سیتوپلاسم و غشای سلولی

سیتوپلاسم بخشی از سلول است که فضای میان غشای سلولی و هسته را پر می‌کند. این محیط نیمه‌مایع، چسبناک و شفاف است و بیشتر از آب، نمک‌ها، آنزیم‌ها، پروتئین‌ها و سایر مولکول‌های محلول تشکیل شده است. در سیتوپلاسم بیشتر فعالیت‌های حیاتی سلول انجام می‌شود و اندامک‌هایی چون میتوکندری، شبکه آندوپلاسمی، گلژی و ریبوزوم‌ها در آن معلق‌اند. به‌نوعی می‌توان سیتوپلاسم را محیط کاری سلول در نظر گرفت که تمام اجزای داخل سلول در آن جای دارند و فعالیت می‌کنند.

سیتوپلاسم به دو بخش تقسیم می‌شود: سیتوزول (مایع زمینه‌ای) و اندامک‌ها. سیتوزول خود محل اصلی واکنش‌های شیمیایی مانند گلیکولیز است. ترکیب شیمیایی خاص سیتوپلاسم، محیط مناسبی برای انتقال مولکول‌ها و ایجاد تعادل یونی فراهم می‌کند. همچنین رشته‌هایی به نام اسکلت سلولی در سیتوپلاسم وجود دارد که به حفظ شکل سلول کمک می‌کنند. اسکلت سلولی از سه نوع رشته تشکیل شده است: میکروتوبول‌ها، میکروفیلامان‌ها و فیلامان‌های حدواسط. هر یک از این رشته‌ها وظایف ویژه‌ای دارند، از جمله جابجایی اندامک‌ها، تقسیم سلولی و ایجاد ساختارهای موقتی مانند تاژک و مژک برای حرکت.

علاوه بر این، سیتوپلاسم محیطی است که در آن جریان سیتوپلاسمی (cytoplasmic streaming) اتفاق می‌افتد. این پدیده موجب توزیع یکنواخت مواد غذایی، آنزیم‌ها و دیگر مواد شیمیایی در سلول می‌شود. در سلول‌های گیاهی، این جریان برای حرکت کلروپلاست‌ها اهمیت دارد تا آن‌ها بتوانند نور خورشید را بهتر جذب کنند. همچنین در برخی سلول‌های حیوانی، سیتوپلاسم در فرآیندهایی چون فاگوسیتوز (بلع ذرات خارجی) نقش ایفا می‌کند، زیرا انعطاف‌پذیری آن اجازه می‌دهد غشای سلولی به‌سادگی تغییر شکل دهد و ذرات را دربرگیرد.

غشای سلولی که به آن غشای پلاسمایی هم می‌گویند، پوششی نازک و انعطاف‌پذیر است که سلول را از محیط بیرونی جدا می‌کند. این غشا از دولایه فسفولیپیدی تشکیل شده و خاصیت نیمه‌تراوا دارد، یعنی فقط به برخی مواد اجازه ورود و خروج می‌دهد. در این غشا، پروتئین‌هایی قرار دارند که نقش‌های گوناگونی مانند انتقال مواد، شناسایی پیام‌های شیمیایی و چسبندگی به سلول‌های دیگر ایفا می‌کنند. این پروتئین‌ها به دو دسته محیطی و تراگذری تقسیم می‌شوند. پروتئین‌های تراگذری نقش اساسی در انتقال فعال و غیرفعال مواد دارند و برخی از آن‌ها به عنوان گیرنده برای هورمون‌ها و پیام‌های شیمیایی عمل می‌کنند.

یکی از مهم‌ترین وظایف غشای سلولی، حفظ تعادل درونی سلول یا همان هم‌ایستایی است. همچنین این غشا مسئولیت تشخیص و پاسخ‌دهی به پیام‌های خارجی را برعهده دارد و می‌تواند با سلول‌های مجاور ارتباط برقرار کند. این ارتباط از طریق ساختارهایی به نام اتصال‌دهنده‌ها (junctions) مانند دسموزوم‌ها، اتصالات محکم و کانال‌های بین‌سلولی انجام می‌شود. علاوه‌بر این، غشا در فرآیندهای مهمی مانند اندوسیتوز و اگزوسیتوز نیز نقش کلیدی دارد که طی آن‌ها مواد وارد یا از سلول خارج می‌شوند.

در نهایت، همکاری هماهنگ میان سیتوپلاسم و غشای سلولی برای بقای سلول حیاتی است. اگر غشا آسیب ببیند یا نفوذپذیری آن به هم بخورد، سلول نمی‌تواند تعادل خود را حفظ کند و خواهد مرد. همچنین اگر سیتوپلاسم نتواند محیط مناسبی برای واکنش‌های شیمیایی ایجاد کند، عملکرد کل سلول مختل می‌شود. این نکته اهمیت سلامت و عملکرد صحیح این اجزای سلولی را در بیماری‌هایی چون سرطان، اختلالات نورونی و اختلالات خودایمنی به‌خوبی نشان می‌دهد، چرا که تغییر در ساختار یا عملکرد آن‌ها می‌تواند آغازگر مسیرهای بیماری‌زا باشد.

شکل۱، این تصویر ساختار یک سلول یوکاریوتی را نشان می‌دهد که در آن اندامک‌هایی مانند هسته، میتوکندری، شبکه آندوپلاسمی، دستگاه گلژی و ریبوزوم‌ها درون سیتوپلاسم قرار دارند. غشای سلولی نیز به‌عنوان مرز خارجی سلول مشخص شده است.

هسته و پوشش هسته‌ای

هسته یکی از مهم‌ترین اندامک‌های سلول‌های یوکاریوتی است و اغلب در مرکز سلول قرار دارد. این اندامک به‌نوعی مرکز فرماندهی سلول محسوب می‌شود زیرا اطلاعات ژنتیکی سلول یعنی DNA در آن ذخیره شده است. DNA شامل تمام دستورالعمل‌های لازم برای ساخت پروتئین‌ها، تقسیم سلولی، ترمیم و رشد سلول است. بدون هسته، سلول قادر به انجام فعالیت‌های حیاتی خود نیست. اطلاعات ژنتیکی موجود در DNA به‌صورت کدهای چهارحرفی (A, T, G, C) ذخیره شده که طی فرایند رونویسی (Transcription) به RNA تبدیل می‌شوند و سپس از طریق ترجمه (Translation) به پروتئین‌ها تبدیل می‌گردند. این فرایندها در هماهنگی کامل با ساختار و عملکرد هسته انجام می‌شوند.

هسته به‌وسیله پوشش هسته‌ای که شامل دو غشای جداگانه است، از سیتوپلاسم جدا شده است. این دو غشا که به آن‌ها غشای داخلی و غشای خارجی گفته می‌شود، ساختاری شبیه به غشای سلولی دارند و از فسفولیپیدها تشکیل شده‌اند. غشای خارجی اغلب با شبکه آندوپلاسمی خشن در ارتباط است و ممکن است ریبوزوم‌هایی روی سطح آن قرار داشته باشند. پوشش هسته‌ای دارای منافذی به نام منافذ هسته‌ای است که اجازه عبور و مرور مولکول‌هایی مانند RNA، پروتئین‌ها و آنزیم‌ها را به داخل و خارج هسته می‌دهد. این عبور کنترل‌شده بسیار دقیق است و فقط مولکول‌های خاص اجازه ورود یا خروج دارند. مجموعه‌ای از پروتئین‌ها به نام «کمپلکس منفذ هسته‌ای» (Nuclear Pore Complex) وظیفه کنترل این عبور و مرور را بر عهده دارند. این ساختار یکی از پیچیده‌ترین پروتئین‌های شناخته‌شده در سلول است و نقشی حیاتی در تنظیم عملکرد ژن‌ها دارد.

درون هسته، کروماتین وجود دارد که ترکیبی از DNA و پروتئین‌های هیستونی است. هیستون‌ها به DNA کمک می‌کنند تا به‌صورت منظم و فشرده بسته‌بندی شود و از آسیب‌های احتمالی محافظت گردد. هنگام تقسیم سلول، کروماتین متراکم شده و کروموزوم‌ها را تشکیل می‌دهد. انسان دارای ۲۳ جفت کروموزوم است که هرکدام حاوی هزاران ژن هستند. در حالت عادی، کروماتین به صورت رشته‌ای در سراسر هسته پراکنده است تا رونویسی و دسترسی به ژن‌ها آسان‌تر باشد. علاوه‌بر کروماتین، ساختاری به نام هسته‌چه نیز در درون هسته وجود دارد. هسته‌چه مسئول ساخت زیرواحدهای ریبوزومی است که بعداً در سیتوپلاسم پروتئین‌سازی می‌کنند. هسته‌چه خود فاقد غشا است و بر اساس توالی‌های خاصی از DNA به نام سازمان‌دهنده‌های هسته‌چه‌ای (nucleolar organizers) شکل می‌گیرد.

پوشش هسته‌ای نه‌تنها از مواد ژنتیکی محافظت می‌کند بلکه با کنترل تبادل اطلاعات بین هسته و سیتوپلاسم، به تنظیم فعالیت‌های سلول کمک می‌کند. این تبادل شامل حرکت RNA پیام‌رسان (mRNA)، RNA ریبوزومی (rRNA) و پروتئین‌های تنظیم‌کننده است. آسیب به پوشش هسته‌ای می‌تواند منجر به نشت مواد ژنتیکی یا ورود مواد نامناسب شود که در نهایت به مرگ سلول منجر می‌شود. در برخی بیماری‌های ژنتیکی نادر مانند «لامینوپاتی‌ها»، اختلال در پروتئین‌های تشکیل‌دهنده پوشش هسته‌ای منجر به بروز ناهنجاری‌های شدید سلولی و بیماری‌های تخریب‌کننده عضلانی یا عصبی می‌شود.

برخلاف سلول‌های یوکاریوتی، سلول‌های پروکاریوتی هسته ندارند، بلکه ماده ژنتیکی آن‌ها به صورت آزاد در ناحیه‌ای به نام نوکلئوئید قرار دارد. در نوکلئوئید، DNA به‌صورت حلقوی و فاقد هیستون‌ها سازمان‌دهی شده است. با این حال، در سلول‌های یوکاریوتی، وجود هسته یک ویژگی بنیادی است که آن‌ها را از سایر سلول‌ها متمایز می‌کند. این تفکیک فضایی بین DNA و بقیه بخش‌های سلول به یوکاریوت‌ها امکان می‌دهد که فرآیندهای پیچیده‌تر تنظیم ژنی و تکامل ساختاری را تجربه کنند، که در نهایت منجر به پیدایش موجودات چندسلولی با کارکردهای تخصص‌یافته شد.

شکل۲، این تصویر ساختار یک سلول یوکاریوتی را نشان می‌دهد که در آن هسته با پوشش هسته‌ای دو لایه‌ای از سیتوپلاسم جدا شده است. پوشش هسته‌ای دارای منافذی است که تبادل مولکول‌ها بین هسته و سیتوپلاسم را امکان‌پذیر می‌سازد. درون هسته، کروماتین (ترکیبی از DNA و پروتئین‌های هیستونی) و هسته‌چه (مسئول ساخت زیرواحدهای ریبوزومی) مشاهده می‌شوند.