Biology · AP Biology
Struktur dan fungsi sel
petak dan membran
Setiap benda hidup terdiri daripada sel, dan setiap sel ialah kantung air dan bahan kimia yang diasingkan daripada dunia luar oleh membran.
Rajah ini ialah sel haiwan yang dibelah. Di dalam membran plasmanya terdapat sitoplasma, dan dalam sel eukariot seperti ini, organel: petak dengan membran tersendiri, masing-masing dengan tugasnya.
Vesikel biru membawa protein yang baru dibuat dari retikulum endoplasma ke Golgi dan seterusnya ke membran, tempat ia keluar daripada sel.
Bab ini menamakan organel dan tugasnya, menerangkan sebab sel kekal kecil, kemudian mengikuti membran: terdiri daripada apa, apa yang merentasinya dan bagaimana, bagaimana air bergerak, dan dari mana organel itu sendiri berasal.
ribosom dan sistem endomembran
Organel membahagikan kerja sel eukariot. Prokariot, iaitu bakteria dan arkea, tidak mempunyai nukleus dan organel terikat membran, tetapi setiap sel mempunyai membran plasma, sitoplasma, DNA dan ribosom.
Ribosom membuat protein. Setiap satu terdiri daripada rRNA dan protein, tanpa membran. Ribosom terdapat dalam semua bentuk hidupan, tanda nenek moyang sepunya. Ribosom bebas membuat protein untuk sitosol; ribosom yang terikat pada ER membuat protein untuk membran, untuk organel dan untuk dieksport.
Sistem endomembran ialah satu set membran yang dihubungkan oleh vesikel: sampul nukleus, ER, Golgi, lisosom, vakuol dan membran plasma.
| organel | tugas |
|---|
| nukleus | menyimpan DNA; membran berganda, iaitu sampul nukleus |
| ER kasar | membran dengan ribosom terikat: sintesis, pelipatan dan pengangkutan protein |
| ER licin | tiada ribosom: sintesis lipid, penyahtoksikan |
| kompleks Golgi | mengubah suai protein secara kimia (contohnya menambah karbohidrat), menyusun dan membungkusnya |
Jadi protein untuk eksport bergerak RE kasar → Golgi, permukaan cis → Golgi, permukaan trans → membran plasma, dibawa di antaranya dalam vesikel.
| saiz lazim | |
|---|
| ribosome | 25 nm | dalam setiap sel |
| bakteria (prokariot) | 1–5 µm | tiada nukleus, tiada organel terikat membran |
| mitochondrion | 0.5–1 µm lebar | sebesar bakteria |
| sel haiwan | 10–30 µm | |
| sel tumbuhan | 10–100 µm | vakuol tengah yang besar |
tenaga, penyimpanan dan kitar semula
Sel tumbuhan mempunyai semua organel sel haiwan kecuali lisosom (kebanyakannya), dan menambah kloroplas, vakuol pusat yang besar dan dinding sel.
Mitokondrion mempunyai membran berganda: membran luar yang licin dan membran dalam yang berlipat, yang lipatannya ialah krista. Ia menghasilkan kebanyakan ATP sel melalui respirasi sel (bab 3).
Kloroplas, dalam tumbuhan dan alga, juga mempunyai membran berganda. Di dalamnya terdapat timbunan kantung membran, iaitu tilakoid, dalam bendalir yang dipanggil stroma. Ia menangkap tenaga cahaya dalam fotosintesis.
Lisosom ialah kantung membran yang mengandungi enzim hidrolitik. Ia mencerna apa yang diambil sel, mengitar semula bahagian yang usang, dan terlibat dalam apoptosis, kematian sel terancang.
Vakuol menyimpan dan membebaskan air, ion, makromolekul dan bahan buangan.
| sel tumbuhan | sel haiwan |
|---|
| bilangan | biasanya satu, di tengah | beberapa, kecil |
| saiz | besar: selalunya kebanyakan sel | kecil |
| tugas utama | menyimpan air: tekanannya menjadikan sel tegang (turgor) | penyimpanan, pengangkutan, pencernaan |
Dalam rajah, vakuol memenuhi 27% sel, dan kloroplas serta mitokondrion bergerak mengelilinginya bersama sitoplasma yang bergerak: aliran sitoplasma.
nisbah luas permukaan kepada isi padu
Sel bertukar makanan, oksigen, bahan buangan dan haba melalui permukaannya, tetapi keperluannya meningkat dengan isi padunya. Apabila sel membesar, isi padu mengatasi luas permukaan.
Bagi kubus bersisi s:
| sisi (µm) | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|
| permukaan (µm²) | 6 | 24 | 54 | 96 |
|---|
| isi padu (µm³) | 1 | 8 | 27 | 64 |
|---|
| LP:I (µm⁻¹) | 6 | 3 | 2 | 1.5 |
|---|
Menggandakan sisi mendarabkan luas permukaan dengan 4 tetapi isi padu dengan 8, jadi nisbahnya menjadi separuh.
Sfera. . Sel berjejari 10 µm mempunyai LP:I = 0.3 µm⁻¹; pada 20 µm, 0.15 µm⁻¹, separuh luas permukaan bagi setiap unit isi padu.
Potong kubus bersisi 4 kepada 64 kubus bersisi 1: isi padu yang sama, 4 kali ganda luas permukaan. Sel membahagi, memipih, atau melipat membrannya (mikrovilus, bulu akar) untuk mengekalkan nisbah yang tinggi; organisma besar membina permukaan pertukaran seperti alveolus dan vilus.
Nisbah ini juga menentukan kehilangan haba. Haiwan kecil mempunyai lebih banyak permukaan bagi setiap gram, kehilangan haba lebih cepat, dan oleh itu mempunyai kadar metabolisme setiap gram yang lebih tinggi daripada haiwan besar.
lapisan lipid dengan protein terapung di dalamnya
Membran plasma ialah dwilapisan fosfolipid dengan protein tertanam di dalamnya dan karbohidrat melekat pada permukaan luarnya.
Fosfolipid bersifat amfipatik: kepala fosfat yang hidrofilik dan dua ekor asid lemak yang hidrofobik. Dalam air, fosfolipid membentuk dua lapisan, dengan kepala menghadap air di setiap sisi dan ekor tersembunyi di tengah.
Protein membran juga mengikut peraturan yang sama. Protein integral merentangi dwilapisan: asid amino tak berkutub (hidrofobik) menghadap ekor lipid, manakala asid amino berkutub dan bercas (hidrofilik) menghadap air. Protein periferi melekat secara longgar pada permukaan.
Membran bersifat bendalir: lipid dan kebanyakan protein bergerak ke sisi, seperti yang ditunjukkan oleh rajah. Lipid jarang beralih dari satu lapisan ke lapisan lain. Protein yang bertaburan dalam lipid membentuk mozek.
Kolesterol, antara lipid dalam sel haiwan vertebrata, mengawal kebendalirian: ia menstabilkan membran apabila panas dan menghalangnya daripada memadat apabila sejuk.
Glikoprotein dan glikolipid membawa rantai karbohidrat pendek pada permukaan luar, yang digunakan dalam pengecaman sel.
teras hidrofobik yang menentukan
Membran membenarkan sesetengah bahan melaluinya dan menghalang yang lain. Penghalangnya ialah bahagian tengah dwilapisan yang hidrofobik.
| molekul | jenis | merentasi dwilapisan |
|---|
| O2 | small, nonpolar | freely |
| CO2 | small, nonpolar | freely |
| H2O | small, polar | perlahan; laju melalui akuaporin |
| glukosa | large, polar | tidak tanpa protein pengangkut |
| Na+ | ion (charged) | tidak tanpa saluran atau pam |
Molekul kecil tak berkutub (O2, CO2, N2) larut dalam ekor dan melaluinya terus. Air cukup kecil untuk menyelinap melaluinya, tetapi kebanyakannya melalui saluran protein. Molekul berkutub yang besar dan ion, yang dikelilingi lapisan air, tidak dapat memasuki teras tak berkutub: mereka memerlukan protein pengangkutan.
Oleh itu, sel mengawal apa yang melintas melalui protein yang diletakkan dalam membrannya, dan dapat mengekalkan bahagian dalamnya berbeza daripada bahagian luar.
Dinding sel. Tumbuhan, kulat dan kebanyakan prokariot mempunyai dinding di luar membran plasma: selulosa pada tumbuhan, kitin pada kulat, peptidoglikan pada bakteria. Dinding memberi bentuk dan sokongan, menjadi penghalang tambahan kepada sesetengah bahan, dan menahan tekanan air yang masuk supaya sel tidak pecah (lisis osmosis).
pasif, aktif dan secara pukal
Sesuatu bahan merentasi membran sama ada menuruni kecerunan kepekatannya, secara percuma, atau menaikinya, dengan kos tenaga.
Pengangkutan pasif ialah pergerakan bersih molekul dari kepekatan tinggi ke rendah, tanpa input tenaga metabolik. Molekul melintas ke kedua-dua arah (merah, kiri), tetapi lebih banyak melintas dari sisi yang sesak, jadi aliran bersih menuruni kecerunan sehingga kepekatan menjadi sama. Resapan melalui dwilapisan, dan resapan berbantu melalui protein (2.6), adalah pasif.
Pengangkutan aktif menggerakkan molekul dari kepekatan rendah ke tinggi. Ia memerlukan tenaga yang dibekalkan secara langsung, biasanya daripada ATP, dan protein pengangkutan: pam (biru, tengah). Pam natrium–kalium (2.8) ialah contoh yang perlu diketahui.
Kebolehtelapan memilih ditambah pengangkutan aktif ialah cara sel membina dan mengekalkan kecerunan kepekatan merentasi membrannya.
Molekul dan zarah besar bergerak secara pukal, dalam vesikel, dan itu juga memerlukan tenaga. Dalam eksositosis, vesikel bercantum dengan membran plasma dan melepaskan kandungannya ke luar: cara sel merembeskan protein seperti hormon. Dalam endositosis, membran melipat ke dalam mengelilingi bahan dan tercubit menjadi vesikel: fagositosis (zarah, keseluruhan sel), pinositosis (cecair), endositosis berperantarakan reseptor (molekul tertentu yang terikat pada reseptor).
menuruni kecerunan, melalui protein
Ion dan molekul berkutub yang besar memerlukan protein membran untuk melintas. Apabila mereka bergerak menuruni kecerunan melalui protein itu, ia ialah resapan berbantu: pasif, tanpa ATP.
Protein saluran membentuk liang. Ion bercas, termasuk Na+ dan K+, memerlukan saluran untuk melintas. Banyak saluran hanya melalukan satu jenis ion: dalam rajah, saluran K+ membenarkan K+ (biru) keluar, menuruni kecerunannya, tetapi tidak Na+ (merah). Banyak saluran bersifat berpintu, hanya terbuka sebagai tindak balas kepada isyarat.
Akuaporin ialah saluran untuk air. Air dalam jumlah besar melintasi membran melaluinya, satu demi satu, secara osmosis.
Protein pembawa mengikat molekul seperti glukosa di satu sisi, berubah bentuk, dan melepaskannya di sisi lain. Pergerakan menuruni kecerunan dengan cara ini masih pasif.
Oleh sebab ion membawa cas, pergerakannya melalui saluran boleh menyebabkan satu sisi membran lebih positif daripada sisi lain: membran menjadi terkutub.
arah pergerakan air
Osmosis ialah resapan air merentasi membran separa telap. Air bergerak ke arah sisi yang mempunyai lebih banyak zat terlarut.
Berbanding dengan sel, suatu larutan ialah hipotonik (kurang zat terlarut: air bergerak masuk), isotonik (sama: tiada pergerakan bersih) atau hipertonik (lebih zat terlarut: air bergerak keluar). Dalam rajah, rendaman berubah dari 0.15 M kepada 0.6 M di sekitar 0.3 M milik sel.
Keupayaan air, Ψ, menyatakan hal ini dalam nombor. Air bergerak dari Ψ yang lebih tinggi ke Ψ yang lebih rendah.
i ialah pemalar pengionan (1 untuk sukrosa, 2 untuk NaCl), C kepekatan molar, R = 0.0831 L·bar/(mol·K), T dalam kelvin. Air tulen dalam bikar terbuka mempunyai Ψ = 0; zat terlarut menjadikan Ψs negatif; tekanan Ψp menaikkan Ψ.
Contoh. Larutan sukrosa 0.2 M, terdedah kepada udara, pada 22 °C:
Sel tumbuhan dengan Ψs = −7.0 bar dan Ψp = +3.0 bar mempunyai Ψ = −4.0 bar. Apabila diletakkan dalam larutan ini, ia kehilangan air: −4.0 lebih tinggi daripada −4.90.
Sel haiwan tidak mempunyai dinding: dalam larutan hipotonik ia membengkak dan boleh pecah; dalam larutan hipertonik ia mengecut. Sel tumbuhan dalam larutan hipotonik menekan membrannya pada dinding dan menjadi turgid, keadaan sihatnya; dalam larutan hipertonik, sitoplasma tertarik menjauhi dinding: plasmolisis.
Osmopengawalaturan mengekalkan keseimbangan air dan zat terlarut: protista air tawar mengepam air keluar dengan vakuol berkontraksi; haiwan mengawal zat terlarut dalam darahnya.
pengangkutan aktif, satu ATP pada satu masa
ATPase Na+/K+ menggerakkan 3 Na+ keluar dari sel dan 2 K+ masuk bagi setiap ATP yang digunakannya, kedua-duanya melawan kecerunan masing-masing.
| langkah | |
|---|
| 1 | terbuka ke sitoplasma: 3 Na⁺ terikat |
| 2 | ATP memfosforilkan pam |
| 3 | pam berubah bentuk |
| 4 | terbuka ke luar: 3 Na⁺ dibebaskan |
| 5 | 2 K⁺ terikat dari luar |
| 6 | fosfat tertanggal |
| 7 | pam kembali berubah bentuk |
| 8 | terbuka ke dalam: 2 K⁺ dibebaskan |
Tenaga disalurkan ke dalam bentuk pam: ATP memindahkan fosfat terakhirnya kepada pam, yang berubah bentuk dan terbuka ke luar; apabila fosfat meninggalkannya, pam kembali kepada bentuk asal.
| lazim | luar | dalam |
|---|
| Na+ (mM) | 145 | 15 |
| K+ (mM) | 5 | 140 |
Setiap kitaran memindahkan 1 cas positif lebih banyak keluar berbanding masuk. Dengan K+ bocor keluar melalui saluran, ini mengekalkan bahagian dalam sel negatif: keupayaan membran, kira-kira -70 mV dalam neuron yang berehat.
Tanpa ATP, pam berhenti dan kecerunan menyusut melalui resapan.
membran mengasingkan tindak balas
Membran dalaman membahagikan sel eukariot kepada petak, masing-masing dengan keadaan dan enzimnya sendiri.
Kurang tindak balas bersaing. Lisosom menyimpan enzim hidrolitiknya, yang boleh mencernakan sel, di sebalik membran, pada pH 5 berbanding 7.2 bagi sitosol. Itu ialah kali kepekatan H+. Enzim berfungsi paling baik pada pH berasid, jadi enzim yang bocor ke dalam sitosol hanya sedikit mendatangkan mudarat.
Lebih banyak permukaan. Banyak tindak balas berlaku pada membran, jadi luas membran mengehadkannya. Membran dalam mitokondrion berlipat menjadi krista; dalam rajah, lipatan itu menjadikan luasnya 1.8 kali ganda luas membran luar yang licin. Kloroplas menyusun tilakoid dengan cara yang sama.
Dua membran juga menghasilkan dua ruang: mitokondrion mempunyai ruang antara membran dan matriks di dalam, dan bab 3 menggunakan perbezaan antara kedua-duanya.
endosimbiosis
Mitokondria dan kloroplas dahulunya prokariot yang hidup bebas, diambil masuk oleh sel perumah purba dan dikekalkan: endosimbiosis.
Dalam rajah, sel perumah menelan bakteria aerob. Bakteria itu tidak dicerna; ia terus hidup di dalam membran daripada perumah, dan membahagi. Keturunannya ialah mitokondria. Kemudian, dalam salasilah yang membawa kepada tumbuhan dan alga, sel yang sudah mempunyai mitokondria menelan bakteria fotosintesis (sianobakteria): nenek moyang kloroplas.
| bukti | mitokondria dan kloroplas |
|---|
| membran | dua: yang dalam daripada bakteria, yang luar daripada perumah |
| DNA | milik sendiri, membulat, seperti DNA bakteria |
| ribosom | milik sendiri, serupa dengan ribosom bakteria |
| pembiakan | membahagi secara pembelahan, seperti bakteria, berasingan daripada pembahagian sel |
| saiz | lebih kurang sebesar bakteria |
Prokariot tidak mempunyai organel terlindung membran di dalamnya, tetapi ada kawasan di dalam dengan struktur dan tugas khas, seperti nukleoid tempat DNA mereka berada. Sel eukariot menyimpan DNA dalam nukleus dan tindak balasnya dalam organel terlindung membran.
← Kimia hidupan · Tenaga sel →