Structural Characterization of Bioactive Phytochemicals: FT-IR, NMR Spectroscopy, and Mass Spectrometry

Structural Characterization of Bioactive Phytochemicals: FT-IR, NMR Spectroscopy, and Mass Spectrometry

The structural characterization of bioactive phytochemicals. It focuses on Fourier-Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy, and Mass Spectrometry (MS), highlighting their principles, applications, and the type of information they provide for elucidating the structure of plant-derived compounds. 

Fourier-Transform Infrared (FT-IR) Spectroscopy

Principle

FT-IR spectroscopy is a vibrational spectroscopic technique that provides information about the functional groups present in a molecule. It is based on the principle that molecules absorb infrared radiation at specific frequencies that correspond to the vibrational modes of their bonds. When a molecule absorbs IR radiation, it undergoes vibrational transitions, such as stretching and bending, which are quantized. The frequencies at which these transitions occur are determined by the masses of the atoms involved and the strength of the bonds between them.

Instrumentation

An FT-IR spectrometer consists of an infrared source, an interferometer, a sample compartment, a detector, and a computer. The interferometer splits the IR beam into two paths, one of which is fixed and the other is movable. The beams are then recombined, creating an interference pattern that depends on the difference in path lengths. This interference pattern, called an interferogram, contains information about all the frequencies of IR radiation absorbed by the sample. The Fourier transform is then applied to the interferogram to obtain the IR spectrum, which plots the absorbance or transmittance of IR radiation as a function of wavenumber (cm^-1).

Applications in Phytochemical Characterization

FT-IR spectroscopy is a valuable tool for identifying the functional groups present in bioactive phytochemicals. By analyzing the absorption bands in the IR spectrum, one can determine the presence of functional groups such as:

• O-H: Alcohols, phenols, carboxylic acids (broad peak around 3200-3600 cm^-1)

• N-H: Amines, amides (peak around 3300-3500 cm^-1)

• C-H: Alkanes, alkenes, aromatics (peak around 2850-3000 cm^-1)

• C=O: Aldehydes, ketones, carboxylic acids, esters, amides (peak around 1650-1800 cm^-1)

• C=C: Alkenes, aromatics (peak around 1600-1680 cm^-1)

• C-O: Alcohols, ethers, esters, carboxylic acids (peak around 1000-1300 cm^-1)

The position and intensity of these absorption bands can provide information about the chemical environment of the functional groups and the structure of the molecule. FT-IR is often used as a preliminary technique to identify the major functional groups present in a phytochemical extract or compound, guiding further structural elucidation using other spectroscopic methods.

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy

Principle

NMR spectroscopy is a powerful technique for determining the structure and dynamics of molecules. It is based on the principle that atomic nuclei with an odd number of protons or neutrons possess a magnetic moment and angular momentum (spin). When placed in an external magnetic field, these nuclei align either with or against the field. By irradiating the sample with radiofrequency (RF) radiation, the nuclei can be induced to transition between these energy levels. The frequency at which this transition occurs is dependent on the magnetic environment of the nucleus, which is influenced by the surrounding atoms and electrons.

Instrumentation

An NMR spectrometer consists of a strong magnet, a radiofrequency (RF) transmitter, a receiver coil, and a computer. The sample is placed in the magnetic field, and RF radiation is applied. The receiver coil detects the RF signal emitted by the nuclei as they relax back to their equilibrium state. The computer then processes this signal to generate the NMR spectrum, which plots the intensity of the signal as a function of frequency (chemical shift, expressed in ppm).

Applications in Phytochemical Characterization

NMR spectroscopy provides detailed information about the structure of bioactive phytochemicals, including:

• ¹H NMR: Provides information about the number, type, and connectivity of hydrogen atoms in the molecule. The chemical shift of a proton is sensitive to its electronic environment, allowing for the identification of different types of protons (e.g., aliphatic, aromatic, hydroxyl). The splitting pattern of a proton signal (multiplicity) provides information about the number of neighboring protons. The integral of a proton signal is proportional to the number of protons giving rise to that signal.

• ¹³C NMR: Provides information about the number and type of carbon atoms in the molecule. The chemical shift of a carbon atom is sensitive to its electronic environment, allowing for the identification of different types of carbons (e.g., aliphatic, aromatic, carbonyl).

• 2D NMR: Provides information about the connectivity of atoms in the molecule. Common 2D NMR experiments include:

  • COSY (Correlation Spectroscopy): Shows correlations between protons that are coupled to each other.

  • HSQC (Heteronuclear Single Quantum Coherence): Shows correlations between protons and directly attached carbon atoms.

  • HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Correlation): Shows correlations between protons and carbon atoms that are two or three bonds away.

  • NOESY (Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy): Shows correlations between protons that are close in space, regardless of their connectivity.

By analyzing the ¹H NMR, ¹³C NMR, and 2D NMR spectra, one can determine the complete structure of a bioactive phytochemical, including the stereochemistry.

Mass Spectrometry (MS)

Principle

Mass spectrometry is an analytical technique that measures the mass-to-charge ratio (m/z) of ions. It is based on the principle that charged particles are deflected by magnetic or electric fields. By measuring the deflection of ions in a magnetic or electric field, one can determine their m/z ratio.

Instrumentation

A mass spectrometer consists of an ionization source, a mass analyzer, and a detector. The ionization source converts the sample molecules into ions. The mass analyzer separates the ions according to their m/z ratio. The detector measures the abundance of each ion.

Applications in Phytochemical Characterization

Mass spectrometry provides information about the molecular weight and elemental composition of bioactive phytochemicals. It can also provide information about the structure of the molecule through fragmentation analysis.

• Molecular Weight Determination: The molecular ion peak (M⁺) in the mass spectrum corresponds to the molecular weight of the compound.

• Elemental Composition: High-resolution mass spectrometry can provide accurate mass measurements, which can be used to determine the elemental composition of the compound.

• Fragmentation Analysis: The fragmentation pattern of a molecule in the mass spectrometer can provide information about its structure. By analyzing the masses of the fragment ions, one can deduce the presence of specific functional groups or structural features.

• LC-MS: When coupled with liquid chromatography (LC), mass spectrometry can be used to identify and quantify bioactive phytochemicals in complex mixtures.

Ionization Techniques

Several ionization techniques are commonly used in mass spectrometry for phytochemical analysis, including:

• Electrospray Ionization (ESI): A soft ionization technique that is well-suited for polar and ionic compounds.

• Atmospheric Pressure Chemical Ionization (APCI): A soft ionization technique that is well-suited for less polar compounds.

• Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization (MALDI): A soft ionization technique that is well-suited for large molecules, such as proteins and polysaccharides.

Conclusion

FT-IR, NMR spectroscopy, and mass spectrometry are powerful and complementary techniques for the structural characterization of bioactive phytochemicals. FT-IR provides information about the functional groups present in the molecule. NMR spectroscopy provides detailed information about the structure and connectivity of atoms in the molecule. Mass spectrometry provides information about the molecular weight, elemental composition, and fragmentation pattern of the molecule. By combining these techniques, one can obtain a comprehensive understanding of the structure of bioactive phytochemicals, which is essential for understanding their biological activity and potential applications.

In Vitro Activity of Phytochemicals

This document provides a concise overview of the in vitro antibacterial, antifungal, antiviral, anti-inflammatory, cytotoxic, and antioxidant activities of phytochemicals. It highlights the significance of these activities, the common methods used to assess them in vitro, and examples of phytochemicals exhibiting these properties.

Antibacterial Activity

Phytochemicals have demonstrated significant antibacterial activity against a wide range of bacterial pathogens. This activity is particularly important in the face of increasing antibiotic resistance.

Mechanisms of Action:

• Cell Wall Disruption: Some phytochemicals interfere with bacterial cell wall synthesis, leading to cell lysis.

• Membrane Disruption: Others disrupt the bacterial cell membrane, increasing permeability and causing leakage of cellular contents.

• Protein Synthesis Inhibition: Certain phytochemicals inhibit bacterial protein synthesis by binding to ribosomes.

• DNA/RNA Interference: Some phytochemicals interfere with bacterial DNA or RNA replication and transcription.

• Inhibition of Quorum Sensing: Quorum sensing is a cell-to-cell communication mechanism used by bacteria to coordinate gene expression. Some phytochemicals can inhibit quorum sensing, reducing bacterial virulence.

In Vitro Assays:

• Minimum Inhibitory Concentration (MIC): The lowest concentration of a phytochemical that inhibits the visible growth of a bacterium.

• Minimum Bactericidal Concentration (MBC): The lowest concentration of a phytochemical that kills a bacterium.

• Disk Diffusion Assay: A simple method where disks impregnated with phytochemicals are placed on agar plates inoculated with bacteria. The zone of inhibition around the disk indicates antibacterial activity.

• Broth Microdilution Assay: A quantitative method for determining MIC and MBC.

Examples of Phytochemicals with Antibacterial Activity:

• Allicin (from garlic): Effective against a broad spectrum of bacteria, including Staphylococcus aureus and Escherichia coli.

• Berberine (from various plants): Active against Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae, and Pseudomonas aeruginosa.

• Curcumin (from turmeric): Exhibits antibacterial activity against Staphylococcus aureus and Bacillus subtilis.

• Tea Tree Oil (containing terpinen-4-ol): Effective against Staphylococcus aureus and Propionibacterium acnes.

Antifungal Activity

Fungal infections are a significant health concern, and the development of new antifungal agents is crucial. Phytochemicals offer a promising source of novel antifungals.

Mechanisms of Action:

• Cell Membrane Disruption: Many phytochemicals target the fungal cell membrane, disrupting its integrity and leading to cell death.

• Ergosterol Biosynthesis Inhibition: Ergosterol is a crucial component of fungal cell membranes. Some phytochemicals inhibit ergosterol biosynthesis.

• Cell Wall Synthesis Inhibition: Certain phytochemicals interfere with fungal cell wall synthesis.

• Inhibition of Fungal Enzymes: Some phytochemicals inhibit fungal enzymes involved in essential metabolic pathways.

In Vitro Assays:

• Minimum Inhibitory Concentration (MIC): The lowest concentration of a phytochemical that inhibits the visible growth of a fungus.

• Minimum Fungicidal Concentration (MFC): The lowest concentration of a phytochemical that kills a fungus.

• Disk Diffusion Assay: Similar to the antibacterial assay, but using fungal cultures.

• Broth Microdilution Assay: A quantitative method for determining MIC and MFC.

Examples of Phytochemicals with Antifungal Activity:

• Azadirachtin (from neem): Effective against Aspergillus species and Candida albicans.

• Eugenol (from clove): Active against Candida albicans and Trichophyton rubrum.

• Resveratrol (from grapes): Exhibits antifungal activity against Candida albicans and Aspergillus niger.

• Thymol (from thyme): Effective against Candida albicans and Dermatophytes.

Antiviral Activity

Viral infections pose a significant threat to public health. Phytochemicals have shown potential as antiviral agents.

Mechanisms of Action:

• Viral Entry Inhibition: Some phytochemicals block the entry of viruses into host cells.

• Viral Replication Inhibition: Others inhibit viral replication by interfering with viral enzymes or nucleic acid synthesis.

• Viral Assembly Inhibition: Certain phytochemicals prevent the assembly of new viral particles.

• Immune Modulation: Some phytochemicals enhance the host's immune response to viral infections.

In Vitro Assays:

• Plaque Reduction Assay: Measures the ability of a phytochemical to reduce the number of viral plaques formed in cell culture.

• Cytopathic Effect (CPE) Inhibition Assay: Assesses the ability of a phytochemical to protect cells from virus-induced damage.

• Virus Yield Reduction Assay: Measures the reduction in viral titer in the presence of a phytochemical.

• Real-Time PCR: Quantifies viral RNA or DNA levels in cells treated with a phytochemical.

Examples of Phytochemicals with Antiviral Activity:

• Glycyrrhizin (from licorice): Active against herpes simplex virus (HSV) and influenza virus.

• Epigallocatechin gallate (EGCG) (from green tea): Inhibits influenza virus and HIV.

• Resveratrol (from grapes): Exhibits antiviral activity against influenza virus and herpes simplex virus (HSV).

• Curcumin (from turmeric): Active against influenza virus and Zika virus.

Anti-inflammatory Activity

Inflammation is a complex process involved in many diseases. Phytochemicals can modulate inflammatory pathways and reduce inflammation.

Mechanisms of Action:

• Inhibition of Inflammatory Mediators: Some phytochemicals inhibit the production of inflammatory mediators such as prostaglandins, leukotrienes, and cytokines.

• Inhibition of Inflammatory Enzymes: Others inhibit inflammatory enzymes such as cyclooxygenase (COX) and lipoxygenase (LOX).

• Antioxidant Activity: Some phytochemicals reduce oxidative stress, which contributes to inflammation.

• Modulation of Signaling Pathways: Certain phytochemicals modulate signaling pathways involved in inflammation, such as the NF-κB pathway.

In Vitro Assays:

• Inhibition of COX-1 and COX-2 Enzymes: Measures the ability of a phytochemical to inhibit cyclooxygenase enzymes.

• Inhibition of Lipoxygenase (LOX) Enzyme: Measures the ability of a phytochemical to inhibit lipoxygenase enzymes.

• Cytokine Production Assay: Measures the levels of inflammatory cytokines (e.g., TNF-α, IL-1β, IL-6) produced by cells treated with a phytochemical.

• Nitric Oxide (NO) Production Assay: Measures the production of nitric oxide, an inflammatory mediator.

Examples of Phytochemicals with Anti-inflammatory Activity:

• Curcumin (from turmeric): Inhibits COX-2 and NF-κB.

• Resveratrol (from grapes): Inhibits COX-1 and COX-2.

• Quercetin (from various plants): Inhibits inflammatory cytokine production.

• Gingerol (from ginger): Inhibits COX and LOX enzymes.

Cytotoxic Activity

Cytotoxicity refers to the ability of a substance to kill cells. Phytochemicals with cytotoxic activity are of interest for cancer therapy.

Mechanisms of Action:

• DNA Damage: Some phytochemicals damage DNA, leading to cell death.

• Apoptosis Induction: Others induce apoptosis, or programmed cell death.

• Cell Cycle Arrest: Certain phytochemicals arrest the cell cycle, preventing cell proliferation.

• Inhibition of Angiogenesis: Some phytochemicals inhibit angiogenesis, the formation of new blood vessels that support tumor growth.

In Vitro Assays:

• MTT Assay: Measures cell viability based on mitochondrial activity.

• SRB Assay: Measures total cellular protein content.

• Trypan Blue Exclusion Assay: Measures cell membrane integrity.

• LDH Release Assay: Measures the release of lactate dehydrogenase (LDH) from damaged cells.

• Clonogenic Assay: Measures the ability of cells to form colonies after treatment.

Examples of Phytochemicals with Cytotoxic Activity:

• Paclitaxel (from yew trees): Disrupts microtubule function, leading to cell cycle arrest.

• Camptothecin (from Camptotheca acuminata): Inhibits topoisomerase I, leading to DNA damage.

• Etoposide (synthetic derivative of podophyllotoxin): Inhibits topoisomerase II, leading to DNA damage.

• Resveratrol (from grapes): Induces apoptosis in cancer cells.

Antioxidant Activity

Antioxidants protect cells from damage caused by free radicals. Phytochemicals are a rich source of antioxidants.

Mechanisms of Action:

• Free Radical Scavenging: Some phytochemicals directly scavenge free radicals, neutralizing their harmful effects.

• Inhibition of Oxidative Enzymes: Others inhibit enzymes that generate free radicals.

Eukaryotic cell (In Tamil)

 Eukaryotic cell

1.  செல் சுவர் (Cell Wall):

    *   பல யூகேரியாட்டிக் நுண்ணுயிர்களுக்கு செல் சுவர்கள் இல்லை; பலவற்றுக்கு பிளாஸ்மா சவ்வு மட்டுமே உள்ளது. (Many eukaryotic microbes have only a plasma membrane without a cell wall).

    *   இருந்தால், அவற்றின் இயல்பு பாக்டீரியா மற்றும் ஆர்கேயாவின் சுவர்களை விட வேறுபட்டது. (However, when cell walls are present, they are quite different from those of bacteria and archaea).

    *   பூஞ்சைகள் (Fungi):** கடினமான சுவர்கள், பொதுவாக செல்லுலோஸ், கிட்டின், மற்றும் குளூக்கன் கொண்டிருக்கும். (Fungal cell walls normally are rigid... usually cellulose, chitin, and glucan).

    *   ஆல்ஜி/இடைநிலை வெற்றிடங்கள் (Algae/Protists):** பொதுவாக அடுக்குகளாக இருக்கும், செல்லுலோஸ், பெக்டின் மற்றும் சில நேரங்களில் காய்ச்சல் அல்லது கால்சியம் கார்பனேட் போன்ற கொழுப்பு பொருட்களை கொண்டிருக்கும். (Algal cell walls usually have a layered appearance... contain large quantities of the polysaccharides cellulose and pectin. In addition, inorganic substances... may be present).

    *   புரோட்டிஸ்ட் கிஸ்ட்கள் (Protist Cysts):** பொதுவாக கிட்டின் கொண்டிருக்கும். (The dormant cysts formed by many protists consist of multiple layers of chitin).

    *   பாக்டீரியா பெப்டைடோக்ளைகனை விட இரசாயன ரீதியாக எளிமையானது. (These materials are chemically simpler than bacterial peptidoglycan).

2.  செல் சவ்வு (Cell Membrane / Plasma Membrane):

    *   பாஸ்போலிபைடுகள் மட்டுமல்லாமல், **ஸ்பிங்கோலிபைடுகள்** மற்றும் **ஸ்டெரால்கள்** (கொலெஸ்ட்ரால்/எர்கோஸ்டெரால்) ஆகியவைகளையும் கொண்ட லிபிட் இரட்டை அடுக்கு. (The plasma membrane of eukaryotes is a lipid bilayer composed of a high proportion of sphingolipids and sterols... in addition to the phospholipids).

    *   இந்த லிபிட்கள் சவ்வின் திரவநிலை மற்றும் புகுபதிவு தன்மையை பாதிக்கின்றன. (Sphingolipids and sterols... affect the fluidity and permeability of the plasma membrane).

    *   உள் மற்றும் வெளி அடுக்குகளில் லிபிட் விநியோகம் **சமச்சீரற்றது**. (The distribution of lipids in the plasma membrane is asymmetric).

    *   சில பகுதிகளில் **சிறிய களங்கள்** அல்லது **லிபிட் ராஃப்ட்கள்** உள்ளன, அவை சிக்னல் டிரான்ஸ்டக்ஷன், வைரஸ் சேர்த்தல்/வெளியேற்றம் மற்றும் எண்டோசைடோசிஸ் போன்ற செயல்முறைகளில் ஈடுபடுகின்றன. (microdomains... sometimes referred to as lipid rafts. They have been implicated in a variety of cellular processes).

    *   பல யூகேரியாட்டிக் செல்களில் முழுமையான **கிளைக்கோகலிக்ஸ்** (சர்க்கரை செழித்த அடுக்கு) உள்ளது. (many eukaryotic cells have integral membrane proteins and lipids decorated with carbohydrates. This often forms a carbohydrate-rich layer... called the glycocalyx).

    *   செயல்பாடுகள்: தேர்வு புகுபதிவு, எளிதான பரவல், செயல்முறை மூலம் பரவல், கூடுதலாக **எண்டோசைடோசிஸ்** (யூகேரியாட்டிகளில் முக்கியமான பரவல் முறை). (Eukaryotes also use... passive diffusion. In addition, eukaryotes have another option for bringing materials into cells: endocytosis).

3.  கரு (Nucleus):

    *   செல்லின் DNA உள்ள உறைபட்ட உறுப்பு. (The nucleus is home to the cell's DNA).

    *   கரு உறை (Nucleus membrane) (இரட்டை சவ்வு, உள் மற்றும் வெளி, இடைவெளி; வெளி சவ்வு ER உடன் தொடர்புடையது மற்றும் ரைபோசோம்களை கொண்டது) ஆல் சூழப்பட்டுள்ளது. (surrounded by the nuclear envelope... consisting of two lipid bilayer membranes... The nuclear envelope is continuous with the ER... covered with ribosomes).

    *   கருத்துளைகள் (கட்டமைப்புகள் பரவலுக்கு அனுமதிக்கின்றன) உள்ளன. (Many nuclear pores penetrate the envelope... nuclear pore complex).

    *   DNA **குரோமாடின்** (DNA + H1, H2A, H2B, H3, H4 புரதங்கள்) ஆக ஏற்பாடு செய்யப்பட்டுள்ளது. (Each eukaryotic chromosome is composed of chromatin. Chromatin is a complex of DNA and proteins, including histones).

    *   இவை **நியூக்ளியோசோம்கள்** ("கம்பிகளில் மணிகள்") ஆக தொகுக்கப்பட்டுள்ளன. (Eight histone molecules plus its associated DNA form a "beads-on-a-string" appearance. Each bead is called a nucleosome).

    *   RNA உருவாக்கம் நடக்கும் இடம். (RNA is made in the nucleus).

    *   **நியூக்ளியோலஸ்** உள்ளது, அது rRNA உருவாக்கம் மற்றும் ரைபோசோம் உட்கூறுகள் தொகுப்புக்கு இடம். (the nucleolus—the site of ribosomal RNA (rRNA) synthesis... rRNA combine with ribosomal proteins... to form partially completed ribosomal subunits).

4.  மைட்டோகாண்ட்ரியா (Mitochondria):

    *   செல்லின் "மின்சக்தி நிலையங்கள்" எனப்படும்; TCA சுழற்சி மற்றும் ATP உருவாக்கம் (ஆக்ஸிஜனைப் பயன்படுத்தி) நடக்கும் இடம். (these mitochondria... frequently are called the "powerhouses" of the cell... Metabolic processes such as the tricarboxylic acid cycle and generation of ATP... take place here).

    *   பாக்டீரியாவை ஒத்த அளவு (0.3-1.0 μm by 5-10 μm); எண்ணிக்கை மாறுபடும் (1 முதல் 1000+ வரை). (Many eukaryotes have cylindrical mitochondria that measure approximately 0.3 to 1.0 μm by 5 to 10 μm... Some cells possess 1,000 or more mitochondria).

    *   **இரட்டை-சவ்வு (two membranes)** கட்டமைப்பு (வெளி மற்றும் உள் சவ்வுகள்). (Like Gram-negative bacteria, mitochondria are bounded by two membranes).

    *   உள் சவ்வில் **கிரிஸ்டே** (மடங்குகள்) உள்ளன, ETC மற்றும் ATP உருவாக்கத்திற்கான புரதங்கள்/எலக்ட்ரான் கேரியர்கள் உள்ளன. (The inner membrane has infoldings called cristae... The inner mitochondrial membranes possess enzymes and electron carriers involved in electron transport and oxidative phosphorylation).

    *   உள் சவ்வு **மேட்ரிக்ஸ்** (ரைபோசோம்கள், DNA, TCA சுழற்சி மற்றும் கொழுப்பு அமில உடைபடுத்தல் புரதங்கள்) ஐச் சூழ்கிறது. (The inner membrane encloses the mitochondrial matrix, a dense material containing ribosomes, DNA... Enzymes of the tricarboxylic acid cycle... and those involved with the catabolism of fatty acids are located in the matrix).

    *   சொந்தமான DNA (பொதுவாக வட்டமானது) மற்றும் ரைபோசோம்கள் உள்ளன, பாக்டீரியா தோற்றத்தை பிரதிபலிக்கிறது, ஆனால் அவற்றின் சில புரதங்களை மட்டுமே உருவாக்குகின்றன. (Mitochondria are unlike other organelles in possessing their own DNA and ribosomes. This reflects their bacterial ancestry; however, mitochondria synthesize only some of their own proteins).

    *   இரும பிளவு மூலம் பெருகுகின்றன. (mitochondria reproduce by binary fission).

    *   தொடர்புடைய உறுப்புகள் **ஹைட்ரஜனோசோம்கள்** (ஆக்ஸிஜனற்றது, ATP உருவாக்கம் மூலம் நொதித்தல், H2 உருவாக்கம்) மற்றும் **மைட்டோசோம்கள்** (ATP உருவாக்காதது) உள்ளன. (Hydrogenosomes are small organelles involved in energy capture... Mitosomes Do not provide ATP for cell).

5.  **எண்டோபிளாசமிக் ரெடிகுலம் (Endoplasmic Reticulum - ER):**

    *   உறுப்புகள் மற்றும் தட்டையான பைகள் (**சிஸ்டேர்னே**) ஆகியவற்றின் வலைப்பின்னல். (The endoplasmic reticulum (ER)... is an irregular network of branching and fusing membranous tubules... and many flattened sacs called cisternae).

    *   இரண்டு வகைகள்:

        *   **ரஃப் ER (RER):** வெளிப்புறத்தில் ரைபோசோம்களுடன் கூடியது; வெளியேற்றம், சவ்வு சேர்த்தல் அல்லது பிற உறுப்புகளுக்கு பரிமாற்றம் செய்யப்படும் புரதங்கள் உருவாக்கத்தில் ஈடுபடுகிறது. புரதங்களுக்கு சர்க்கரைகளை சேர்க்கிறது (**கிளைகோசிலேஷன்**). (studded on its outer surface with ribosomes and is called rough endoplasmic reticulum (RER)... Proteins synthesized by ribosomes attached to the rough endoplasmic reticulum (RER) have sequences... sugars are often added to the proteins—a process known as glycosylation).

        *   **ஸ்மூத் ER (SER):** ரைபோசோம்கள் இல்லை; கொழுப்பு உருவாக்கத்தில் ஈடுபடுகிறது. (ER without ribosomes. This is smooth endoplasmic reticulum (SER)... producing large quantities of lipids).

    *   செல் சவ்வு உருவாக்கத்திற்கான முக்கியமான இடம். (The ER is also a major site of cell membrane synthesis).

6.  **ரைபோசோம்கள் (Ribosomes):**

    *   புரத உருவாக்கத்திற்கான இடங்கள். (Eukaryotic ribosomes are larger than bacterial and archaeal 70S ribosomes... Each ribosome is a dimer of a 60S and a 40S subunit).

    *   **80S** ரைபோசோம்கள் (பாக்டீரியா 70S ஐ விட பெரியது), 60S மற்றும் 40S உட்கூறுகளாக உள்ளது. (Each ribosome is about 22 nm in diameter and has a sedimentation coefficient of 80S).

    *   **இலவச ரைபோசோம்கள்** (சைட்டோபிளாசத்தில்) செல்லுக்குள் பயன்படுத்த புரதங்களை உருவாக்குகின்றன (எ.கா., சைட்டோசால், கரு, மைட்டோகாண்ட்ரியா). (Free ribosomes are the sites of synthesis for nonsecreted and nonmembrane proteins. Some proteins synthesized by free ribosomes are inserted into organelles such as the nucleus, mitochondrion, and chloroplast).

    *   **பிணைக்கப்பட்ட ரைபோசோம்கள்** (RER உடன் 60S உட்கூறு மூலம் இணைக்கப்பட்டவை) வெளியேற்றம் அல்லது சவ்வு சேர்த்தலுக்கான புரதங்களை உருவாக்குகின்றன. (ER-bound ribosomes synthesize proteins... proteins made on the ribosomes of the RER are often secreted or are inserted into the ER membrane as integral membrane proteins. When bound to the endoplasmic reticulum to form rough ER, they are attached through their 60S subunits).

7.  **கால்ஜி உறுப்பு (Golgi Apparatus):**

    *   **சிஸ்டேர்னே** (தட்டையான பைகள்) அடுக்குகளாக உள்ளது (**டிக்டியோசோம்**). (The Golgi apparatus is composed of flattened, saclike cisternae... In many eukaryotes, the cisternae are stacked on each other, forming a structure called a dictyosome).

    *   **சிஸ் முகம்** (உருவாக்கும், ER அருகில்) மற்றும் **டிரான்ஸ் முகம்** (முதிர்ச்சி, ER இல் தூரம்) உடன் வேறுபட்ட புரத கூறுகள் உள்ளன. (A stack of cisternae has two faces... The sacs on the cis or forming face are closest to the ER... The sacs on the trans or maturing face are farthest from the ER. The two faces... differ in thickness, enzyme content, and degree of vesicle formation).

    *   செயல்பாடுகள்: **தொகுத்தல், மாற்றம், வெளியேற்றம் அல்லது பிற உறுப்புகளுக்கு பரிமாற்றம் செய்யப்படும் பொருட்கள்**. (The Golgi apparatus packages materials and prepares them for secretion).

    *   சில புரோட்டிஸ்ட்களில் மேற்பரப்பு அளவுகள் உருவாக்கத்தில், செல் சவ்வு உருவாக்கத்தில் மற்றும் செல் தயாரிப்புகள் தொகுப்பில் ஈடுபடுகிறது (எ.கா., காய்ச்சல் முனை வளர்ச்சி). (The surface scales of some flagellated photosynthetic and radiolarian protists are constructed within the Golgi apparatus... The Golgi often participates in the development of cell membranes and the packaging of cell products. The growth of some fungal hyphae occurs when Golgi vesicles contribute their contents to the wall at the hyphal tip).

8.  **லைசோசோம்கள் (Lysosomes):**

    *   உறைபட்ட, கோள வடிவ உறுப்புகள், பொதுவாக விலங்கு செல்களில் காணப்படுகின்றன. (Lysosomes are found in animal cells... They are roughly spherical, are enclosed in a single membrane).

    *   **ஹைட்ராலைசிஸ் என்சைம்கள் (ஹைட்ரோலேசஸ்)** கொண்டது, அமிள பிஎச் (3.5-5.0) இல் சிறந்தது, புரோட்டான் பம்பிங் மூலம் பராமரிக்கப்படுகிறது. (These enzymes, called hydrolases, catalyze the hydrolysis of molecules and function best under slightly acidic conditions... Lysosomes maintain an acidic environment by pumping protons into their interior).

    *   செயல்பாடு: **உள்ளே செரித்தல்** (எ.கா., உணவு மூலம் எண்டோசைடோசிஸ்). (They are involved in digesting nutrients... involved in intracellular digestion).

    *   பூஞ்சை/புரோட்டிஸ்ட் செல்களில் ஒத்த செரிக்கும் உறுப்புகள் (சில நேரங்களில் வெற்றிடங்கள்/பாக்டீரியா வெற்றிடங்கள்/உணவு வெற்றிடங்கள்) உள்ளன. (Organelles with the same function as lysosomes are found in fungal and protist cells, where they instead may be called vacuoles, phagocytic vacuoles, or food vacuoles).

    *   சேமிப்பு (அயான்கள், அமினோ அமிலங்கள்) மற்றும் **ஆட்டோஃபேஜி** (செல் உறுப்புகளை மறுசுழற்சி செய்தல்) இல் பங்கேற்கிறது. (In addition to functioning in intracellular digestion, they may have other functions, including storage... They also are components of the endocytic pathways... Lysosomes are involved in another important process called autophagy).

9.  **எக்ஸ்ட்ராசெல்லுலார் மேட்ரிக்ஸ் (ECM) / கிளைக்கோகலிக்ஸ் (Glycocalyx):**

    *   ஆவணம் **கிளைக்கோகலிக்ஸ்** (செல் மேற்பரப்பில் சர்க்கரை செழித்த அடுக்கு) ஐ குறிப்பிடுகிறது. (many eukaryotic cells have integral membrane proteins and lipids decorated with carbohydrates. This often forms a carbohydrate-rich layer on the surface of the cell called the glycocalyx).

    *   பெரிய ECM ஐ விரிவாக விளக்கவில்லை, ஆனால் பூஞ்சை செல் சுவர்கள் மற்றும் ஆல்ஜி செல் சுவர்கள் செல் சவ்வுக்கு வெளியில் ஒத்த கட்டமைப்பு செயல்பாடுகளை செய்கின்றன. (Fungal cell walls and algal cell walls serve somewhat analogous structural functions outside the plasma membrane).

10. **குளோரோபிளாஸ்ட் (Chloroplasts):**

    *   ஆல்ஜி மற்றும் தாவரங்களில் காணப்படும் **பிளாஸ்டிடுகளின்** வகை; **ஒளிச்சேர்க்கை** (ஒளியைப் பயன்படுத்தி CO2 மற்றும் நீரை கார்போஹைட்ரேட்டுகள் மற்றும் O2 ஆக மாற்றும்) நடக்கும் இடம். (Chloroplasts... are the sites of synthesis and storage of food reserves... Chloroplasts contain chlorophyll and use light energy to convert CO2 and water to carbohydrates and O2; that is, they are the site of photosynthesis).

    *   இரட்டை-சவ்வு கட்டமைப்பு (உறை). (Like mitochondria, chloroplasts are encompassed by two membranes).

    *   உள் சவ்வு **ஸ்ட்ரோமா** (DNA, ரைபோசோம்கள், "இருள் எதிர்வினைகள்"/கால்வின் சுழற்சி புரதங்கள், ஸ்டார்ச் துகள்கள், கொழுப்பு துளிகள்) ஐச் சூழ்கிறது. (The inner membrane surrounds a matrix called the stroma. The stroma contains DNA, ribosomes, lipid droplets, and starch granules... The dark reaction of photosynthesis takes place in the stroma).

    *   **தைலகாய்டுகள்** (தட்டையான பைகள்) இன் உள் சவ்வு அமைப்பு; "ஒளி எதிர்வினைகள்" (குளோரோஃபில் மற்றும் ETC கூறுகள்) க்கு இடம். (Also located within the stroma is a complex internal membrane system that features flattened, membrane delimited sacs called thylakoids. The light reaction takes place in the thylakoid membranes, where chlorophyll and electron transport components are also found).

    *   தைலகாய்டுகள் **கிரானா** வாக அடுக்கப்படலாம். (several disklike thylakoids are stacked on each other like coins to form grana).

    *   சையனோபாக்டீரியா எண்டோசிம்பயான்ட் மூலம் உருவானது. (It is thought that the ancestral endosymbiont evolved... Molecular studies... have revealed that some chloroplasts arose when a phagocytic ancestor of a eukaryotic cell engulfed the ancestor of a cyanobacterium).

11. **சைட்டோஸ்கெல்டன் (Cytoskeleton):**

    *   சைட்டோபிளாசத்தை ஏற்பாடு செய்வதற்கும் இயக்கத்திற்கும் உதவும் வலைப்பின்னல். (The cytoskeleton is a vast network composed of three types of interconnected filaments).

    *   மூன்று முக்கிய இழை வகைகளால் உருவாக்கப்பட்டது:

        *   **ஆக்டின் இழைகள் (Actin Filaments / Microfilaments):** ~4-7 nm விட்டம்; செல் வடிவ மாற்றங்கள் (அமீபாய்ட் இயக்கம்), **எண்டோசைடோசிஸ்**, **சைட்டோகைனெசிஸ்**, மற்றும் உள் பரவல் இல் ஈடுபடுகின்றன. (Actin filaments are minute protein filaments, 4 to 7 nm in diameter... involved in amoeboid movement, endocytosis, and cytokinesis).

        *   **இடைநிலை இழைகள் (Intermediate Filaments - IFs):** ~10 nm விட்டம்; வலுவான, நெகிழ்வான கட்டமைப்பு உறுப்புகள் (எ.கா., கரு லாமினா), உறுப்புகளை நிலை செய்கின்றன; **பூஞ்சை மற்றும் தாவரங்களில் இல்லை**. (Intermediate filaments (IFs) are flexible yet very strong... In animals and certain protozoa intermediate filaments form the nuclear lamina... Fungi and plants lack intermediate filaments).

        *   **மைக்ரோட்யூபுல்கள் (Microtubules):** ~25 nm விட்டம்; α- மற்றும் β-டியூபுலின் சப்யூனிட்களால் ஆனவை; **ஸ்பிண்டில் உறுப்பு** (குரோமோசோம் பிரிப்பு), உறுப்புகள்/கொத்துகள் பரவலுக்கான தடங்கள், **சிலியா மற்றும் ஃபிளாஜெல்லா** இல் கூறுகள். (Microtubules are shaped like thin cylinders about 25 nm in diameter... constructed of two spherical protein subunits—α-tubulin and β-tubulin... They form the spindle apparatus... They form tracks... they are found in cilia and flagella).

12. **ஃபிளாஜெல்லா (Flagella):**

    *   நீண்ட, வில் (100-200 μm) கட்டமைப்புகள் இயக்கத்திற்கு. (flagella are long whiplike filaments, 100 to 200 μm long).

    *   **டின்சல்** (பக்கத்தில் மாஸ்டிகோனேம்கள்/ஃபிளிம்மர் ஃபிளாஜெல்லா) அல்லது **வில்** (நெடுங்கால்) ஆக இருக்கலாம். (Some flagella have lateral hairs called flimmer filaments... thicker, stiffer hairs are called mastigonemes... Such flagella often are called tinsel flagella, whereas naked flagella are referred to as whiplash flagella).

    *   கட்டமைப்பு சிலியாவுடன் ஒத்தது (9+2 மைக்ரோட்யூபுல் முறை). (Cilia and flagella are structurally the same... Each possesses an axoneme within the matrix. An axoneme usually consists of nine microtubule doublets arranged in a circle around two central microtubules. This is called the 9+2 pattern of microtubules).

    *   அலைகள் மூலம் இயங்குகிறது, செல்லை தள்ளுகிறது அல்லது இழுக்கிறது. (The beating of flagella causes them to undulate and generate planar or helical waves... If the wave moves from base to tip, the cell is pushed along; a beat traveling from the tip toward the base pulls the cell through the water).

13. **சிலியா (Cilia):**

    *   சிறிய, முடி போன்ற (5-20 μm) கட்டமைப்புகள் இயக்கத்திற்கு. (cilia are short hairlike structures, typically only 5 to 20 μm in length).

    *   கட்டமைப்பு ஃபிளாஜெல்லாவுடன் ஒத்தது (9+2 மைக்ரோட்யூபுல் முறை). (Cilia and flagella are structurally the same... 9+2 pattern).

    *   ஒருங்கிணைந்த இயக்கம்: **செயல்திறன் தாக்கம்** (நிலையானது, தள்ளுகிறது) மற்றும் **மீட்பு தாக்கம்** (வளைந்தது, திரும்புகிறது). (Cilia, on the other hand, normally have a beat with two distinctive phases. In the effective stroke, the cilium moves through the surrounding fluid like an oar... The cilium next bends along its length while it is pulled forward during the recovery stroke).

    *   தாக்க அதிர்வெண் ~10-40 Hz; உயர் வேகம் (எ.கா., *பாரமேசியம்*). (Cilia and flagella beat at a rate of about 10 to 40 strokes or waves per second)..pdf) அடிப்படையில் யூகேரியாட்டிக் செல் கட்டமைப்பு மற்றும் செயல்பாடுகள் குறித்து முக்கியமான புள்ளிகள் கீழே கொடுக்கப்பட்டுள்ளன (ஆங்கிலம் மற்றும் தமிழ் இணைந்து):

1.  **செல் சுவர் (Cell Wall):**

    *   பல யூகேரியாட்டிக் நுண்ணுயிர்களுக்கு செல் சுவர்கள் இல்லை; பலவற்றுக்கு பிளாஸ்மா சவ்வு மட்டுமே உள்ளது. (Many eukaryotic microbes have only a plasma membrane without a cell wall).

    *   இருந்தால், அவற்றின் இயல்பு பாக்டீரியா மற்றும் ஆர்கேயாவின் சுவர்களை விட வேறுபட்டது. (However, when cell walls are present, they are quite different from those of bacteria and archaea).

    *   **பூஞ்சைகள் (Fungi):** கடினமான சுவர்கள், பொதுவாக செல்லுலோஸ், கிட்டின், மற்றும் குளூக்கன் கொண்டிருக்கும். (Fungal cell walls normally are rigid... usually cellulose, chitin, and glucan).

    *   **ஆல்ஜி/இடைநிலை வெற்றிடங்கள் (Algae/Protists):** பொதுவாக அடுக்குகளாக இருக்கும், செல்லுலோஸ், பெக்டின் மற்றும் சில நேரங்களில் காய்ச்சல் அல்லது கால்சியம் கார்பனேட் போன்ற கொழுப்பு பொருட்களை கொண்டிருக்கும். (Algal cell walls usually have a layered appearance... contain large quantities of the polysaccharides cellulose and pectin. In addition, inorganic substances... may be present).

    *   **புரோட்டிஸ்ட் கிஸ்ட்கள் (Protist Cysts):** பொதுவாக கிட்டின் கொண்டிருக்கும். (The dormant cysts formed by many protists consist of multiple layers of chitin).

    *   பாக்டீரியா பெப்டைடோக்ளைகனை விட இரசாயன ரீதியாக எளிமையானது. (These materials are chemically simpler than bacterial peptidoglycan).

2.  **செல் சவ்வு (Cell Membrane / Plasma Membrane):**

    *   பாஸ்போலிபைடுகள் மட்டுமல்லாமல், **ஸ்பிங்கோலிபைடுகள்** மற்றும் **ஸ்டெரால்கள்** (கொலெஸ்ட்ரால்/எர்கோஸ்டெரால்) ஆகியவைகளையும் கொண்ட லிபிட் இரட்டை அடுக்கு. (The plasma membrane of eukaryotes is a lipid bilayer composed of a high proportion of sphingolipids and sterols... in addition to the phospholipids).

    *   இந்த லிபிட்கள் சவ்வின் திரவநிலை மற்றும் புகுபதிவு தன்மையை பாதிக்கின்றன. (Sphingolipids and sterols... affect the fluidity and permeability of the plasma membrane).

    *   உள் மற்றும் வெளி அடுக்குகளில் லிபிட் விநியோகம் **சமச்சீரற்றது**. (The distribution of lipids in the plasma membrane is asymmetric).

    *   சில பகுதிகளில் **சிறிய களங்கள்** அல்லது **லிபிட் ராஃப்ட்கள்** உள்ளன, அவை சிக்னல் டிரான்ஸ்டக்ஷன், வைரஸ் சேர்த்தல்/வெளியேற்றம் மற்றும் எண்டோசைடோசிஸ் போன்ற செயல்முறைகளில் ஈடுபடுகின்றன. (microdomains... sometimes referred to as lipid rafts. They have been implicated in a variety of cellular processes).

    *   பல யூகேரியாட்டிக் செல்களில் முழுமையான **கிளைக்கோகலிக்ஸ்** (சர்க்கரை செழித்த அடுக்கு) உள்ளது. (many eukaryotic cells have integral membrane proteins and lipids decorated with carbohydrates. This often forms a carbohydrate-rich layer... called the glycocalyx).

    *   செயல்பாடுகள்: தேர்வு புகுபதிவு, எளிதான பரவல், செயல்முறை மூலம் பரவல், கூடுதலாக **எண்டோசைடோசிஸ்** (யூகேரியாட்டிகளில் முக்கியமான பரவல் முறை). (Eukaryotes also use... passive diffusion. In addition, eukaryotes have another option for bringing materials into cells: endocytosis).

3.  **கரு (Nucleus):**

    *   செல்லின் DNA உள்ள உறைபட்ட உறுப்பு. (The nucleus is home to the cell's DNA).

    *   **கரு உறை** (இரட்டை சவ்வு, உள் மற்றும் வெளி, இடைவெளி; வெளி சவ்வு ER உடன் தொடர்புடையது மற்றும் ரைபோசோம்களை கொண்டது) ஆல் சூழப்பட்டுள்ளது. (surrounded by the nuclear envelope... consisting of two lipid bilayer membranes... The nuclear envelope is continuous with the ER... covered with ribosomes).

    *   **கருத்துளைகள்** (கட்டமைப்புகள் பரவலுக்கு அனுமதிக்கின்றன) உள்ளன. (Many nuclear pores penetrate the envelope... nuclear pore complex).

    *   DNA **குரோமாடின்** (DNA + H1, H2A, H2B, H3, H4 புரதங்கள்) ஆக ஏற்பாடு செய்யப்பட்டுள்ளது. (Each eukaryotic chromosome is composed of chromatin. Chromatin is a complex of DNA and proteins, including histones).

    *   இவை **நியூக்ளியோசோம்கள்** ("கம்பிகளில் மணிகள்") ஆக தொகுக்கப்பட்டுள்ளன. (Eight histone molecules plus its associated DNA form a "beads-on-a-string" appearance. Each bead is called a nucleosome).

    *   RNA உருவாக்கம் நடக்கும் இடம். (RNA is made in the nucleus).

    *   **நியூக்ளியோலஸ்** உள்ளது, அது rRNA உருவாக்கம் மற்றும் ரைபோசோம் உட்கூறுகள் தொகுப்புக்கு இடம். (the nucleolus—the site of ribosomal RNA (rRNA) synthesis... rRNA combine with ribosomal proteins... to form partially completed ribosomal subunits).

4.  **மைட்டோகாண்ட்ரியா (Mitochondria):**

    *   செல்லின் "மின்சக்தி நிலையங்கள்" எனப்படும்; TCA சுழற்சி மற்றும் ATP உருவாக்கம் (ஆக்ஸிஜனைப் பயன்படுத்தி) நடக்கும் இடம். (these mitochondria... frequently are called the "powerhouses" of the cell... Metabolic processes such as the tricarboxylic acid cycle and generation of ATP... take place here).

    *   பாக்டீரியாவை ஒத்த அளவு (0.3-1.0 μm by 5-10 μm); எண்ணிக்கை மாறுபடும் (1 முதல் 1000+ வரை). (Many eukaryotes have cylindrical mitochondria that measure approximately 0.3 to 1.0 μm by 5 to 10 μm... Some cells possess 1,000 or more mitochondria).

    *   **இரட்டை-சவ்வு** கட்டமைப்பு (வெளி மற்றும் உள் சவ்வுகள்). (Like Gram-negative bacteria, mitochondria are bounded by two membranes).

    *   உள் சவ்வில் **கிரிஸ்டே** (மடங்குகள்) உள்ளன, ETC மற்றும் ATP உருவாக்கத்திற்கான புரதங்கள்/எலக்ட்ரான் கேரியர்கள் உள்ளன. (The inner membrane has infoldings called cristae... The inner mitochondrial membranes possess enzymes and electron carriers involved in electron transport and oxidative phosphorylation).

    *   உள் சவ்வு **மேட்ரிக்ஸ்** (ரைபோசோம்கள், DNA, TCA சுழற்சி மற்றும் கொழுப்பு அமில உடைபடுத்தல் புரதங்கள்) ஐச் சூழ்கிறது. (The inner membrane encloses the mitochondrial matrix, a dense material containing ribosomes, DNA... Enzymes of the tricarboxylic acid cycle... and those involved with the catabolism of fatty acids are located in the matrix).

    *   சொந்தமான DNA (பொதுவாக வட்டமானது) மற்றும் ரைபோசோம்கள் உள்ளன, பாக்டீரியா தோற்றத்தை பிரதிபலிக்கிறது, ஆனால் அவற்றின் சில புரதங்களை மட்டுமே உருவாக்குகின்றன. (Mitochondria are unlike other organelles in possessing their own DNA and ribosomes. This reflects their bacterial ancestry; however, mitochondria synthesize only some of their own proteins).

    *   இரும பிளவு மூலம் பெருகுகின்றன. (mitochondria reproduce by binary fission).

    *   தொடர்புடைய உறுப்புகள் **ஹைட்ரஜனோசோம்கள்** (ஆக்ஸிஜனற்றது, ATP உருவாக்கம் மூலம் நொதித்தல், H2 உருவாக்கம்) மற்றும் **மைட்டோசோம்கள்** (ATP உருவாக்காதது) உள்ளன. (Hydrogenosomes are small organelles involved in energy capture... Mitosomes Do not provide ATP for cell).

5.  **எண்டோபிளாசமிக் ரெடிகுலம் (Endoplasmic Reticulum - ER):**

    *   உறுப்புகள் மற்றும் தட்டையான பைகள் (**சிஸ்டேர்னே**) ஆகியவற்றின் வலைப்பின்னல். (The endoplasmic reticulum (ER)... is an irregular network of branching and fusing membranous tubules... and many flattened sacs called cisternae).

    *   இரண்டு வகைகள்:

        *   **ரஃப் ER (RER):** வெளிப்புறத்தில் ரைபோசோம்களுடன் கூடியது; வெளியேற்றம், சவ்வு சேர்த்தல் அல்லது பிற உறுப்புகளுக்கு பரிமாற்றம் செய்யப்படும் புரதங்கள் உருவாக்கத்தில் ஈடுபடுகிறது. புரதங்களுக்கு சர்க்கரைகளை சேர்க்கிறது (**கிளைகோசிலேஷன்**). (studded on its outer surface with ribosomes and is called rough endoplasmic reticulum (RER)... Proteins synthesized by ribosomes attached to the rough endoplasmic reticulum (RER) have sequences... sugars are often added to the proteins—a process known as glycosylation).

        *   **ஸ்மூத் ER (SER):** ரைபோசோம்கள் இல்லை; கொழுப்பு உருவாக்கத்தில் ஈடுபடுகிறது. (ER without ribosomes. This is smooth endoplasmic reticulum (SER)... producing large quantities of lipids).

    *   செல் சவ்வு உருவாக்கத்திற்கான முக்கியமான இடம். (The ER is also a major site of cell membrane synthesis).

6.  **ரைபோசோம்கள் (Ribosomes):**

    *   புரத உருவாக்கத்திற்கான இடங்கள். (Eukaryotic ribosomes are larger than bacterial and archaeal 70S ribosomes... Each ribosome is a dimer of a 60S and a 40S subunit).

    *   **80S** ரைபோசோம்கள் (பாக்டீரியா 70S ஐ விட பெரியது), 60S மற்றும் 40S உட்கூறுகளாக உள்ளது. (Each ribosome is about 22 nm in diameter and has a sedimentation coefficient of 80S).

    *   **இலவச ரைபோசோம்கள்** (சைட்டோபிளாசத்தில்) செல்லுக்குள் பயன்படுத்த புரதங்களை உருவாக்குகின்றன (எ.கா., சைட்டோசால், கரு, மைட்டோகாண்ட்ரியா). (Free ribosomes are the sites of synthesis for nonsecreted and nonmembrane proteins. Some proteins synthesized by free ribosomes are inserted into organelles such as the nucleus, mitochondrion, and chloroplast).

    *   **பிணைக்கப்பட்ட ரைபோசோம்கள்** (RER உடன் 60S உட்கூறு மூலம் இணைக்கப்பட்டவை) வெளியேற்றம் அல்லது சவ்வு சேர்த்தலுக்கான புரதங்களை உருவாக்குகின்றன. (ER-bound ribosomes synthesize proteins... proteins made on the ribosomes of the RER are often secreted or are inserted into the ER membrane as integral membrane proteins. When bound to the endoplasmic reticulum to form rough ER, they are attached through their 60S subunits).

7.  **கால்ஜி உறுப்பு (Golgi Apparatus):**

    *   **சிஸ்டேர்னே** (தட்டையான பைகள்) அடுக்குகளாக உள்ளது (**டிக்டியோசோம்**). (The Golgi apparatus is composed of flattened, saclike cisternae... In many eukaryotes, the cisternae are stacked on each other, forming a structure called a dictyosome).

    *   **சிஸ் முகம்** (உருவாக்கும், ER அருகில்) மற்றும் **டிரான்ஸ் முகம்** (முதிர்ச்சி, ER இல் தூரம்) உடன் வேறுபட்ட புரத கூறுகள் உள்ளன. (A stack of cisternae has two faces... The sacs on the cis or forming face are closest to the ER... The sacs on the trans or maturing face are farthest from the ER. The two faces... differ in thickness, enzyme content, and degree of vesicle formation).

    *   செயல்பாடுகள்: **தொகுத்தல், மாற்றம், வெளியேற்றம் அல்லது பிற உறுப்புகளுக்கு பரிமாற்றம் செய்யப்படும் பொருட்கள்**. (The Golgi apparatus packages materials and prepares them for secretion).

    *   சில புரோட்டிஸ்ட்களில் மேற்பரப்பு அளவுகள் உருவாக்கத்தில், செல் சவ்வு உருவாக்கத்தில் மற்றும் செல் தயாரிப்புகள் தொகுப்பில் ஈடுபடுகிறது (எ.கா., காய்ச்சல் முனை வளர்ச்சி). (The surface scales of some flagellated photosynthetic and radiolarian protists are constructed within the Golgi apparatus... The Golgi often participates in the development of cell membranes and the packaging of cell products. The growth of some fungal hyphae occurs when Golgi vesicles contribute their contents to the wall at the hyphal tip).

8.  **லைசோசோம்கள் (Lysosomes):**

    *   உறைபட்ட, கோள வடிவ உறுப்புகள், பொதுவாக விலங்கு செல்களில் காணப்படுகின்றன. (Lysosomes are found in animal cells... They are roughly spherical, are enclosed in a single membrane).

    *   **ஹைட்ராலைசிஸ் என்சைம்கள் (ஹைட்ரோலேசஸ்)** கொண்டது, அமிள பிஎச் (3.5-5.0) இல் சிறந்தது, புரோட்டான் பம்பிங் மூலம் பராமரிக்கப்படுகிறது. (These enzymes, called hydrolases, catalyze the hydrolysis of molecules and function best under slightly acidic conditions... Lysosomes maintain an acidic environment by pumping protons into their interior).

    *   செயல்பாடு: **உள்ளே செரித்தல்** (எ.கா., உணவு மூலம் எண்டோசைடோசிஸ்). (They are involved in digesting nutrients... involved in intracellular digestion).

    *   பூஞ்சை/புரோட்டிஸ்ட் செல்களில் ஒத்த செரிக்கும் உறுப்புகள் (சில நேரங்களில் வெற்றிடங்கள்/பாக்டீரியா வெற்றிடங்கள்/உணவு வெற்றிடங்கள்) உள்ளன. (Organelles with the same function as lysosomes are found in fungal and protist cells, where they instead may be called vacuoles, phagocytic vacuoles, or food vacuoles).

    *   சேமிப்பு (அயான்கள், அமினோ அமிலங்கள்) மற்றும் **ஆட்டோஃபேஜி** (செல் உறுப்புகளை மறுசுழற்சி செய்தல்) இல் பங்கேற்கிறது. (In addition to functioning in intracellular digestion, they may have other functions, including storage... They also are components of the endocytic pathways... Lysosomes are involved in another important process called autophagy).

9.  **எக்ஸ்ட்ராசெல்லுலார் மேட்ரிக்ஸ் (ECM) / கிளைக்கோகலிக்ஸ் (Glycocalyx):**

    *   ஆவணம் **கிளைக்கோகலிக்ஸ்** (செல் மேற்பரப்பில் சர்க்கரை செழித்த அடுக்கு) ஐ குறிப்பிடுகிறது. (many eukaryotic cells have integral membrane proteins and lipids decorated with carbohydrates. This often forms a carbohydrate-rich layer on the surface of the cell called the glycocalyx).

    *   பெரிய ECM ஐ விரிவாக விளக்கவில்லை, ஆனால் பூஞ்சை செல் சுவர்கள் மற்றும் ஆல்ஜி செல் சுவர்கள் செல் சவ்வுக்கு வெளியில் ஒத்த கட்டமைப்பு செயல்பாடுகளை செய்கின்றன. (Fungal cell walls and algal cell walls serve somewhat analogous structural functions outside the plasma membrane).

10. **குளோரோபிளாஸ்ட் (Chloroplasts):**

    *   ஆல்ஜி மற்றும் தாவரங்களில் காணப்படும் **பிளாஸ்டிடுகளின்** வகை; **ஒளிச்சேர்க்கை** (ஒளியைப் பயன்படுத்தி CO2 மற்றும் நீரை கார்போஹைட்ரேட்டுகள் மற்றும் O2 ஆக மாற்றும்) நடக்கும் இடம். (Chloroplasts... are the sites of synthesis and storage of food reserves... Chloroplasts contain chlorophyll and use light energy to convert CO2 and water to carbohydrates and O2; that is, they are the site of photosynthesis).

    *   இரட்டை-சவ்வு கட்டமைப்பு (உறை). (Like mitochondria, chloroplasts are encompassed by two membranes).

    *   உள் சவ்வு **ஸ்ட்ரோமா** (DNA, ரைபோசோம்கள், "இருள் எதிர்வினைகள்"/கால்வின் சுழற்சி புரதங்கள், ஸ்டார்ச் துகள்கள், கொழுப்பு துளிகள்) ஐச் சூழ்கிறது. (The inner membrane surrounds a matrix called the stroma. The stroma contains DNA, ribosomes, lipid droplets, and starch granules... The dark reaction of photosynthesis takes place in the stroma).

    *   **தைலகாய்டுகள்** (தட்டையான பைகள்) இன் உள் சவ்வு அமைப்பு; "ஒளி எதிர்வினைகள்" (குளோரோஃபில் மற்றும் ETC கூறுகள்) க்கு இடம். (Also located within the stroma is a complex internal membrane system that features flattened, membrane delimited sacs called thylakoids. The light reaction takes place in the thylakoid membranes, where chlorophyll and electron transport components are also found).

    *   தைலகாய்டுகள் **கிரானா** வாக அடுக்கப்படலாம். (several disklike thylakoids are stacked on each other like coins to form grana).

    *   சையனோபாக்டீரியா எண்டோசிம்பயான்ட் மூலம் உருவானது. (It is thought that the ancestral endosymbiont evolved... Molecular studies... have revealed that some chloroplasts arose when a phagocytic ancestor of a eukaryotic cell engulfed the ancestor of a cyanobacterium).

11. **சைட்டோஸ்கெல்டன் (Cytoskeleton):**

    *   சைட்டோபிளாசத்தை ஏற்பாடு செய்வதற்கும் இயக்கத்திற்கும் உதவும் வலைப்பின்னல். (The cytoskeleton is a vast network composed of three types of interconnected filaments).

    *   மூன்று முக்கிய இழை வகைகளால் உருவாக்கப்பட்டது:

        *   **ஆக்டின் இழைகள் (Actin Filaments / Microfilaments):** ~4-7 nm விட்டம்; செல் வடிவ மாற்றங்கள் (அமீபாய்ட் இயக்கம்), **எண்டோசைடோசிஸ்**, **சைட்டோகைனெசிஸ்**, மற்றும் உள் பரவல் இல் ஈடுபடுகின்றன. (Actin filaments are minute protein filaments, 4 to 7 nm in diameter... involved in amoeboid movement, endocytosis, and cytokinesis).

        *   **இடைநிலை இழைகள் (Intermediate Filaments - IFs):** ~10 nm விட்டம்; வலுவான, நெகிழ்வான கட்டமைப்பு உறுப்புகள் (எ.கா., கரு லாமினா), உறுப்புகளை நிலை செய்கின்றன; **பூஞ்சை மற்றும் தாவரங்களில் இல்லை**. (Intermediate filaments (IFs) are flexible yet very strong... In animals and certain protozoa intermediate filaments form the nuclear lamina... Fungi and plants lack intermediate filaments).

        *   **மைக்ரோட்யூபுல்கள் (Microtubules):** ~25 nm விட்டம்; α- மற்றும் β-டியூபுலின் சப்யூனிட்களால் ஆனவை; **ஸ்பிண்டில் உறுப்பு** (குரோமோசோம் பிரிப்பு), உறுப்புகள்/கொத்துகள் பரவலுக்கான தடங்கள், **சிலியா மற்றும் ஃபிளாஜெல்லா** இல் கூறுகள். (Microtubules are shaped like thin cylinders about 25 nm in diameter... constructed of two spherical protein subunits—α-tubulin and β-tubulin... They form the spindle apparatus... They form tracks... they are found in cilia and flagella).

12. **ஃபிளாஜெல்லா (Flagella):**

    *   நீண்ட, வில் (100-200 μm) கட்டமைப்புகள் இயக்கத்திற்கு. (flagella are long whiplike filaments, 100 to 200 μm long).

    *   **டின்சல்** (பக்கத்தில் மாஸ்டிகோனேம்கள்/ஃபிளிம்மர் ஃபிளாஜெல்லா) அல்லது **வில்** (நெடுங்கால்) ஆக இருக்கலாம். (Some flagella have lateral hairs called flimmer filaments... thicker, stiffer hairs are called mastigonemes... Such flagella often are called tinsel flagella, whereas naked flagella are referred to as whiplash flagella).

    *   கட்டமைப்பு சிலியாவுடன் ஒத்தது (9+2 மைக்ரோட்யூபுல் முறை). (Cilia and flagella are structurally the same... Each possesses an axoneme within the matrix. An axoneme usually consists of nine microtubule doublets arranged in a circle around two central microtubules. This is called the 9+2 pattern of microtubules).

    *   அலைகள் மூலம் இயங்குகிறது, செல்லை தள்ளுகிறது அல்லது இழுக்கிறது. (The beating of flagella causes them to undulate and generate planar or helical waves... If the wave moves from base to tip, the cell is pushed along; a beat traveling from the tip toward the base pulls the cell through the water).

13. **சிலியா (Cilia):**

    *   சிறிய, முடி போன்ற (5-20 μm) கட்டமைப்புகள் இயக்கத்திற்கு. (cilia are short hairlike structures, typically only 5 to 20 μm in length).

    *   கட்டமைப்பு ஃபிளாஜெல்லாவுடன் ஒத்தது (9+2 மைக்ரோட்யூபுல் முறை). (Cilia and flagella are structurally the same... 9+2 pattern).

    *   ஒருங்கிணைந்த இயக்கம்: **செயல்திறன் தாக்கம்** (நிலையானது, தள்ளுகிறது) மற்றும் **மீட்பு தாக்கம்** (வளைந்தது, திரும்புகிறது). (Cilia, on the other hand, normally have a beat with two distinctive phases. In the effective stroke, the cilium moves through the surrounding fluid like an oar... The cilium next bends along its length while it is pulled forward during the recovery stroke).

    *   தாக்க அதிர்வெண் ~10-40 Hz; உயர் வேகம் (எ.கா., *பாரமேசியம்*). (Cilia and flagella beat at a rate of about 10 to 40 strokes or waves per second).

Reference         

Madigan, M. T., Martinko, J. M., Bender, K. S., Buckley, D. H., & Stahl, D. A. (2017). Brock Biology of Microorganisms (15th ed.). Pearson.

Harvey E. Prescot et al. Text book of Microbiology

Eukaryotic Cell- Structure and Functions

 

Eukaryotic Cell Structure and Function

1. Introduction:

• Eukaryotic cells are complex, characterized by membrane-bound organelles and a true nucleus.
• They are found in Protists, Fungi, Plants, and Animals.

 

2. Cell Envelope:

• Cell Wall:
• Present in Fungi, Algae (Protists), and Plants. Most animal eukaryotic cells lack a cell wall.
• Composition varies:
• Fungi: Primarily chitin, glucan.
• Algae/Plants: Primarily cellulose, pectin; may contain silica or calcium carbonate.
• Protist cysts: Often chitin.
• Generally simpler than bacterial peptidoglycan.
• Provides structural support and shape.
• Cell Membrane (Plasma Membrane):
• A lipid bilayer defining the cell boundary.
• Unique Lipid Composition (vs. Bacteria): High proportion of sphingolipids and sterols (e.g., cholesterol, ergosterol) in addition to phospholipids (Figure 5.4). These affect membrane fluidity and permeability.
• Asymmetric Distribution: Lipids differ between inner and outer leaflets. Contains lipid rafts (microdomains) involved in signaling, virus assembly, endocytosis.
• Glycocalyx: Carbohydrate-rich layer on the surface (often seen in protists like Figure 5.3b), involved in protection, recognition, adhesion.
• Functions: Regulates entry/exit of materials (facilitated diffusion, active transport, passive diffusion, endocytosis - unique to eukaryotes).

 3. Nucleus :

• Structure: Membrane-bound organelle containing the cell's DNA. Surrounded by a nuclear envelope (double membrane, continuous with ER) containing nuclear pore complexes for transport (Figure 5.11). Contains the nucleolus (site of rRNA synthesis).
• Genetic Material Organization:
• DNA organized into linear chromosomes composed of chromatin (DNA + histone proteins).
• Nucleosomes: DNA wrapped around histone octamers (H2A, H2B, H3, H4) with linker histone H1, forming the "beads-on-a-string" appearance (Figure 5.10).
• Site of DNA replication, transcription (RNA synthesis).
• RNA is processed and exported to the cytoplasm for translation.

   

Mitochondria:

Ø  Often called the "powerhouses" of the cell; site of the TCA cycle and ATP generation (via oxidative phosphorylation) using oxygen.

Ø  Size similar to bacteria (0.3-1.0 μm by 5-10 μm); number varies (1 to 1000+ per cell).

Ø  Double-membrane structure (outer and inner membranes).

Ø  Inner membrane has cristae (infoldings) increasing surface area; contains enzymes/electron carriers for ETC and ATP synthesis.

Ø  Inner membrane encloses the matrix (contains ribosomes, DNA, enzymes for TCA cycle and fatty acid breakdown).

Ø  Possess their own DNA (often circular) and ribosomes, reflecting bacterial ancestry, but synthesize only some of their own proteins.

Ø  Reproduce by binary fission.

Ø  Related organelles include hydrogenosomes (anaerobic, produce ATP via fermentation, produce H2) and mitosomes (non-ATP producing).

Endoplasmic Reticulum (ER):

Ø  Network of membranous tubules and flattened sacs (cisternae).

Ø  Two types:

·         Rough ER (RER): Studded with ribosomes on the cytoplasmic surface; involved in synthesizing proteins destined for secretion, membrane insertion, or transport to other organelles. Also adds sugars to proteins (glycosylation).

·         Smooth ER (SER): Lacks ribosomes; involved in lipid synthesis.

·         Major site of cell membrane synthesis.

 Ribosomes:

Ø  Sites of protein synthesis.

Ø  80S ribosomes in eukaryotes (larger than bacterial 70S), composed of 60S and 40S subunits.

Ø  Free ribosomes (in cytoplasm) synthesize proteins for use within the cell (e.g., cytosol, nucleus, mitochondria).

Ø  Bound ribosomes (attached to RER via the 60S subunit) synthesize proteins for secretion or membrane insertion.

Golgi Apparatus:

Ø  Composed of stacked, flattened cisternae (forming a dictyosome).

Ø  Has distinct cis face (forming, near ER) and trans face (maturing, far from ER) with different enzyme compositions.

Ø  Functions: Packages, modifies, and prepares materials (especially proteins from the ER) for secretion or delivery to other organelles/locations.

Ø  Involved in constructing surface scales (some protists), developing cell membranes, and packaging cell products (e.g., for hyphal tip growth in fungi).

Lysosomes:

Ø  Membrane-bound, spherical organelles found primarily in animal cells.

Ø  Contain hydrolytic enzymes (hydrolases) optimal at acidic pH (3.5-5.0), maintained by proton pumping.

Ø  Function in intracellular digestion (e.g., nutrients via endocytosis).

Ø  Similar degradative organelles exist in fungi/protists (sometimes called vacuoles/phagocytic vacuoles/food vacuoles).

Ø  Also involved in storage (ions, amino acids) and autophagy (recycling cellular components via autophagosomes fusing with lysosomes).

Extracellular Matrix (ECM):

Ø  The document mentions the glycocalyx (carbohydrate-rich layer on cell surface) but does not detail a broader ECM like that found in animal tissues. Fungal cell walls and algal cell walls serve somewhat analogous structural functions outside the plasma membrane.

Chloroplasts:

Ø  Type of plastid found in algae and plants; site of photosynthesis (using light energy to convert CO2 and water to carbohydrates and O2).

Ø  Double-membrane structure (envelope).

Ø  Inner membrane encloses the stroma (contains DNA, ribosomes, enzymes for the "dark reactions"/Calvin cycle, starch granules, lipid droplets).

Ø  Internal membrane system of thylakoids (flattened sacs); site of the "light reactions" (containing chlorophyll and ETC components).

Ø  Thylakoids may be stacked into grana.

Ø  Evolved from a cyanobacterial endosymbiont.

Cytoskeleton:

·         Network organizing the cytoplasm and facilitating movement.

·         Composed of three main filament types:

·         Actin Filaments (Microfilaments): ~4-7 nm diameter; involved in cell shape changes (amoeboid movement), endocytosis, cytokinesis, and intracellular transport (via actin cables/patches/rings).

·         Intermediate Filaments (IFs): ~10 nm diameter; strong, flexible structural elements (e.g., nuclear lamina in animals), help position organelles; absent in fungi and plants.

·         Microtubules: ~25 nm diameter; hollow cylinders made of α- and β-tubulin dimers; form the spindle apparatus for chromosome separation, act as tracks for organelle/vesicle movement (via motor proteins kinesin/dynein), and are components of cilia and flagella. Also provide structural support (e.g., axopodia).

Flagella:

·         Long, whiplash (100-200 μm) structures for motility.

·         May be tinsel (with lateral hairs/mastigonemes/flimmer filaments) or whiplash (naked).

·         Structurally identical to cilia (axoneme with 9+2 microtubule pattern).

·         Move via undulating waves, pushing or pulling the cell.

Cilia:

·         Short, hair-like (5-20 μm) structures for motility.

·         Structurally identical to flagella (axoneme with 9+2 microtubule pattern).

·         Move via coordinated beating: effective stroke (stiff, propels) and recovery stroke (bent, returns).

·         Beat frequency ~10-40 Hz; can achieve high speeds (e.g., Paramecium).

Reference         

Madigan, M. T., Martinko, J. M., Bender, K. S., Buckley, D. H., & Stahl, D. A. (2017). Brock Biology of Microorganisms (15th ed.). Pearson.

Harvey E. Prescot et al. Text book of Microbiology