3.2 Umfrymið og frumulíffæri

Nú þegar þú hefur lært að frumuhimnan umlykur allar frumur geturðu kafað inn í dæmigerða mannafrumu og kynnt þér innri hluta hennar og hlutverk þeirra. Allar lifandi frumur fjölfruma lífvera hafa innra umfrymisrými og í umfryminu er kjarni. Frymisvökvi er hlaupkennt efni inni í frumunni sem myndar þann vökvafasa sem er nauðsynlegur fyrir lífefnafræðileg hvörf. Heilkjörnungafrumur, þar á meðal allar dýrafrumur, innihalda einnig ýmis frumulíffæri. Frumulíffæri („lítið líffæri“) er ein af mörgum gerðum himnuumlukinna eininga í frumunni og gegnir hver gerð sérstöku hlutverki. Rétt eins og hin ýmsu líffæri líkamans starfa saman í samhljómi til að sinna allri líkamsstarfsemi vinna hin fjölmörgu frumulíffæri saman að því að halda frumunni heilbrigðri og sinna öllum mikilvægum hlutverkum hennar. Frumulíffærin og frymisvökvinn mynda saman umfrymi frumunnar. Kjarninn er miðlægt frumulíffæri sem inniheldur DNA frumunnar (Mynd 3.13).

Frymisnetið (ER) er gangakerfi sem er samfellt kjarnahimnunni, eða kjarnahjúpnum, sem umlykur kjarnann, og er gert úr sama efni, lípíðtvílagi. Líta má á frymisnetið sem hlykkjótta samgönguæð sem minnir á síkin í Feneyjum. Það myndar göng um stóran hluta frumunnar sem flytja, mynda og geyma efni. Hlykkjótt bygging frymisnetsins skapar stórt himnuyfirborð sem gerir því kleift að sinna fjölmörgum hlutverkum sínum (Mynd 3.14).

Eitt helsta hlutverk slétta frymisnetsins er myndun lípíða. Það myndar fosfólípíð, sem eru meginefni lífhimna, og einnig sterahormón. Frumur sem framleiða mikið magn slíkra hormóna, svo sem frumur í eggjastokkum kvenna og eistum karla, innihalda því mikið slétt frymisnet. Auk lípíðmyndunar geymir slétta frymisnetið Ca⁺⁺-jónir og stjórnar styrk þeirra í frumunni. Þetta hlutverk er afar mikilvægt í frumum taugakerfisins þar sem Ca⁺⁺ hrindir af stað losun taugaboðefna. Slétta frymisnetið umbrýtur einnig sum kolvetni og gegnir afeitrunarhlutverki með því að brjóta niður tiltekin eiturefni.

Golgikerfið flokkar, breytir og sendir frá sér afurðir hrjúfa frymisnetsins, líkt og pósthús. Það líkist stafla af flötum skífum, næstum eins og stafla af óreglulega löguðum pönnukökum. Líkt og frymisnetið eru þessar skífur gerðar úr himnum. Golgikerfið hefur tvær aðgreindar hliðar sem gegna hvor sínu hlutverki. Önnur hliðin tekur við afurðum í bólum. Afurðirnar eru flokkaðar á leið sinni í gegnum kerfið og síðan losaðar frá hinni hliðinni eftir að þeim hefur verið pakkað í nýjar bólur. Ef flytja á afurðina út úr frumunni færist bólan að frumuyfirborðinu og rennur saman við frumuhimnuna, en farmurinn seytist út (Mynd 3.15).

Hver hvatberi (fleirtala = hvatberar) er himnuklætt, baunalaga frumulíffæri sem er „orkubreytir“ frumunnar. Hvatberar hafa ytri himnu úr lípíðtvílagi og aðra innri himnu sem einnig er úr lípíðtvílagi (Mynd 3.16). Innri himnan myndar fjölmargar hlykkjóttar fellingar með miklu yfirborðsflatarmáli sem nefnast kristur. Í þessari innri himnu annast röð próteina, ensíma og annarra sameinda lífefnafræðileg hvörf frumuöndunar. Hvörfin umbreyta orku sem er geymd í næringarsameindum, svo sem glúkósa, í adenósínþrífosfat (ATP), sem veitir frumunni nýtanlega orku. Frumur nota ATP stöðugt og því eru hvatberarnir sífellt að störfum. Súrefnissameindir eru nauðsynlegar við frumuöndun og þess vegna þarftu stöðugt að anda að þér súrefni. Vöðvakerfið er eitt þeirra líffærakerfa sem nota gríðarlegt magn ATP, því ATP er nauðsynlegt til að viðhalda vöðvasamdrætti. Vöðvafrumur eru því þéttsetnar hvatberum. Taugafrumur þurfa einnig mikið ATP til að knýja natríum-kalíumdælur sínar. Í einni taugafrumu geta því verið yfir eitt þúsund hvatbera. Beinfruma, sem er mun minna efnaskiptavirk, hefur hins vegar ef til vill aðeins nokkur hundruð hvatbera.

Líkt og leysingarkorn er oxunarkorn himnubundið frumulíffæri sem inniheldur aðallega ensím (Mynd 3.17). Oxunarkorn gegna nokkrum ólíkum hlutverkum, þar á meðal í lípíðumbrotum og efnafræðilegri afeitrun. Ólíkt meltingarensímunum í leysingarkornum flytja ensímin í oxunarkornum vetnisatóm frá ýmsum sameindum yfir á súrefni og mynda þannig vetnisperoxíð (H₂O₂). Með þessum hætti hlutleysa oxunarkorn eiturefni á borð við alkóhól. Til að skilja mikilvægi oxunarkorna þarf að þekkja hugtakið hvarfgjörn súrefnissambönd.

Hvarfgjörn súrefnissambönd (ROS), svo sem peroxíð og stakeindir, eru mjög hvarfgjarnar afurðir margra eðlilegra frumuferla, meðal annars ATP-myndandi hvarfa í hvatberum og umbrots súrefnis. Dæmi um ROS eru hýdroxýlstakeindin OH, H₂O₂ og ofuroxíð (${\text{O}}_2^{-}$). Sum hvarfgjörn súrefnissambönd eru mikilvæg fyrir tiltekin frumuhlutverk, svo sem frumuboð og ónæmissvörun gegn framandi efnum. Stakeindir eru hvarfgjarnar vegna þess að þær innihalda óparaðar rafeindir. Þær geta auðveldlega oxað aðrar sameindir víða um frumuna og valdið frumuskemmdum og jafnvel frumudauða. Talið er að stakeindir eigi þátt í mörgum skaðlegum ferlum í líkamanum, allt frá krabbameini til kransæðasjúkdóms.

Oxunarkorn stýra hins vegar hvörfum sem hlutleysa stakeindir. Við ferlið mynda þau mikið magn af eitruðu H₂O₂ en innihalda ensím sem umbreyta H₂O₂ í vatn og súrefni. Þessar aukaafurðir losna örugglega út í umfrymið. Líkt og örsmáar skólphreinsistöðvar hlutleysa oxunarkorn skaðleg eiturefni svo þau valdi ekki usla í frumunum. Lifrin sér aðallega um að afeitra blóðið áður en það berst um líkamann og lifrarfrumur innihalda óvenjumörg oxunarkorn.

Oxunarálag er heiti á skemmdum sem hvarfgjörn súrefnissambönd valda á frumuhlutum. Vegna óparaðra rafeinda sinna geta þau hrundið af stað keðjuverkunum þar sem þau taka rafeindir frá öðrum sameindum. Þær sameindir oxast þá og verða hvarfgjarnar, taka aftur rafeindir frá öðrum sameindum og við það verður keðjuverkun. Hvarfgjörn súrefnissambönd geta valdið varanlegum skemmdum á lípíðum, próteinum, kolvetnum og kjarnsýrum frumna. Skemmt DNA getur leitt til stökkbreytinga og jafnvel krabbameins. Stökkbreyting er breyting á kirnaröð gens í DNA frumu sem getur breytt próteininu sem genið skráir fyrir. Meðal annarra sjúkdóma sem taldir eru geta stafað af hvarfgjörnum súrefnissamböndum eða versnað vegna þeirra eru Alzheimer-sjúkdómur, hjarta- og æðasjúkdómar, sykursýki, Parkinson-sjúkdómur, liðagigt, Huntington-sjúkdómur og geðklofi. Athygli vekur að þessir sjúkdómar eru að mestu aldurstengdir. Margir vísindamenn telja oxunarálag eiga stóran þátt í öldrunarferlinu.

Frumugrindin myndar flókið þráðanet um alla frumuna og samanstendur af þrenns konar próteinþráðum: örþráðum, milliþráðum og örpíplum (Mynd 3.18). Þykkust þessara þriggja gerða er örpíplan, byggingarþráður úr undireiningum próteins sem nefnist túbúlín. Örpíplur viðhalda lögun og byggingu frumunnar, hjálpa henni að standast þrýsting og taka þátt í að staðsetja frumulíffæri inni í henni. Þær mynda einnig tvenns konar hreyfanleg útskot frumna: bifhár og svipur. Bifhár eru á mörgum frumum líkamans, meðal annars þekjufrumum sem klæða öndunarvegina. Þau hreyfast taktbundið og slá stöðugt þannig að úrgangsefni á borð við ryk, slím og bakteríur færast upp eftir öndunarvegunum, frá lungunum og í átt að munninum. Sláttur bifhára á frumum í eggjaleiðurum kvenna flytur eggfrumur frá eggjastokknum í átt að leginu. Svipa (fleirtala = svipur) er stærra útskot en bifhár og er sérhæfð til að knýja frumuna áfram. Eina frumugerðin í mönnum sem hefur svipu er sáðfruman, sem þarf að knýja sig í átt að eggfrumu.

Öfugt við örpíplur er örþráður grennri gerð þráðar í frumugrindinni (sjá Mynd 3.18b). Aktín, prótein sem myndar keðjur, er meginuppistaða örþráðanna. Aktíntrefjar, sem eru snúnar keðjur aktínþráða, mynda stóran hluta vöðvavefs og valda ásamt próteininu mýósíni vöðvasamdrætti. Líkt og örpíplur eru aktínþræðir langar keðjur stakra undireininga sem nefnast aktínundireiningar. Í vöðvafrumum nefnast þessir löngu aktínþræðir grannþræðir. Þykkir þræðir mýósínprótíns „draga“ í þá og stytta þannig frumuna.

Síðasta gerð þráða frumugrindarinnar er milliþráður. Eins og heitið gefur til kynna er hann mitt á milli örpípla og örþráða að þykkt (sjá Mynd 3.18c). Milliþræðir eru gerðir úr löngum, trefjalaga undireiningum próteins sem nefnist keratín og vefjast saman líkt og þræðir í reipi. Ásamt örpíplum eru milliþræðir mikilvægir til að viðhalda lögun og byggingu frumu. Örpíplur standast þrýsting en milliþræðir standast tog, það er krafta sem draga frumur í sundur. Frumur verða oft fyrir togi, til dæmis þegar þekjufrumur húðarinnar þjappast saman og togast í ólíkar áttir. Milliþræðir hjálpa til við að festa frumulíffæri saman inni í frumu og tengja einnig frumur hverja við aðra með því að mynda sérstök frumumót.