Biology · AP Biology
कोशिका की संरचना और कार्य
कक्ष और झिल्लियाँ
हर जीव कोशिकाओं से बना है, और हर कोशिका जल और रसायनों की एक थैली है, जिसे एक झिल्ली बाहरी दुनिया से अलग रखती है।
आकृति एक जंतु कोशिका है, कटी हुई। इसकी प्लाज़्मा झिल्ली के भीतर कोशिकाद्रव्य है, और इस जैसी सुकेंद्रकी कोशिका में अंगक होते हैं: अपनी-अपनी झिल्लियों वाले कक्ष, जिनमें से हर एक का अपना काम है।
नीली पुटिकाएँ नए बने प्रोटीन को अंतःप्रद्रव्यी जालिका से गॉल्जी तक और फिर झिल्ली तक ले जाती हैं, जहाँ से वह कोशिका से बाहर निकलता है।
यह अध्याय अंगकों और उनके कार्यों के नाम बताता है, समझाता है कि कोशिकाएँ छोटी क्यों रहती हैं, फिर झिल्ली को देखता है: वह किससे बनी है, उसे क्या और कैसे पार करता है, जल कैसे गति करता है, और अंगक स्वयं कहाँ से आए।
राइबोसोम और अंतःझिल्ली तंत्र
अंगक सुकेंद्रकी कोशिका का काम बाँटते हैं। प्रोकैरियोट, यानी जीवाणु और आर्किया, में केंद्रक और झिल्ली-बद्ध अंगक नहीं होते, पर हर कोशिका में प्लाज़्मा झिल्ली, कोशिकाद्रव्य, DNA और राइबोसोम होते हैं।
राइबोसोम प्रोटीन बनाते हैं। हर एक rRNA और प्रोटीन से बना है, और उसमें झिल्ली नहीं होती। ये जीवन के सभी रूपों में मिलते हैं, जो साझा वंश का संकेत है। मुक्त राइबोसोम कोशिकाद्रव्य के लिए प्रोटीन बनाते हैं; ER से जुड़े राइबोसोम झिल्लियों, अंगकों और निर्यात के लिए प्रोटीन बनाते हैं।
अंतःझिल्ली तंत्र पुटिकाओं से जुड़ी झिल्लियों का एक समूह है: केंद्रक आवरण, ER, गॉल्जी, लाइसोसोम, रिक्तिकाएँ और प्लाज़्मा झिल्ली।
| अंगक | कार्य |
|---|
| केंद्रक | DNA को धारण करता है; दोहरी झिल्ली, केंद्रक आवरण |
| खुरदरी ER | जुड़े राइबोसोम वाली झिल्लियाँ: प्रोटीन संश्लेषण, मुड़ना, परिवहन |
| चिकनी ER | राइबोसोम नहीं: लिपिड संश्लेषण, विषहरण |
| गॉल्जी complex | प्रोटीन को रासायनिक रूप से रूपांतरित करता है (जैसे कार्बोहाइड्रेट जोड़ना), छाँटता और पैक करता है |
तो निर्यात के लिए बना प्रोटीन खुरदरा ER → गॉल्जी, सिस फलक → गॉल्जी, ट्रांस फलक → प्लाज़्मा झिल्ली से होकर गुज़रता है, और इनके बीच पुटिकाओं में ले जाया जाता है।
| सामान्य आमाप | |
|---|
| ribosome | 25 nm | हर कोशिका में |
| जीवाणु (प्रोकैरियोट) | 1–5 µm | कोई केंद्रक नहीं, कोई झिल्ली-बद्ध अंगक नहीं |
| mitochondrion | 0.5–1 µm व्यास | लगभग एक जीवाणु के आकार का |
| जंतु कोशिका | 10–30 µm | |
| पादप कोशिका | 10–100 µm | बड़ी केंद्रीय रसधानी |
ऊर्जा, भंडारण और पुनर्चक्रण
पादप कोशिका में जंतु कोशिका के सभी अंगक होते हैं, बस लाइसोसोम (प्रायः) नहीं होते, और उसमें हरितलवक, एक बड़ी केंद्रीय रिक्तिका और कोशिका भित्ति जुड़ जाते हैं।
सूत्रकणिका में दोहरी झिल्ली होती है: एक चिकनी बाहरी और एक मुड़ी हुई भीतरी, जिसकी तहें क्रिस्टी हैं। ये कोशिकीय श्वसन (अध्याय 3) से कोशिका का अधिकांश ATP बनाती हैं।
पादपों और शैवालों में हरितलवक में भी दोहरी झिल्ली होती है। भीतर झिल्ली-थैलियों के ढेर होते हैं, थाइलैकॉइड, जो स्ट्रोमा नामक द्रव में रहते हैं। ये प्रकाश संश्लेषण में प्रकाश ऊर्जा ग्रहण करते हैं।
लाइसोसोम जलअपघटनी एंज़ाइमों की झिल्ली-थैलियाँ हैं। ये कोशिका द्वारा ग्रहण की गई चीज़ों को पचाते हैं, घिसे हुए भागों का पुनर्चक्रण करते हैं, और एपोप्टोसिस, यानी क्रमादेशित कोशिका मृत्यु, में भाग लेते हैं।
रिक्तिकाएँ जल, आयन, वृहदणु और अपशिष्ट को संग्रहित और मुक्त करती हैं।
| पादप कोशिका | जंतु कोशिका |
|---|
| संख्या | प्रायः एक, केंद्रीय | कई, छोटी |
| आमाप | बड़ी: प्रायः अधिकांश कोशिका | छोटी |
| मुख्य कार्य | जल धारण करती है: इसका दाब कोशिका को कड़ा रखता है (स्फीति) | भंडारण, परिवहन, पाचन |
आकृति में रिक्तिका कोशिका का 27% भरती है, और हरितलवक तथा सूत्रकणिकाएँ उसके चारों ओर गतिशील कोशिकाद्रव्य के साथ बहते हैं: कोशिकाद्रव्य प्रवाह।
पृष्ठीय क्षेत्रफल और आयतन का अनुपात
कोशिका भोजन, ऑक्सीजन, अपशिष्ट और ऊष्मा का आदान-प्रदान अपनी सतह से करती है, पर इनकी ज़रूरत उसके आयतन के साथ बढ़ती है। जैसे-जैसे कोशिका बढ़ती है, आयतन सतह से आगे निकल जाता है।
भुजा s वाले घन के लिए:
| भुजा (µm) | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|
| सतह (µm²) | 6 | 24 | 54 | 96 |
|---|
| आयतन (µm³) | 1 | 8 | 27 | 64 |
|---|
| SA:V (µm⁻¹) | 6 | 3 | 2 | 1.5 |
|---|
भुजा दोगुनी करने पर सतह 4 गुना होती है पर आयतन 8 गुना, इसलिए अनुपात आधा रह जाता है।
एक गोला। । त्रिज्या 10 µm वाली कोशिका का SA:V = 0.3 µm⁻¹ है; 20 µm पर 0.15 µm⁻¹, यानी प्रति इकाई आयतन आधी सतह।
भुजा 4 के घन को भुजा 1 वाले 64 घनों में काटिए: आयतन वही, सतह 4 गुना। कोशिकाएँ अनुपात ऊँचा रखने के लिए विभाजित होती हैं, चपटी होती हैं, या अपनी झिल्लियों को मोड़ती हैं (सूक्ष्मांकुर, मूल रोम); बड़े जीव कूपिका और अंकुर जैसी विनिमय सतहें बनाते हैं।
यह अनुपात ऊष्मा हानि भी तय करता है। छोटे जंतु में प्रति ग्राम सतह अधिक होती है, वह ऊष्मा तेज़ी से खोता है, और इसलिए उसकी प्रति ग्राम उपापचयी दर बड़े जंतु से अधिक होती है।
लिपिड की एक परत, जिसमें प्रोटीन तैरते हैं
प्लाज़्मा झिल्ली एक फॉस्फोलिपिड द्विस्तर है, जिसमें प्रोटीन धँसे होते हैं और जिसकी बाहरी सतह पर कार्बोहाइड्रेट जुड़े होते हैं।
फॉस्फोलिपिड उभयरागी होता है: एक जलरागी फॉस्फेट शीर्ष और दो जलविरोधी वसा-अम्ल पूँछें। जल में ये दो परतें बनाते हैं: शीर्ष दोनों ओर जल की तरफ़ बाहर रहते हैं और पूँछें बीच में छिपी रहती हैं।
झिल्ली के प्रोटीन भी इसी नियम से बैठते हैं। समाकल प्रोटीन द्विस्तर को आर-पार पार करते हैं: उनके अध्रुवीय (जलविरोधी) अमीनो अम्ल लिपिड की पूँछों की ओर होते हैं, और उनके ध्रुवीय तथा आवेशित (जलरागी) अमीनो अम्ल जल की ओर होते हैं। परिधीय प्रोटीन सतह से ढीले ढंग से जुड़े रहते हैं।
झिल्ली तरल है: लिपिड और अधिकांश प्रोटीन बगल की ओर खिसकते रहते हैं, जैसा आकृति में दिखता है। किसी लिपिड का एक परत से दूसरी परत में पलटना दुर्लभ है। लिपिड के बीच बिखरे प्रोटीन मोज़ेक बनाते हैं।
कोलेस्ट्रॉल, जो कशेरुकी जंतु कोशिकाओं के लिपिडों में होता है, तरलता को नियंत्रित करता है: गर्म होने पर झिल्ली को स्थिर रखता है और ठंड में उसे ठोस रूप से सटने से रोकता है।
ग्लाइकोप्रोटीन और ग्लाइकोलिपिड बाहरी सतह पर छोटी कार्बोहाइड्रेट शृंखलाएँ लिए होते हैं, जिनका उपयोग कोशिका पहचान में होता है।
जल-विरोधी क्रोड तय करता है
झिल्ली कुछ पदार्थों को पार जाने देती है और कुछ को नहीं। यह रोक द्विस्तर का जलविरोधी मध्य भाग है।
| अणु | प्रकार | द्विस्तर को पार करता है |
|---|
| O2 | small, nonpolar | freely |
| CO2 | small, nonpolar | freely |
| H2O | small, polar | धीरे-धीरे; एक्वापोरिन से तेज़ |
| ग्लूकोज़ | large, polar | परिवहन प्रोटीन के बिना नहीं |
| Na+ | ion (charged) | चैनल या पंप के बिना नहीं |
छोटे अध्रुवीय अणु (O2, CO2, N2) पूँछों में घुल जाते हैं और सीधे पार निकल जाते हैं। जल इतना छोटा है कि रिसकर पार जा सकता है, पर उसका अधिकांश भाग प्रोटीन वाहिकाओं से जाता है। बड़े ध्रुवीय अणु और आयन, जो जल के कोशों में घिरे रहते हैं, अध्रुवीय क्रोड में प्रवेश नहीं कर सकते: उन्हें परिवहन प्रोटीन चाहिए।
इसलिए कोशिका यह नियंत्रित करती है कि क्या पार जाए, इस आधार पर कि वह अपनी झिल्ली में कौन से प्रोटीन लगाती है, और अपने भीतर को बाहर से अलग रख सकती है।
कोशिका भित्ति। पादपों, कवकों और अधिकांश प्रोकैरियोटों में प्लाज़्मा झिल्ली के बाहर भित्ति होती है: पादपों में सेलुलोस, कवकों में काइटिन, जीवाणुओं में पेप्टिडोग्लाइकन। यह आकार और सहारा देती है, कुछ पदार्थों के लिए अतिरिक्त अवरोध है, और भीतर आते जल के दाब को सहती है, ताकि कोशिका फटे नहीं (परासरणी विघटन)।
निष्क्रिय, सक्रिय और थोक में
कोई पदार्थ झिल्ली को या तो अपने सांद्रता प्रवणता के अनुदिश, बिना खर्च के, या उसके विरुद्ध, खर्च के साथ पार करता है।
निष्क्रिय परिवहन अणुओं की उच्च सांद्रता से निम्न सांद्रता की ओर नेट गति है, जिसमें उपापचयी ऊर्जा नहीं लगती। अणु दोनों दिशाओं में पार करते हैं (लाल, बाएँ), पर भीड़ वाली ओर से अधिक पार करते हैं, इसलिए नेट प्रवाह प्रवणता के अनुदिश होता है, जब तक सांद्रताएँ बराबर न हो जाएँ। द्विस्तर से विसरण और प्रोटीनों से सुगमित विसरण (2.6) निष्क्रिय हैं।
सक्रिय परिवहन अणुओं को निम्न सांद्रता से उच्च की ओर ले जाता है। इसमें सीधे ऊर्जा लगती है, प्रायः ATP से, और एक परिवहन प्रोटीन चाहिए: पंप (नीला, मध्य में)। सोडियम–पोटैशियम पंप (2.8) जानने योग्य उदाहरण है।
वरणात्मक पारगम्यता और सक्रिय परिवहन मिलकर कोशिका को अपनी झिल्लियों के आर-पार सांद्रता प्रवणताएँ बनाने और बनाए रखने देते हैं।
बड़े अणु और कण पुटिकाओं में थोक रूप में जाते हैं, और इसमें भी ऊर्जा लगती है। बहिर्कोशिकता में पुटिका प्लाज़्मा झिल्ली से जुड़कर अपनी सामग्री बाहर छोड़ती है: कोशिकाएँ हार्मोन जैसे प्रोटीन इसी तरह स्रावित करती हैं। अंतःकोशिकता में झिल्ली सामग्री के चारों ओर भीतर मुड़ती है और पुटिका के रूप में टूट जाती है: भक्षकाणुक्रिया (कण, पूरी कोशिकाएँ), पिनोसाइटोसिस (द्रव), ग्राही-मध्यित अंतःकोशिकता (ग्राहियों से बंधे विशिष्ट अणु)।
ढलान की ओर, प्रोटीनों के माध्यम से
आयनों और बड़े ध्रुवीय अणुओं को पार जाने के लिए झिल्ली प्रोटीन चाहिए। जब वे अपनी प्रवणता के अनुदिश किसी प्रोटीन से गुज़रते हैं, तो यह सुगमित विसरण है: निष्क्रिय, ATP नहीं लगता।
चैनल प्रोटीन छिद्र बनाते हैं। Na+ और K+ सहित आवेशित आयनों को पार जाने के लिए चैनल चाहिए। कई चैनल केवल एक प्रकार के आयन को गुज़रने देते हैं: आकृति में K+ चैनल K+ (नीला) को उसकी प्रवणता के अनुदिश बाहर जाने देता है, पर Na+ (लाल) को नहीं। कई चैनल द्वारयुक्त होते हैं, जो केवल किसी संकेत के उत्तर में खुलते हैं।
एक्वापोरिन जल के चैनल हैं। इनसे बड़ी मात्रा में जल परासरण द्वारा एक-एक कर झिल्ली पार करता है।
वाहक प्रोटीन एक ओर ग्लूकोज़ जैसे अणु को बाँधते हैं, आकार बदलते हैं और दूसरी ओर उसे छोड़ देते हैं। इस तरह प्रवणता के अनुदिश गति फिर भी निष्क्रिय है।
आयन आवेश वहन करते हैं, इसलिए चैनलों से उनकी गति झिल्ली के एक ओर को दूसरी ओर से अधिक धनात्मक छोड़ सकती है: झिल्ली ध्रुवित हो जाती है।
जल किस ओर जाता है
परासरण वरणात्मक पारगम्य झिल्ली के आर-पार जल का विसरण है। जल उस ओर जाता है जहाँ घुला विलेय अधिक है।
कोशिका की तुलना में विलयन अल्पपरासरी (कम विलेय: जल भीतर जाता है), समपरासरी (बराबर: कोई नेट गति नहीं) या अतिपरासरी (अधिक विलेय: जल बाहर जाता है) होता है। आकृति में कोशिकाओं के 0.3 M के आसपास स्नान 0.15 M से 0.6 M तक बदलता है।
जल विभव, Ψ, इसे संख्याओं में रखता है। जल उच्च Ψ से निम्न Ψ की ओर जाता है।
i आयनन स्थिरांक है (सुक्रोस के लिए 1, NaCl के लिए 2), C मोलर सांद्रता, R = 0.0831 L·bar/(mol·K), T केल्विन में। खुले बीकर में शुद्ध जल का Ψ = 0 होता है; विलेय Ψs को ऋणात्मक बनाता है; दाब Ψp, Ψ को बढ़ाता है।
उदाहरण। 0.2 M सुक्रोस विलयन, हवा के संपर्क में, 22 °C पर:
जिस पादप कोशिका में Ψs = −7.0 bar और Ψp = +3.0 bar है, उसका Ψ = −4.0 bar है। इस विलयन में रखने पर वह जल खोती है: −4.0, −4.90 से अधिक है।
जंतु कोशिका में भित्ति नहीं होती: अल्पपरासरी विलयन में वह फूलती है और फट सकती है; अतिपरासरी में सिकुड़ती है। अल्पपरासरी विलयन में पादप कोशिका अपनी झिल्ली को भित्ति से दबाती है और स्फीत हो जाती है, जो उसकी स्वस्थ अवस्था है; अतिपरासरी में कोशिकाद्रव्य भित्ति से अलग हो जाता है: जीवद्रव्यकुंचन।
परासरण नियमन जल और विलेयों का संतुलन बनाए रखता है: मीठे जल के प्रोटिस्ट संकुचनशील धानियों से जल बाहर पंप करते हैं; जंतु अपने रक्त के विलेयों का नियमन करते हैं।
सक्रिय परिवहन, एक बार में एक ATP
Na+/K+ ATPase प्रयुक्त प्रत्येक ATP पर 3 Na+ कोशिका से बाहर और 2 K+ भीतर ले जाता है, दोनों अपनी प्रवणताओं के विरुद्ध।
| चरण | |
|---|
| 1 | कोशिकाद्रव्य की ओर खुला: 3 Na⁺ जुड़ते हैं |
| 2 | ATP पंप को फॉस्फोरिलीकृत करता है |
| 3 | पंप का आकार बदलता है |
| 4 | बाहर की ओर खुला: 3 Na⁺ मुक्त होते हैं |
| 5 | बाहर से 2 K⁺ जुड़ते हैं |
| 6 | फॉस्फेट अलग हो जाता है |
| 7 | पंप का आकार वापस बदलता है |
| 8 | अंदर की ओर खुला: 2 K⁺ मुक्त होते हैं |
ऊर्जा पंप के आकार में जाती है: ATP अपना अंतिम फॉस्फेट पंप को देता है, जो आकार बदलकर बाहर की ओर खुल जाता है; फॉस्फेट के हटने पर वह वापस बदल जाता है।
| विशिष्ट | बाहर | भीतर |
|---|
| Na+ (mM) | 145 | 15 |
| K+ (mM) | 5 | 140 |
प्रत्येक चक्र भीतर की तुलना में 1 अधिक धनात्मक आवेश बाहर ले जाता है। चैनलों से K+ के रिसने के साथ, यह कोशिका के भीतर को ऋणात्मक रखता है: एक झिल्ली विभव, विश्राम अवस्था के न्यूरॉन में लगभग -70 mV।
ATP के बिना पंप रुक जाता है और प्रवणताएँ विसरण से घटती जाती हैं।
झिल्लियाँ अभिक्रियाओं को अलग रखती हैं
आंतरिक झिल्लियाँ यूकैरियोटी कोशिका को कक्षों में बाँटती हैं, जिनमें से प्रत्येक की अपनी परिस्थितियाँ और एंज़ाइम होते हैं।
कम प्रतिस्पर्धी अभिक्रियाएँ। लाइसोसोम अपने जलअपघटनी एंज़ाइमों को, जो कोशिका को पचा देंगे, झिल्ली के पीछे रखता है, pH 5 पर, जबकि कोशिकाद्रव्य का 7.2 है। यह H+ सांद्रता का गुना है। एंज़ाइम अम्लीय pH पर सबसे अच्छा काम करते हैं, इसलिए जो कोशिकाद्रव्य में रिस जाएँ वे बहुत कम हानि करते हैं।
अधिक सतह। कई अभिक्रियाएँ झिल्लियों पर चलती हैं, इसलिए झिल्ली का क्षेत्रफल उन्हें सीमित करता है। माइटोकॉन्ड्रिया की भीतरी झिल्ली क्रिस्टी में मुड़ी होती है; आकृति में ये मोड़ उसे चिकनी बाहरी झिल्ली के क्षेत्रफल का 1.8 गुना बना देते हैं। क्लोरोप्लास्ट थाइलेकॉइड को इसी तरह ढेर में रखते हैं।
दो झिल्लियाँ दो स्थान भी बनाती हैं: माइटोकॉन्ड्रिया में एक अंतरा-झिल्ली स्थान और एक भीतरी आbefणिका होती है, और अध्याय 3 उनके बीच के अंतर का उपयोग करता है।
अंतःसहजीवन
माइटोकॉन्ड्रिया और क्लोरोप्लास्ट कभी स्वतंत्र रूप से रहने वाले प्रोकैरियोट थे, जिन्हें एक पूर्वज पोषी कोशिका ने भीतर ले लिया और रख लिया: यही अंतःसहजीविता है।
आकृति में एक पोषी कोशिका एक वायुवीय जीवाणु को निगल लेती है। वह पचता नहीं; वह पोषी कोशिका की झिल्ली के भीतर जीवित रहता है और विभाजित होता है। उसके वंशज माइटोकॉन्ड्रिया हैं। बाद में, पादपों और शैवालों की ओर जाने वाली वंश-परंपरा में, जिस कोशिका में पहले से माइटोकॉन्ड्रिया थे, उसने एक प्रकाश-संश्लेषी जीवाणु (सायनोबैक्टीरियम) को भीतर ले लिया: यह क्लोरोप्लास्ट का पूर्वज है।
| प्रमाण | माइटोकॉन्ड्रिया और क्लोरोप्लास्ट |
|---|
| झिल्लियाँ | दो: भीतरी जीवाणु से, बाहरी पोषी कोशिका से |
| DNA | अपना, वृत्తाकार, जीवाणु के DNA जैसा |
| राइबोसोम | अपने, जीवाणु के राइबोसोम जैसे |
| जनन | जीवाणुओं की तरह विखंडन से विभाजित होते हैं, कोशिका के विभाजन से अलग |
| आमाप | लगभग एक जीवाणु के बराबर |
प्रोकैरियोट में झिल्ली से घिरे आंतरिक अंगक नहीं होते, पर उनके भीतर विशेष संरचनाओं और कार्यों वाले क्षेत्र होते हैं, जैसे न्यूक्लिओइड, जहाँ उनका DNA होता है। यूकैरियोटी कोशिकाएँ अपना DNA केंद्रक में और अपनी अभिक्रियाएँ झिल्ली से घिरे अंगकों में रखती हैं।
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