وجود دارد که در موارد نادر mtDNA ممکن است از پدر نیز منتقل شود. میتوکندری‌های اسپرم معمولاً در دم قرار دارند و هنگام اتصال اسپرم به تخمک در فرایند لقاح، دم جدا می‌شود. بنابراین تقریباً تمام mtDNA که ارگانیسم جدید دریافت می‌کند از تخمک مادر است. به همین دلیل، برخلاف DNA هسته‌ای که از هر دو والد می‌آید، mtDNA در هر نسل دوباره ترکیب و بازآرایی نمی‌شود.
جهش‌های mtDNA ممکن است رخ دهند و به اختلالات میتوکندریایی ارثی که تولید انرژی را مختل می‌کنند منجر شوند. در بیماری‌های ناشی از جهش mtDNA، مولکول‌های طبیعی و جهش‌یافتهٔ mtDNA معمولاً به‌طور همزمان در سلول حضور دارند؛ وضعیتی که هتروپلاسمی (Heteroplasmy) نامیده می‌شود. شدت بیماری‌های میتوکندریایی ناشی از تغییرات ژنتیکی mtDNA تا حدی به مقدار mtDNA جهش‌یافته در سلول‌ها بستگی دارد و این مقدار نیز با تعداد نسخه‌های mtDNA جهش‌یافته در تخمک لقاح‌یافتهٔ مادر تعیین می‌شود. بااین‌حال، بیماری‌های میتوکندریایی می‌توانند از جهش حدود ۱۳۰۰ ژن هسته‌ای که پروتئین‌های تنظیم‌کنندهٔ عملکرد میتوکندری را رمزگذاری می‌کنند نیز ناشی شوند. بیماری‌های میتوکندریایی ناهمگونی قابل‌توجهی دارند و بسته به علت اختصاصی ممکن است از اوایل کودکی تا بزرگسالی آغاز شوند.
ساختارهای فیلامانی و لوله‌ای
اسکلت سلولی شبکه‌ای از پروتئین‌های فیبری است که به شکل فیلامان یا توبول سازمان یافته‌اند. این ساختارها از پروتئین‌های پیش‌ساز که توسط ریبوزوم‌های سیتوپلاسم ساخته می‌شوند منشأ می‌گیرند و سپس مولکول‌های پیش‌ساز با پلیمریزه‌شدن فیلامان‌ها را می‌سازند. برای مثال، تعداد زیادی میکروفیلامان اکتین اغلب در ناحیهٔ خارجی سیتوپلاسم که اکتوپلاسم نام دارد قرار دارند و تکیه‌گاهی کشسان برای غشای سلول ایجاد می‌کنند. در سلول‌های عضلانی نیز فیلامان‌های اکتین و میوزین به یک دستگاه انقباضی اختصاصی سازمان می‌یابند که اساس انقباض عضله است و در فصل ۶ بررسی می‌شود.
فیلامان‌های حدواسط معمولاً رشته‌هایی قوی و شبیه طناب‌اند که اغلب همراه با میکروتوبول‌ها عمل می‌کنند و به ساختارهای ظریف توبولین استحکام و پشتیبانی می‌دهند. علت نام‌گذاری آن‌ها به‌عنوان «حدواسط» این است که قطر متوسطشان بین میکروفیلامان‌های باریک‌تر اکتین و فیلامان‌های پهن‌تر میوزین در سلول‌های عضلانی قرار دارد. اعمال آن‌ها عمدتاً مکانیکی است و نسبت به میکروفیلامان‌های اکتین یا میکروتوبول‌ها پویایی کمتری دارند. همهٔ سلول‌ها فیلامان حدواسط دارند، اما زیرواحدهای پروتئینی این ساختارها بسته به نوع سلول متفاوت است. از انواع اختصاصی می‌توان به فیلامان‌های دسمین در سلول‌های عضلانی، نوروفیلامان‌ها در نورون‌ها و کراتین‌ها در سلول‌های اپی‌تلیال اشاره کرد.
نوع ویژه‌ای از فیلامان سخت که از مولکول‌های توبولین پلیمریزه ساخته شده است در همهٔ سلول‌ها برای تشکیل ساختارهای لوله‌ای محکم یعنی میکروتوبول‌ها به‌کار می‌رود. شکل ۲٫۹ میکروتوبول‌های تیپیک یک سلول را نشان می‌دهد.
نمونهٔ دیگر میکروتوبول‌ها ساختار اسکلتی لوله‌ای در مرکز هر مژک است که از سیتوپلاسم سلول تا نوک مژک امتداد می‌یابد؛ این ساختار بعداً در همین فصل و در شکل ۲٫۱۸ بررسی می‌شود. همچنین سانتریول‌ها و دوک‌های میتوزی سلول‌های در حال میتوز از میکروتوبول‌های سخت ساخته شده‌اند.
یکی از اعمال مهم میکروتوبول‌ها این است که به‌عنوان اسکلت سلولی، ساختارهای فیزیکی سختی برای بخش‌های مشخصی از سلول ایجاد کنند. اسکلت سلولی نه‌تنها شکل سلول را تعیین می‌کند، بلکه در تقسیم سلولی نیز شرکت دارد، امکان حرکت سلول‌ها را فراهم می‌کند و سامانه‌ای شبیه ریل ایجاد می‌کند که حرکت اندامک‌ها را در سلول هدایت می‌کند. میکروتوبول‌ها مانند تسمهٔ نقاله برای انتقال داخل‌سلولی وزیکول‌ها، گرانول‌ها و اندامک‌هایی مانند میتوکندری عمل می‌کنند.
هسته، غشای هسته و تشکیل ریبوزوم‌ها
هسته مرکز کنترل سلول است و پیام‌هایی برای رشد و بلوغ، تکثیر یا مرگ سلول می‌فرستد. به‌طور خلاصه، هسته حاوی مقادیر زیادی DNA است که ژن‌ها را تشکیل می‌دهد. ژن‌ها ویژگی‌های پروتئین‌های سلول را تعیین می‌کنند؛ از جمله پروتئین‌های ساختمانی و آنزیم‌های داخل‌سلولی که فعالیت‌های سیتوپلاسم و هسته را کنترل می‌کنند.
ژن‌ها همچنین تولیدمثل سلول را کنترل و تقویت می‌کنند. ابتدا ژن‌ها همانندسازی می‌کنند تا دو مجموعهٔ یکسان ژن ایجاد شود؛ سپس سلول با فرایند ویژه‌ای به نام میتوز تقسیم می‌شود و دو سلول دختر می‌سازد که هرکدام یکی از دو مجموعهٔ ژن‌های DNA را دریافت می‌کنند. همهٔ این فعالیت‌های هسته در فصل ۳ بررسی می‌شوند.
شکل ۲٫۱۰ ظاهر هسته را در اینترفاز ــ فاصلهٔ میان دو میتوز ــ نشان می‌دهد و مادهٔ کروماتینیِ تیره‌رنگ را در سراسر نوکلئوپلاسم آشکار می‌سازد. در طول میتوز، مادهٔ کروماتینی به شکل کروموزوم‌های بسیار سازمان‌یافته درمی‌آید که با میکروسکوپ نوری به‌آسانی قابل تشخیص‌اند؛ همان‌گونه که در فصل ۳ نشان داده خواهد شد.
غشای هسته
غشای هسته که پوشش هسته‌ای نیز نامیده می‌شود، در واقع از دو غشای دولایهٔ جداگانه تشکیل شده است که یکی درون دیگری قرار دارد. غشای خارجی با شبکهٔ آندوپلاسمی سیتوپلاسم سلول پیوسته است و فضای میان دو غشای هسته نیز با فضای داخل شبکهٔ آندوپلاسمی در ارتباط است؛ همان‌طور که در شکل‌های ۲٫۴ و ۲٫۱۰ دیده می‌شود.
غشای هسته توسط چندین هزار منفذ هسته‌ای سوراخ شده است. مجموعه‌های بزرگ پروتئینی به حاشیهٔ این منافذ متصل‌اند، به‌طوری‌که ناحیهٔ مرکزی هر منفذ فقط حدود ۹ نانومتر قطر دارد و مولکول‌هایی با وزن مولکولی تا حدود ۴۴٬۰۰۰ می‌توانند با سهولت قابل‌قبولی از آن عبور کنند. حتی مولکول‌های بزرگ‌تر نیز می‌توانند از طریق انتقال انتخابیِ وابسته به گیرنده از مجموعه‌های منفذ هسته‌ای عبور کنند.
هسته‌چه‌ها و تشکیل ریبوزوم‌ها
هستهٔ بیشتر سلول‌ها یک یا چند ساختار پررنگ به نام هسته‌چه دارد. هسته‌چه برخلاف بیشتر اندامک‌هایی که تاکنون بررسی شدند غشای محدودکننده ندارد؛ بلکه صرفاً تجمعی از مقدار زیادی RNA و انواع پروتئین‌های موجود در ریبوزوم‌هاست. وقتی سلول به‌طور فعال پروتئین می‌سازد، هسته‌چه به‌طور قابل‌توجهی بزرگ می‌شود.
تشکیل هسته‌چه‌ها و نیز تشکیل ریبوزوم‌های سیتوپلاسمی در هسته آغاز می‌شود. ابتدا ژن‌های اختصاصی DNA روی کروموزوم‌ها موجب سنتز RNA می‌شوند. بخشی از این RNA ساخته‌شده در هسته‌چه‌ها ذخیره می‌شود، اما بیشتر آن از طریق منافذ هسته‌ای به سیتوپلاسم انتقال می‌یابد. در آنجا RNA همراه با پروتئین‌های اختصاصی برای مونتاژ ریبوزوم‌های «بالغ» به‌کار می‌رود؛ ریبوزوم‌هایی که نقش ضروری در تشکیل پروتئین‌های سیتوپلاسمی دارند و در فصل ۳ بررسی می‌شوند.
اندوسیتوز — ورود مواد به داخل سلول
اگرچه سلول‌های بافت‌ها و اندام‌های مختلف بدن انسان بسیار تخصص‌یافته‌اند، بسیاری از اعمال مشترک را نیز انجام می‌دهند. در ادامهٔ این فصل برخی از سامانه‌های عملکردی سلول را بررسی می‌کنیم که آن را به یک ساختار زنده تبدیل می‌کنند.
برای اینکه سلول‌ها زنده بمانند، رشد کنند و تکثیر شوند، باید مواد مغذی و سایر مواد را از مایعات اطراف دریافت کنند. بیشتر مواد از طریق فرایندهای انتشار و انتقال فعال از غشای سلول عبور می‌کنند.
انتشار شامل حرکت ساده از میان غشا در اثر حرکت تصادفی مولکول‌های ماده است. مواد یا از منافذ غشای سلول عبور می‌کنند یا در مورد مواد محلول در چربی، از ماتریکس لیپیدی غشا می‌گذرند.
انتقال فعال شامل حمل واقعی ماده از میان غشا به‌وسیلهٔ ساختار پروتئینی فیزیکی‌ای است که سراسر غشا را طی می‌کند. این مکانیسم‌های انتقال فعال آن‌قدر برای عملکرد سلول مهم‌اند که در فصل ۴ به‌طور مفصل بررسی می‌شوند.
ذرات بزرگ از طریق عملکرد تخصصی غشای سلول به نام اندوسیتوز وارد سلول می‌شوند. دو شکل اصلی اندوسیتوز، پینوسیتوز و فاگوسیتوز هستند. پینوسیتوز یعنی بلع ذرات بسیار کوچک که درون سیتوپلاسم سلول، وزیکول‌هایی از مایع خارج‌سلولی و اجزای ذره‌ای ایجاد می‌کنند. فاگوسیتوز یعنی بلع ذرات بزرگ مانند باکتری‌ها، سلول‌های کامل یا بخش‌هایی از بافت در حال تخریب.
پینوسیتوز
پینوسیتوز به‌طور پیوسته در غشای بیشتر سلول‌ها رخ می‌دهد، اما در برخی سلول‌ها بسیار سریع است. برای مثال، در ماکروفاژها آن‌قدر سریع رخ می‌دهد که در هر دقیقه حدود ۳ درصد کل غشای ماکروفاژ به شکل وزیکول بلعیده می‌شود. بااین‌حال، وزیکول‌های پینوسیتوزی بسیار کوچک‌اند ــ معمولاً فقط ۱۰۰ تا ۲۰۰ نانومتر قطر دارند ــ و بیشتر آن‌ها تنها با میکروسکوپ الکترونی دیده می‌شوند.
پینوسیتوز روشی است که بیشتر ماکرومولکول‌های بزرگ مانند بسیاری از پروتئین‌ها از طریق آن می‌توانند وارد سلول شوند. در واقع، وقتی چنین ماکرومولکول‌هایی به غشای سلول متصل می‌شوند، سرعت تشکیل وزیکول‌های پینوسیتوزی معمولاً افزایش می‌یابد.
شکل ۲٫۱۱A تا D مراحل پی‌درپی پینوسیتوز را نشان می‌دهد و اتصال سه مولکول پروتئینی به غشا را به تصویر می‌کشد. این مولکول‌ها معمولاً به گیرنده‌های پروتئینی اختصاصی روی سطح غشا متصل می‌شوند که برای نوع پروتئین قابل جذب اختصاصیت دارند. گیرنده‌ها معمولاً در فرورفتگی‌های کوچکی روی سطح خارجی غشای سلول متمرکزند که فرورفتگی‌های پوشیده (Coated pits) نام دارند. در سطح داخلی غشای سلول و زیر این فرورفتگی‌ها شبکه‌ای از پروتئین فیبری به نام کلاترین و نیز پروتئین‌های دیگری وجود دارد که ممکن است شامل فیلامان‌های انقباضی اکتین و میوزین باشند.
پس از اتصال مولکول‌های پروتئینی به گیرنده‌ها، ویژگی‌های سطحی غشای موضعی به شکلی تغییر می‌کند که کل فرورفتگی به داخل فرو می‌رود و پروتئین‌های فیبری اطراف فرورفتگیِ در حال فرورفتن، لبه‌های آن را روی پروتئین‌های متصل‌شده و مقدار اندکی مایع خارج‌سلولی می‌بندند. بلافاصله پس از آن، بخش فرورفتهٔ غشا از سطح سلول جدا می‌شود و یک وزیکول پینوسیتوزی در داخل سیتوپلاسم سلول تشکیل می‌دهد.
این فرایند پینوسیتوز به انرژی داخل سلول نیاز دارد که توسط ATP تأمین می‌شود؛ مادهٔ پرانرژی‌ای که بعداً در همین فصل بررسی خواهد شد. همچنین وجود یون‌های کلسیم (Ca²⁺) در مایع خارج‌سلولی ضروری است. این یون‌ها با فیلامان‌های پروتئینی انقباضی زیر فرورفتگی‌های پوشیده واکنش می‌دهند و نیروی لازم برای جداکردن وزیکول از غشای سلول را فراهم می‌کنند.
فاگوسیتوز
فاگوسیتوز تقریباً به همان شیوهٔ پینوسیتوز رخ می‌دهد، با این تفاوت که به‌جای مولکول‌ها، ذرات بزرگ را دربر می‌گیرد. فقط برخی سلول‌ها توانایی فاگوسیتوز دارند؛ به‌ویژه ماکروفاژهای بافتی و بعضی گلبول‌های سفید.
فاگوسیتوز زمانی آغاز می‌شود که ذره‌ای مانند باکتری، سلول مرده یا بقایای بافتی به گیرنده‌های سطح فاگوسیت متصل شود. در مورد باکتری‌ها، هر باکتری معمولاً به یک آنتی‌بادی اختصاصی متصل است و این آنتی‌بادی است که به گیرنده‌های فاگوسیت متصل می‌شود و باکتری را همراه خود می‌کشد. این میانجی‌گری آنتی‌بادی‌ها اپسونیزاسیون (Opsonization) نام دارد و در فصل‌های ۳۴ و ۳۵ بررسی می‌شود.
فاگوسیتوز در مراحل زیر انجام می‌شود:
- گیرنده‌های غشای سلول به لیگاندهای سطح ذره متصل می‌شوند.
- لبه‌های غشا در اطراف نقاط اتصال در کسری از ثانیه به سمت خارج برآمده می‌شوند و تمام ذره را احاطه می‌کنند؛ سپس به‌تدریج گیرنده‌های غشایی بیشتری به لیگاندهای ذره متصل می‌شوند. این فرایند به‌طور ناگهانی و شبیه بسته‌شدن زیپ رخ می‌دهد و یک وزیکول فاگوسیتوزی بسته ایجاد می‌کند.
- اکتین و سایر فیبریل‌های انقباضی سیتوپلاسم، وزیکول فاگوسیتوزی را احاطه کرده و در اطراف لبهٔ خارجی آن منقبض می‌شوند و وزیکول را به سمت داخل هل می‌دهند.
- پروتئین‌های انقباضی سپس گردن وزیکول را آن‌قدر کامل می‌فشارند که وزیکول از غشای سلول جدا می‌شود و همانند وزیکول پینوسیتوزی در داخل سلول باقی می‌ماند.
لیزوزوم‌ها مواد پینوسیتوزی و فاگوسیتوزی را هضم می‌کنند
تقریباً بلافاصله پس از ظاهرشدن یک وزیکول پینوسیتوزی یا فاگوسیتوزی در داخل سلول، یک یا چند لیزوزوم به وزیکول متصل می‌شوند و هیدرولازهای اسیدی خود را به داخل آن تخلیه می‌کنند؛ همان‌طور که در شکل ۲٫۱۲ نشان داده شده است. بنابراین یک وزیکول گوارشی در داخل سیتوپلاسم تشکیل می‌شود و هیدرولازهای وزیکولی شروع به هیدرولیز پروتئین‌ها، کربوهیدرات‌ها، لیپیدها و سایر مواد موجود در وزیکول می‌کنند. فرآورده‌های هضم، مولکول‌های کوچکی مانند اسیدهای آمینه، گلوکز و فسفات هستند که می‌توانند از غشای وزیکول به داخل سیتوپلاسم منتشر شوند. آنچه از وزیکول گوارشی باقی می‌ماند جسم باقیمانده (Residual body) نام دارد و شامل مواد غیرقابل‌هضم است. در بیشتر موارد، جسم باقیمانده سرانجام از طریق غشای سلول و به‌وسیلهٔ فرایند اگزوسیتوز دفع می‌شود؛ فرایندی که اساساً برعکس اندوسیتوز است. بنابراین می‌توان وزیکول‌های پینوسیتوزی و فاگوسیتوزی حاوی لیزوزوم را اندام‌های گوارشی سلول دانست.
لیزوزوم‌ها، پسرفت بافت‌ها و اتولیز سلول‌های آسیب‌دیده
بافت‌های بدن اغلب به اندازه‌ای کوچک‌تر پسرفت می‌کنند. برای مثال، این پسرفت در رحم پس از بارداری، در عضلات طی دوره‌های طولانی بی‌تحرکی و در غدد پستانی در پایان شیردهی رخ می‌دهد. لیزوزوم‌ها مسئول بخش بزرگی از این پسرفت‌اند.
یکی دیگر از نقش‌های اختصاصی لیزوزوم‌ها حذف سلول‌های آسیب‌دیده یا بخش‌های آسیب‌دیدهٔ سلول از بافت‌هاست. آسیب سلولی ــ بر اثر گرما، سرما، ضربه، مواد شیمیایی یا هر عامل دیگری ــ لیزوزوم‌ها را وادار به آزادسازی هیدرولازها می‌کند و این هیدرولازها مواد آلی اطراف را هضم می‌کنند. اگر آسیب خفیف باشد، فقط بخشی از سلول حذف می‌شود و سپس سلول ترمیم می‌گردد. اگر آسیب شدید باشد، کل سلول هضم می‌شود؛ فرایندی که اتولیز (Autolysis) نام دارد. به این ترتیب سلول کاملاً حذف می‌شود و معمولاً یک سلول جدید از همان نوع با تولیدمثل میتوزیِ سلول مجاور تشکیل می‌شود و جای سلول قدیمی را می‌گیرد.
لیزوزوم‌ها همچنین عوامل باکتری‌کش دارند که می‌توانند باکتری‌های فاگوسیت‌شده را پیش از ایجاد آسیب سلولی از بین ببرند. این عوامل عبارت‌اند از: ۱) لیزوزیم که دیوارهٔ سلولی باکتری را حل می‌کند؛ ۲) لیزوفرین که آهن و مواد دیگر را پیش از آنکه رشد باکتری را تقویت کنند متصل می‌کند؛ و ۳) محیط اسیدی با pH حدود ۴٫۸ که هیدرولازها را فعال و سامانه‌های متابولیک باکتری را غیرفعال می‌کند.
اتوفاژی و بازیافت اندامک‌های سلولی
لیزوزوم‌ها در فرایند اتوفاژی (Autophagy) که معنای تحت‌اللفظی آن «خود را خوردن» است نقش کلیدی دارند. اتوفاژی فرایند پاک‌سازی سلول است که طی آن اندامک‌های فرسوده و تجمعات بزرگ پروتئینی تجزیه و بازیافت می‌شوند. اندامک‌های فرسودهٔ سلول توسط ساختارهای دولایه‌ای به نام اتوفاگوزوم که در سیتوزول تشکیل می‌شوند به لیزوزوم‌ها منتقل می‌گردند. فرورفتگی غشای لیزوزوم و تشکیل وزیکول‌ها مسیر دیگری برای انتقال ساختارهای سیتوزولی به لومن لیزوزوم فراهم می‌کند. پس از ورود به لیزوزوم، اندامک‌ها هضم می‌شوند و مواد مغذی آن‌ها دوباره توسط سلول مصرف می‌گردد.
اتوفاژی در نوسازی معمول اجزای سیتوپلاسمی نقش دارد و سازوکاری کلیدی برای تکامل بافت، بقای سلول هنگام کمبود مواد مغذی و حفظ هموستاز است. برای مثال، در سلول‌های کبدی عمر متوسط یک میتوکندری در حالت طبیعی فقط حدود ۱۰ روز است و پس از آن تخریب می‌شود.
سنتز ساختارهای سلولی توسط شبکهٔ آندوپلاسمی و دستگاه گلژی
گستردگی شبکهٔ آندوپلاسمی و دستگاه گلژی در سلول‌های ترشحی پیش‌تر مورد تأکید قرار گرفت. این ساختارها عمدتاً از غشاهای دولایهٔ لیپیدی مشابه غشای سلول ساخته شده‌اند و دیواره‌هایشان سرشار از آنزیم‌های پروتئینی است که سنتز بسیاری از مواد موردنیاز سلول را کاتالیز می‌کنند.
بیشتر سنتزها در شبکهٔ آندوپلاسمی آغاز می‌شوند. فرآورده‌های ساخته‌شده در آنجا سپس به دستگاه گلژی منتقل می‌شوند و پیش از آزادشدن به سیتوپلاسم، پردازش بیشتری روی آن‌ها انجام می‌شود. ابتدا فرآورده‌هایی را بررسی می‌کنیم که در بخش‌های اختصاصی شبکهٔ آندوپلاسمی و دستگاه گلژی ساخته می‌شوند.
عملکردهای شبکهٔ آندوپلاسمی
سنتز پروتئین توسط شبکهٔ آندوپلاسمی زبر
تعداد زیادی ریبوزوم به سطح خارجی غشای شبکهٔ آندوپلاسمی زبر متصل‌اند. همان‌طور که در فصل ۳ بررسی می‌شود، پروتئین‌ها در ساختار ریبوزوم‌ها ساخته می‌شوند. ریبوزوم‌ها بخشی از پروتئین‌های ساخته‌شده را مستقیماً به سیتوزول خارج می‌کنند، اما مقدار بسیار بیشتری از آن‌ها را از دیوارهٔ شبکهٔ آندوپلاسمی به داخل وزیکول‌ها و توبول‌های آندوپلاسمی، یعنی ماتریکس آندوپلاسمی، وارد می‌کنند.
سنتز لیپید توسط شبکهٔ آندوپلاسمی صاف
شبکهٔ آندوپلاسمی همچنین لیپیدها، به‌خصوص فسفولیپیدها و کلسترول را می‌سازد. این لیپیدها سریعاً وارد دولایهٔ لیپیدی خود شبکهٔ آندوپلاسمی می‌شوند و در نتیجه باعث گسترش آن می‌گردند. این فرایند عمدتاً در بخش صاف شبکهٔ آندوپلاسمی رخ می‌دهد.
برای جلوگیری از رشد بیش‌ازحد شبکهٔ آندوپلاسمی نسبت به نیاز سلول، وزیکول‌های کوچکی به نام وزیکول‌های شبکهٔ آندوپلاسمی یا وزیکول‌های انتقالی به‌طور مداوم از شبکهٔ صاف جدا می‌شوند؛ بیشتر این وزیکول‌ها سپس به‌سرعت به دستگاه گلژی مهاجرت می‌کنند.
سایر عملکردهای شبکهٔ آندوپلاسمی
از دیگر عملکردهای مهم شبکهٔ آندوپلاسمی، به‌ویژه شبکهٔ صاف، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- آنزیم‌هایی فراهم می‌کند که تجزیهٔ گلیکوژن را هنگامی که گلیکوژن باید برای تولید انرژی مصرف شود کنترل می‌کنند.
- تعداد بسیار زیادی آنزیم فراهم می‌کند که قادرند موادی مانند داروها را که ممکن است به سلول آسیب بزنند سم‌زدایی کنند. این سم‌زدایی از راه فرایندهایی مانند انعقاد، اکسیداسیون، هیدرولیز و کونژوگاسیون با اسید گلوکورونیک انجام می‌شود.
عملکردهای دستگاه گلژی
عملکردهای سنتزی دستگاه گلژی
اگرچه یکی از اعمال عمدهٔ دستگاه گلژی پردازش بیشتر موادی است که پیش‌تر در شبکهٔ آندوپلاسمی ساخته شده‌اند، این دستگاه همچنین می‌تواند بعضی کربوهیدرات‌هایی را بسازد که در شبکهٔ آندوپلاسمی ساخته نمی‌شوند. این موضوع به‌ویژه دربارهٔ تشکیل پلیمرهای بزرگ ساکاریدی که به مقادیر کمی پروتئین متصل‌اند صدق می‌کند؛ نمونه‌های مهم آن اسید هیالورونیک و کندرویتین سولفات هستند.
چند مورد از اعمال متعدد اسید هیالورونیک و کندرویتین سولفات در بدن عبارت‌اند از: ۱) اجزای اصلی پروتئوگلیکان‌هایی هستند که در موکوس و سایر ترشحات غده‌ای ترشح می‌شوند؛ ۲) اجزای اصلی مادهٔ زمینه‌ای یا بخش‌های غیرفیبری ماتریکس خارج‌سلولی در فضای بین‌سلولی‌اند و از جمله به‌عنوان پرکننده میان رشته‌های کلاژن و سلول‌ها عمل می‌کنند؛ ۳) اجزای اصلی ماتریکس آلی غضروف و استخوان هستند؛ و ۴) در بسیاری از فعالیت‌های سلولی از جمله مهاجرت و تکثیر سلولی اهمیت دارند.
پردازش ترشحات شبکهٔ آندوپلاسمی توسط دستگاه گلژی — تشکیل وزیکول‌ها
شکل ۲٫۱۴ اعمال عمدهٔ شبکهٔ آندوپلاسمی و دستگاه گلژی را خلاصه می‌کند. هنگامی که مواد، به‌ویژه پروتئین‌ها، در شبکهٔ آندوپلاسمی ساخته می‌شوند، از طریق توبول‌ها به سمت بخش‌هایی از شبکهٔ آندوپلاسمی صاف که در نزدیک‌ترین فاصله از دستگاه گلژی قرار دارند منتقل می‌شوند. در این محل، وزیکول‌های انتقالی که از پوشش‌های کوچک شبکهٔ آندوپلاسمی صاف تشکیل شده‌اند به‌طور پیوسته جدا شده و به عمیق‌ترین لایهٔ دستگاه گلژی انتشار می‌یابند. درون این وزیکول‌ها، پروتئین‌ها و سایر فرآورده‌های ساخته‌شده در شبکهٔ آندوپلاسمی قرار دارند.
وزیکول‌های انتقالی با دستگاه گلژی ادغام می‌شوند و مواد داخل خود را در فضاهای وزیکولی دستگاه گلژی تخلیه می‌کنند. در اینجا بخش‌های کربوهیدراتی بیشتری به ترشحات افزوده می‌شود. یکی دیگر از اعمال مهم دستگاه گلژی این است که ترشحات شبکهٔ آندوپلاسمی را در بسته‌های بسیار غلیظ متراکم کند. با حرکت ترشحات به سمت خارجی‌ترین لایه‌های دستگاه گلژی، تراکم و پردازش ادامه می‌یابد. سرانجام وزیکول‌های کوچک و بزرگ به‌طور مداوم از دستگاه گلژی جدا می‌شوند؛ آن‌ها مواد ترشحی متراکم‌شده را با خود حمل کرده و در سراسر سلول منتشر می‌شوند.
مثال زیر تصویری از زمان‌بندی این فرایندها ارائه می‌کند. وقتی یک سلول غده‌ای در محیطی حاوی اسیدهای آمینه قرار گیرد، مولکول‌های پروتئینی تازه‌ساخته‌شده طی ۳ تا ۵ دقیقه در شبکهٔ آندوپلاسمی گرانول‌دار قابل تشخیص‌اند. ظرف ۲۰ دقیقه، پروتئین‌های تازه‌ساخته‌شده در دستگاه گلژی نیز حضور دارند و ظرف ۱ تا ۲ ساعت، پروتئین‌ها از سطح سلول ترشح می‌شوند.
وزیکول‌های ترشحی توسط دستگاه گلژی ساخته می‌شوند
در سلولی که فعالیت ترشحی بسیار زیادی دارد، وزیکول‌های ساخته‌شده توسط دستگاه گلژی عمدتاً وزیکول‌های ترشحی حاوی پروتئین‌هایی هستند که از سطح غشای سلول ترشح می‌شوند. این وزیکول‌ها ابتدا به سمت غشای سلول منتشر می‌شوند، سپس با آن ادغام می‌شوند و مواد خود را با مکانیسم اگزوسیتوز به خارج سلول تخلیه می‌کنند. در بیشتر موارد، اگزوسیتوز با ورود Ca²⁺ به سلول تحریک می‌شود. یون‌های کلسیم با غشای وزیکول تعامل می‌کنند و باعث ادغام آن با غشای سلول می‌شوند؛ پس از آن اگزوسیتوز رخ می‌دهد، یعنی سطح خارجی غشا باز شده و محتویات وزیکول به خارج سلول رانده می‌شود. بااین‌حال، برخی وزیکول‌ها برای استفاده درون‌سلولی در نظر گرفته شده‌اند.
استفاده از وزیکول‌های داخل‌سلولی برای بازسازی غشاهای سلولی
برخی وزیکول‌های داخل‌سلولی ساخته‌شده توسط دستگاه گلژی با غشای سلول یا با غشاهای ساختارهای داخل‌سلولی مانند میتوکندری و حتی شبکهٔ آندوپلاسمی ادغام می‌شوند. این ادغام وسعت این غشاها را افزایش می‌دهد و غشاهایی را که در جریان فعالیت سلولی مصرف می‌شوند دوباره تأمین می‌کند. برای مثال، هر بار که غشای سلول یک وزیکول فاگوسیتوزی یا پینوسیتوزی می‌سازد بخش زیادی از مادهٔ خود را از دست می‌دهد و غشاهای وزیکولی دستگاه گلژی به‌طور مداوم غشای سلول را جایگزین و تکمیل می‌کنند.
در مجموع، سامانهٔ غشایی شبکهٔ آندوپلاسمی و دستگاه گلژی از نظر متابولیک بسیار فعال است و توانایی ساخت ساختارهای جدید داخل‌سلولی و مواد ترشحی‌ای را دارد که از سلول خارج می‌شوند.
میتوکندری‌ها انرژی را از مواد مغذی استخراج می‌کنند
مواد اصلی‌ای که سلول‌ها از آن‌ها انرژی استخراج می‌کنند غذاهایی هستند که با اکسیژن واکنش شیمیایی می‌دهند: کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها. در بدن انسان، تقریباً همهٔ کربوهیدرات‌ها پیش از رسیدن به سایر سلول‌های بدن در دستگاه گوارش و کبد به گلوکز تبدیل می‌شوند. به همین ترتیب، پروتئین‌ها به اسیدهای آمینه و چربی‌ها به اسیدهای چرب تبدیل می‌شوند. شکل ۲٫۱۵ اکسیژن و مواد غذایی ــ گلوکز، اسیدهای چرب و اسیدهای آمینه ــ را در حال ورود به سلول نشان می‌دهد. درون سلول، این مواد تحت تأثیر آنزیم‌هایی که واکنش‌ها را کنترل می‌کنند و انرژی آزادشده را در جهت مناسب هدایت می‌کنند، با اکسیژن واکنش شیمیایی می‌دهند. جزئیات این اعمال گوارشی و متابولیک در فصل‌های ۶۳ تا ۷۳ ارائه شده‌اند.
ATP یک نوکلئوتید است که از سه بخش تشکیل می‌شود: ۱) باز نیتروژنی آدنین؛ ۲) قند پنج‌کربنهٔ ریبوز؛ و ۳) سه رادیکال فسفات. دو رادیکال فسفات انتهایی با پیوندهای فسفاتی پرانرژی به بقیهٔ مولکول متصل‌اند که در فرمول با نماد ∼ نشان داده می‌شوند. در شرایط فیزیکی و شیمیایی بدن، هر یک از این پیوندهای پرانرژی حدود ۱۲٬۰۰۰ کالری انرژی به ازای هر مول ATP دارد؛ مقداری که چندین برابر انرژی ذخیره‌شده در یک پیوند شیمیایی متوسط است و به همین دلیل اصطلاح «پیوند پرانرژی» به‌کار می‌رود. افزون بر این، پیوند فسفاتی پرانرژی بسیار ناپایدار است و هر زمان انرژی برای پیشبرد واکنش‌های داخل‌سلولی لازم باشد می‌تواند فوراً شکسته شود.
وقتی ATP انرژی خود را آزاد می‌کند، یک رادیکال اسید فسفریک جدا می‌شود و آدنوزین دی‌فسفات یا ADP تشکیل می‌گردد. این انرژی آزادشده برای فعال‌کردن بسیاری از اعمال دیگر سلول مانند سنتز مواد و انقباض عضلانی مصرف می‌شود.
برای بازسازی ATP سلولی همزمان با مصرف آن، انرژی حاصل از مواد مغذی سلول باعث می‌شود ADP و اسید فسفریک دوباره با هم ترکیب شده و ATP جدید تشکیل دهند؛ این فرایند بارها و بارها تکرار می‌شود. به همین دلیل ATP «واحد پول انرژی سلول» نامیده شده است؛ زیرا می‌تواند پیوسته مصرف و دوباره ساخته شود و زمان گردش آن فقط چند دقیقه است.
نقش میتوکندری در تشکیل ATP
پس از ورود گلوکز به سلول، آنزیم‌های سیتوپلاسم آن را به اسید پیروویک تبدیل می‌کنند؛ فرایندی که گلیکولیز نام دارد. مقدار اندکی ADP با انرژی آزادشده در این تبدیل به ATP تبدیل می‌شود، اما این مقدار کمتر از ۵ درصد متابولیسم انرژی کلی سلول را تشکیل می‌دهد.
حدود ۹۵ درصد تشکیل ATP سلول در میتوکندری‌ها انجام می‌شود. اسید پیروویک حاصل از کربوهیدرات‌ها، اسیدهای چرب حاصل از لیپیدها و اسیدهای آمینهٔ حاصل از پروتئین‌ها در نهایت در ماتریکس میتوکندری به ترکیب استیل‌کوآنزیم A یا Acetyl-CoA تبدیل می‌شوند. این ماده سپس به‌وسیلهٔ مجموعه‌ای دیگر از آنزیم‌های ماتریکس میتوکندری برای استخراج انرژی بیشتر تجزیه می‌شود و وارد زنجیره‌ای از واکنش‌های شیمیایی به نام چرخهٔ اسید سیتریک یا چرخهٔ کربس می‌گردد. این واکنش‌ها آن‌قدر مهم‌اند که در فصل ۶۸ به‌تفصیل بررسی می‌شوند.
در چرخهٔ اسید سیتریک، استیل-CoA به اجزای خود یعنی اتم‌های هیدروژن و دی‌اکسید کربن شکسته می‌شود. دی‌اکسید کربن از میتوکندری و سلول خارج می‌شود و در نهایت از طریق ریه‌ها از بدن دفع می‌گردد. اتم‌های هیدروژن بسیار واکنش‌پذیرند و با اکسیژنی که آن نیز به داخل میتوکندری انتشار یافته ترکیب می‌شوند. این ترکیب مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد می‌کند که میتوکندری برای تبدیل مقادیر زیاد ADP به ATP به‌کار می‌گیرد.
فرایند این واکنش‌ها پیچیده است و به مشارکت تعداد زیادی آنزیم پروتئینی نیاز دارد که اجزای یکپارچهٔ صفحات غشایی میتوکندریاییِ برجسته به داخل ماتریکس هستند. نخستین رویداد، جداشدن یک الکترون از اتم هیدروژن و تبدیل آن به یون هیدروژن است. رویداد نهایی، ترکیب یون‌های هیدروژن با اکسیژن برای تشکیل آب و آزادشدن مقدار زیادی انرژی به پروتئین‌های کروی‌ای به نام ATP synthetase است که مانند برجستگی‌هایی از غشاهای صفحات میتوکندری بیرون زده‌اند. آنزیم ATP synthetase سپس از انرژی یون‌های هیدروژن برای تبدیل ADP به ATP استفاده می‌کند. ATP تازه‌تشکیل‌شده از میتوکندری خارج می‌شود و به تمام بخش‌های سیتوپلاسم و نوکلئوپلاسم سلول منتقل می‌گردد تا انرژی موردنیاز اعمال متعدد سلولی را فراهم کند.
کل این فرایند تشکیل ATP، مکانیسم شیمیواسموتیک تشکیل ATP نامیده می‌شود. جزئیات شیمیایی و فیزیکی این مکانیسم در فصل ۶۸ و بسیاری از اعمال متابولیک تفصیلی ATP در بدن در فصل‌های ۶۸ تا ۷۲ بررسی می‌شوند.
کاربردهای ATP در عملکرد سلول
انرژی ATP برای سه گروه عمده از اعمال سلولی مصرف می‌شود: ۱) انتقال مواد از غشاهای متعدد سلولی؛ ۲) سنتز ترکیبات شیمیایی در سراسر سلول؛ و ۳) کار مکانیکی. نمونه‌های این کاربردها در شکل ۲٫۱۶ نشان داده شده‌اند: ۱) تأمین انرژی انتقال سدیم از غشای سلول؛ ۲) پیشبرد سنتز پروتئین توسط ریبوزوم‌ها؛ و ۳) تأمین انرژی لازم برای انقباض عضله.
علاوه بر انتقال سدیم از غشا، انرژی ATP برای انتقال غشایی پتاسیم، کلسیم، منیزیم، فسفات، کلرید، اورات، یون‌های هیدروژن و بسیاری یون‌های دیگر و همچنین مواد آلی مختلف لازم است. انتقال غشایی آن‌قدر برای عملکرد سلول مهم است که بعضی سلول‌ها ــ برای مثال سلول‌های توبولی کلیه ــ تا ۸۰ درصد ATP ساخته‌شدهٔ خود را فقط برای همین منظور مصرف می‌کنند.
سلول‌ها علاوه بر پروتئین‌ها، فسفولیپیدها، کلسترول، پورین‌ها، پیریمیدین‌ها و بسیاری مواد دیگر را نیز می‌سازند. سنتز تقریباً هر ترکیب شیمیایی به انرژی نیاز دارد. برای مثال، یک مولکول پروتئینی منفرد ممکن است از چند هزار اسید آمینه تشکیل شده باشد که با پیوندهای پپتیدی به یکدیگر متصل‌اند. تشکیل هر یک از این پیوندها به انرژی حاصل از شکستن چهار پیوند پرانرژی نیاز دارد؛ بنابراین برای ساخته‌شدن هر مولکول پروتئینی باید چندین هزار مولکول ATP انرژی خود را آزاد کنند. در واقع، بعضی سلول‌ها تا ۷۵ درصد تمام ATP ساخته‌شده را صرف سنتز ترکیبات شیمیایی جدید می‌کنند؛ به‌ویژه سنتز پروتئین‌ها در مرحلهٔ رشد سلول.
کاربرد دیگر ATP تأمین انرژی برای انجام کار مکانیکی در سلول‌های اختصاصی است. در فصل ۶ خواهیم دید هر انقباض یک فیبر عضلانی به مصرف مقدار زیادی انرژی ATP نیاز دارد. سلول‌های دیگر نیز به روش‌های متفاوت کار مکانیکی انجام می‌دهند؛ به‌خصوص از طریق حرکت مژکی و حرکت آمیبی که در ادامهٔ همین فصل توضیح داده می‌شوند. منبع انرژی همهٔ این انواع کار مکانیکی ATP است.
در مجموع، ATP به‌سرعت در دسترس است تا هر جا سلول به انرژی نیاز داشته باشد انرژی خود را آزاد کند. برای جایگزینی ATP مصرف‌شده، واکنش‌های شیمیایی بسیار آهسته‌تر کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها را تجزیه می‌کنند و از انرژی حاصل برای ساخت ATP جدید استفاده می‌شود. بیش از ۹۵ درصد این ATP در میتوکندری‌ها تشکیل می‌شود و به همین دلیل میتوکندری‌ها را «نیروگاه‌های سلول» می‌نامند.
حرکت آمیبی و کموتاکسی
واضح‌ترین انواع حرکت در بدن در سلول‌های عضلهٔ اسکلتی، قلبی و صاف رخ می‌دهند که تقریباً ۵۰ درصد کل جرم بدن را تشکیل می‌دهند. اعمال تخصصی این سلول‌ها در فصل‌های ۶ تا ۹ بررسی می‌شوند. دو نوع دیگر حرکت ــ حرکت آمیبی و حرکت مژکی ــ در سلول‌های دیگر رخ می‌دهد.
حرکت آمیبی
حرکت آمیبی نوعی حرکت خزندهٔ کل سلول است؛ مانند حرکت گلبول‌های سفید از میان بافت‌ها. نام این نوع حرکت از آنجا آمده است که آمیب‌ها به این شیوه حرکت می‌کنند و ابزار بسیار مناسبی برای مطالعهٔ این پدیده فراهم کرده‌اند.
غشای انتهای جلویی سلول پیوسته به سمت جلو حرکت می‌کند و غشای انتهای عقبی نیز همزمان با حرکت سلول به دنبال آن کشیده می‌شود.
مکانیسم حرکت آمیبی
شکل ۲٫۱۷ اصل کلی حرکت آمیبی را نشان می‌دهد. اساس این حرکت، تشکیل مداوم غشای سلولی جدید در لبهٔ جلویی پای کاذب و جذب مداوم غشا در بخش‌های میانی و خلفی سلول است. دو اثر دیگر نیز برای حرکت رو به جلو ضروری‌اند. نخست، پای کاذب باید به بافت‌های اطراف متصل شود تا در موقعیت جلویی خود ثابت بماند و بقیهٔ جسم سلول به سمت محل اتصال کشیده شود. این اتصال توسط پروتئین‌های گیرنده‌ای ایجاد می‌شود که سطح داخلی وزیکول‌های اگزوسیتوزی را می‌پوشانند. وقتی وزیکول‌ها بخشی از غشای پای کاذب می‌شوند، باز می‌شوند و سطح داخلی آن‌ها به سمت خارج برمی‌گردد؛ در نتیجه گیرنده‌ها به سمت بیرون برجسته می‌شوند و به لیگاندهای موجود در بافت اطراف متصل می‌گردند.
در انتهای مقابل سلول، گیرنده‌ها از لیگاندهای خود جدا می‌شوند و وزیکول‌های اندوسیتوزی جدید تشکیل می‌دهند. سپس این وزیکول‌ها در داخل سلول به سمت انتهای پای کاذب جریان می‌یابند و در آنجا برای ساخت غشای جدید پای کاذب به‌کار می‌روند.
نیاز ضروری دوم برای حرکت، انرژی لازم برای کشیدن جسم سلول به سمت پای کاذب است. مقدار متوسط تا زیادی از پروتئین اکتین در سیتوپلاسم همهٔ سلول‌ها وجود دارد. بخش زیادی از اکتین به شکل مولکول‌های منفرد است که نیروی حرکتی ایجاد نمی‌کنند؛ اما این مولکول‌ها پلیمریزه می‌شوند و شبکه‌ای فیلامانی می‌سازند و این شبکه هنگام اتصال به پروتئین متصل‌شونده به اکتین مانند میوزین منقبض می‌شود. کل فرایند توسط ترکیب پرانرژی ATP تأمین انرژی می‌شود. همین رویداد در پای کاذب سلول در حال حرکت رخ می‌دهد؛ جایی که شبکه‌ای از فیلامان‌های اکتین به‌تازگی در داخل پای کاذب در حال بزرگ‌شدن تشکیل می‌شود. انقباض همچنین در اکتوپلاسم جسم سلول رخ می‌دهد؛ جایی که از قبل شبکه‌ای از اکتین در زیر غشای سلول وجود دارد.
سلول‌هایی که حرکت آمیبی نشان می‌دهند
شایع‌ترین سلول‌هایی که در بدن انسان حرکت آمیبی نشان می‌دهند گلبول‌های سفید هستند؛ زمانی که از خون وارد بافت‌ها می‌شوند و ماکروفاژهای بافتی را تشکیل می‌دهند. انواع دیگر سلول‌ها نیز در شرایط خاص می‌توانند با حرکت آمیبی جابه‌جا شوند. برای مثال، فیبروبلاست‌ها به ناحیهٔ آسیب‌دیدهٔ بافت حرکت می‌کنند تا به ترمیم آسیب کمک کنند. حتی سلول‌های زایندهٔ پوست که در حالت معمول کاملاً بی‌حرکت‌اند، به سمت محل بریدگی حرکت می‌کنند تا دهانهٔ ایجادشده را ترمیم کنند.
حرکت سلولی در تکامل جنین و جنینِ در حال رشد پس از لقاح تخمک نیز اهمیت ویژه‌ای دارد. برای مثال، سلول‌های جنینی اغلب باید در جریان تشکیل ساختارهای اختصاصی، فاصله‌های زیادی از محل منشأ خود به مناطق جدید مهاجرت کنند.
برخی انواع سلول‌های سرطانی مانند سارکوم‌ها که از سلول‌های بافت همبند منشأ می‌گیرند، توانایی بسیار زیادی در حرکت آمیبی دارند. این موضوع تا حدی گسترش نسبتاً سریع آن‌ها از یک قسمت بدن به قسمت دیگر را توضیح می‌دهد؛ فرایندی که متاستاز نامیده می‌شود.
کنترل حرکت آمیبی — کموتاکسی
یکی از آغازگرهای مهم حرکت آمیبی فرایند کموتاکسی (Chemotaxis) است که در اثر ظاهرشدن مواد شیمیوتاکتیک خاص در بافت‌ها ایجاد می‌شود. بیشتر سلول‌هایی که حرکت آمیبی دارند به سمت منبع مادهٔ شیمیوتاکتیک حرکت می‌کنند؛ یعنی از ناحیهٔ غلظت کمتر به ناحیهٔ غلظت بیشتر می‌روند. این حالت کموتاکسی مثبت نام دارد. برخی سلول‌ها از منبع دور می‌شوند که کموتاکسی منفی نامیده می‌شود. سمتی از سلول که بیشترین مواجهه با مادهٔ شیمیوتاکتیک را دارد دچار تغییرات غشایی می‌شود که برجسته‌شدن پای کاذب را ایجاد می‌کنند.
مژک‌ها و حرکات مژکی
دو نوع مژک وجود دارد: مژک‌های متحرک و مژک‌های غیرمتحرک یا اولیه. مژک‌های متحرک می‌توانند روی سطح سلول حرکت شلاقی انجام دهند. این حرکت عمدتاً در دو محل بدن انسان رخ می‌دهد: سطح مجاری تنفسی و سطح داخلی لوله‌های رحمی یا فالوپ در دستگاه تولیدمثل.
در حفرهٔ بینی و مجاری تنفسی تحتانی، حرکت شلاقی مژک‌های متحرک باعث می‌شود لایه‌ای از موکوس با سرعت حدود ۱ سانتی‌متر در دقیقه به سمت حلق حرکت کند و در نتیجه این مسیرها به‌طور پیوسته از موکوس و ذراتی که در آن گیر افتاده‌اند پاک شوند. در لوله‌های رحمی، مژک‌ها موجب حرکت آهستهٔ مایع از دهانهٔ لولهٔ رحمی به سمت حفرهٔ رحم می‌شوند؛ این حرکت مایع، تخمک را از تخمدان به رحم منتقل می‌کند.
شکل ۲٫۱۸ یک مژک را نشان می‌دهد که مانند مویی مستقیم یا خمیده با نوک تیز، ۲ تا ۴ میکرومتر از سطح سلول بیرون می‌زند. اغلب تعداد زیادی مژک متحرک از یک سلول خارج می‌شوند؛ برای مثال، روی سطح هر سلول اپی‌تلیال در مجاری تنفسی ممکن است تا ۲۰۰ مژک وجود داشته باشد. مژک با امتدادی از غشای سلول پوشیده شده و توسط ۱۱ میکروتوبول حمایت می‌شود: ۹ توبول دوتایی در پیرامون مژک و دو توبول منفرد در مرکز، همان‌گونه که در مقطع عرضی شکل ۲٫۱۸ نشان داده شده است. هر مژک از ساختاری که بلافاصله زیر غشای سلول قرار دارد و جسم قاعده‌ای مژک نامیده می‌شود منشأ می‌گیرد.
تاژک اسپرم شبیه یک مژک متحرک است و در واقع تقریباً همان نوع ساختار و همان مکانیسم انقباضی را دارد. بااین‌حال، تاژک بسیار بلندتر است و به‌جای حرکات شلاقی، به شکل امواج شبه‌سینوسی حرکت می‌کند.
در نمای داخل شکل ۲٫۱۸، حرکت مژک متحرک نشان داده شده است. مژک ۱۰ تا ۲۰ بار در ثانیه با یک ضربهٔ شلاقی سریع و ناگهانی به سمت جلو حرکت می‌کند و در محل خروج از سطح سلول به‌شدت خم می‌شود. سپس به‌آرامی به موقعیت اولیهٔ خود بازمی‌گردد. حرکت سریع و شلاقی رو به جلو، مایع مجاور سلول را در جهت حرکت مژک هل می‌دهد، درحالی‌که حرکت آهسته و کششی در جهت عقب تقریباً اثری بر حرکت مایع ندارد. بنابراین مایع به‌طور مداوم در جهت ضربهٔ سریع رو به جلو رانده می‌شود. از آنجا که بیشتر سلول‌های مژک‌دار متحرک تعداد زیادی مژک روی سطح خود دارند و همهٔ مژک‌ها در یک جهت قرار گرفته‌اند، این مکانیسم راهی بسیار مؤثر برای جابه‌جایی مایعات از بخشی از سطح به بخش دیگر است.
مکانیسم حرکت مژکی
۹ توبول دوتایی و دو توبول منفرد مژک‌ها توسط مجموعه‌ای پیچیده از اتصالات پروتئینی به یکدیگر متصل‌اند. کل این مجموعهٔ توبول‌ها و اتصالات، آکسونم (Axoneme) نامیده می‌شود. حتی پس از برداشتن غشا و تخریب سایر اجزای مژک به‌جز آکسونم، مژک در شرایط مناسب هنوز می‌تواند ضربان داشته باشد.
دو شرط برای ادامهٔ ضربان آکسونم پس از برداشتن سایر ساختارهای مژک ضروری است: ۱) وجود ATP؛ و ۲) شرایط یونی مناسب، به‌ویژه غلظت‌های مناسب منیزیم و کلسیم. هنگام حرکت رو به جلوی مژک، توبول‌های دوتایی در لبهٔ جلویی مژک به سمت نوک، رو به بیرون می‌لغزند، درحالی‌که توبول‌های لبهٔ پشتی در جای خود باقی می‌مانند. بازوهای پروتئینی متعددی از جنس پروتئین داینئین (Dynein) که فعالیت آنزیمی آدنوزین تری‌فسفاتاز یا ATPase دارند، از هر توبول دوتایی به سمت توبول دوتایی مجاور بیرون می‌زنند.
بر اساس این اطلاعات مشخص شده است که آزادشدن انرژی ATP در تماس با بازوهای داینئینی ATPase باعث می‌شود سر این بازوها به‌سرعت روی سطح توبول دوتایی مجاور «حرکت خزنده» انجام دهد. اگر توبول‌های جلویی به سمت بیرون حرکت کنند و توبول‌های پشتی ثابت بمانند، خم‌شدن ایجاد می‌شود.
مژک‌های برخی سلول‌های دارای ناهنجاری ژنتیکی دو توبول منفرد مرکزی را ندارند و این مژک‌ها قادر به ضربان نیستند. بنابراین فرض می‌شود نوعی پیام ــ احتمالاً پیام الکتروشیمیایی ــ در امتداد این دو توبول مرکزی منتقل می‌شود و بازوهای داینئین را فعال می‌کند.
مژک‌های اولیهٔ غیرمتحرک به‌عنوان «آنتن حسی» سلول عمل می‌کنند
مژک‌های اولیه غیرمتحرک‌اند و معمولاً فقط یک مژک روی هر سلول وجود دارد. شواهد فعلی نشان می‌دهند این مژک‌ها به‌عنوان «آنتن حسی» سلولی عمل می‌کنند و مسیرهای پیام‌رسانی سلولی درگیر در حس شیمیایی و مکانیکی، انتقال پیام و رشد سلول را هماهنگ می‌سازند.
برای مثال، در کلیه‌ها مژک‌های اولیه روی بیشتر سلول‌های اپی‌تلیال توبول‌ها دیده می‌شوند؛ به داخل لومن توبول برجسته‌اند و مانند حسگر جریان عمل می‌کنند. در پاسخ به عبور مایع روی سلول‌های اپی‌تلیال توبولی، مژک‌های اولیه خم می‌شوند و تغییرات وابسته به جریان را در پیام‌رسانی کلسیم داخل‌سلولی ایجاد می‌کنند. این پیام‌ها به نوبهٔ خود آثار متعددی بر سلول‌ها آغاز می‌کنند. تصور می‌شود اختلال پیام‌رسانی توسط مژک‌های اولیه در سلول‌های اپی‌تلیال توبولی کلیه در ایجاد چندین بیماری نقش داشته باشد؛ از جمله تشکیل کیست‌های بزرگ پر از مایع که بیماری کلیهٔ پلی‌کیستیک نامیده می‌شود.
کتابنامه
- Amorim JA, Coppotelli G, Rolo AP, et al. Mitochondrial and metabolic dysfunction in ageing and age-related diseases. Nat Rev Endocrinol. 2022;18:243–258.
- Caporizzo MA, Prosser BL. The microtubule cytoskeleton in cardiac mechanics and heart failure. Nat Rev Cardiol. 2022;19:364–378.
- De Belly H, Paluch EK, Chalut KJ. Interplay between mechanics and signalling in regulating cell fate. Nat Rev Mol Cell Biol. 2022;23:465–480.
- Eldeeb MA, Thomas RA, Ragheb MA, et al. Mitochondrial quality control in health and in Parkinson's disease. Physiol Rev. 2022;102:1721–1755.
- Ferro-Novick S, Reggiori F, Brodsky JL. ER-phagy, ER homeostasis, and ER quality control: implications for disease. Trends Biochem Sci. 2021;46:630–639.
- Griffey CJ, Yamamoto A. Macroautophagy in CNS health and disease. Nat Rev Neurosci. 2022;23:411–427.
- Gudimchuk NB, McIntosh JR. Regulation of microtubule dynamics, mechanics and function through the growing tip. Nat Rev Mol Cell Biol. 2021;22:777–795.
- Harayama T, Riezman H. Understanding the diversity of membrane lipid composition. Nat Rev Mol Cell Biol. 2018;19:281–296.
- Kitada M, Koya D. Autophagy in metabolic disease and ageing. Nat Rev Endocrinol. 2021;17:647–661.
- Kummer E, Ban N. Mechanisms and regulation of protein synthesis in mitochondria. Nat Rev Mol Cell Biol. 2021;22:307–325.
- Lawrence RE, Zoncu R. The lysosome as a cellular centre for signalling, metabolism and quality control. Nat Cell Biol. 2019;21:133–142.
- Liu J, Hetzer MW. Nuclear pore complex maintenance and implications for age-related diseases. Trends Cell Biol. 2022;32:216–227.
- Nachury MV, Mick DU. Establishing and regulating the composition of cilia for signal transduction. Nat Rev Mol Cell Biol. 2019;20:389–405.
- Posor Y, Jang W, Haucke V. Phosphoinositides as membrane organizers. Nat Rev Mol Cell Biol. 2022;23:797–819.
- Reggiori F, Molinari M. ER-phagy: mechanisms, regulation, and diseases connected to the lysosomal clearance of the endoplasmic reticulum. Physiol Rev. 2022;102:1393–1448.
- SenGupta S, Parent CA, Bear JE. The principles of directed cell migration. Nat Rev Mol Cell Biol. 2021;22:529–547.
- Sigismund S, Lanzetti L, Scita G, et al. Endocytosis in the context-dependent regulation of individual and collective cell properties. Nat Rev Mol Cell Biol. 2021;22:625–643.
- Silva-Pinheiro P, Minczuk M. The potential of mitochondrial genome engineering. Nat Rev Genet. 2022;23:199–214.
- Vercellino I, Sazanov LA. The assembly, regulation and function of the mitochondrial respiratory chain. Nat Rev Mol Cell Biol. 2022;23:141–161.
- Wanders RJA, Baes M, Ribeiro D, et al. The physiological functions of human peroxisomes. Physiol Rev. 2023;103:957–1024.
- Wing CE, Fung HYJ, Chook YM. Karyopherin-mediated nucleocytoplasmic transport. Nat Rev Mol Cell Biol. 2022;23:307–328.