Komórka prokariotyczna a eukariotyczna. Porównanie komórki roślinnej i zwierzęcej.

Komórka jest podstawowym elementem organizacyjnym złożonego organizmu. Może ona także stanowić samodzielny organizm pełniący wszystkie funkcje konieczne do nazwania jej organizmem żywym. Ma ona więc własny metabolizm, rośnie, odżywia się, oddycha, rozmnaża się. Komórka może się także wyspecjalizować w jakiejś konkretnej funkcji, wówczas jest częścią złożonego organizmu. Niezwykle ważną cechą komórek jest ich plastyczność zarówno pod względem funkcji, jak i morfologii.

Teoria komórkowej budowy organizmów została wysunięta w XIX wieku i przyczynili się do tego Kuźmicki i Urbanek. Zgodnie z tą teorią, komórka jest podstawowym elementem budulcowym i funkcjonalnym i buduje ciał zarówno roślin, jak i zwierząt. Komórki pierwotniaków, jak i tkankowców mają różną postać, zależą od funkcji przez nich pełnionych. Zawsze jednak schemat budowy pozostaje niezmieniony.

Komórki zasadniczo dzieli się na prokariotyczne (bezjądrzaste) i eukariotyczne (jądrzaste). Jak sama nazwa wskazuje cechą odróżniającą jest występowanie jądra odgraniczonego błoną od cytoplazmy.

Prokatioty są organizmami jednokomórkowymi. Zalicza się do nich bakterie i sinice. Cechą charakterystyczną jest występowanie nici materiału genetycznego bezpośrednio w cytoplazmie, w postaci nukleoidu. Kształt komórek jest zróżnicowany. Komórka może przybierać postać kulistą, pałeczkowatą, skręconą czy nieregularną. Kształt często jest uzależniony od ściany komórkowej. Komórka pozbawiona ściany nosi nazwę protoplastu. Prokariota nie posiadają organelli otoczonych błoną, a więc jądra, mitochondriów czy plastydów. Funkcję jądra pełni nukleoid, funkcję mitochondrium spełniają mezosomy, które są zbudowane z wpukleń błony komórkowej do wnętrza samej komórki. Podobnie zbudowane są tylakoidy lub ciałka chromatoforowe, pełniące rolę chloroplastów czy chromoplastów u prokariotów fotosyntetyzujących, takich jak bakterie czy sinice.

Eukarioty mają bardziej złożoną strukturę. Zawierają już organelle złożone, otoczone błoną. Najprawdopodobniej powstałe jako symbionty bakterii, które utraciły samodzielność życia i stały się elementem strukturalnym komórki gospodarza - eukariota. Eukarioty mogą występować jako samodzielne organizmy (np. pierwotniaki, niektóre grzyby, glony_ albo też być częścią złożonych organizmów wielokomórkowych. Wszystkie komórki eukariotyczne mają podstawowe cechy wspólne, cechuje je jednak także duża elastyczność umożliwiająca ich specjalizację do pełnienia określonej funkcji w złożonym organizmie.

Jeśli chodzi o komórki roślinne i zwierzęce, to posiadają one wiele wspólnych organelli, mają jednak także organelle charakterystyczne tylko dla nich. Organellami charakterystycznymi zarówno dla komórki roślinnej, jak i zwierzęcej, są: błona komórkowa, jądro komórkowe, cytoplazmatyczny system wakuolarny, retikulum endoplazmatyczne (ER), aparat Godiego, lizosomy, rybosomy, cytoplazma, mitochondria. Organellami charakterystycznymi jedynie dla komórki roślinnej są: ściana komórkowa, różne plastydy - chloroplasty, kukoplasty, chromatydy.

Jeśli chodzi o elementy budulcowe komórki zwierzęcej, to plazmolema (błona komórkowa) składa się z trzech warstw: dwuwarstwy lipidowej oraz dwóch warstw zasocjowanych z nią białek powierzchniowych. Dwuwarstwa lipidowa posiada także białka zatopione w niej. Cała ta struktura nazywana jest płynną mozaiką, za względu na możliwość zmiany położenia poszczególnych jej elementów. Zachowana jest także selektywna przepuszczalność błony. Zależy ona od wielkości, ładunku czy rozpuszczalności transportowanej cząstki. Możliwa jest dyfuzja prosta niektórych, bardzo małych cząsteczek. Dyfuzja ułatwiona zachodzi zgodnie z gradientem stężeń, bez udziały energii. Może też zachodzić transport dużych cząsteczek, do czego potrzebny jest nakład energii ze strony komórki, a także transport w kierunku niezgodnym z gradientem stężeń. Dzięki porom zawartym w błonie pobieranie substancji do wnętrz komórki może odbywać się niezależnie od przepuszczalności błony komórkowej. Na drodze fagocytozy czy pinocytozy. Tworzy się wpuklenie błony do wnętrza komórki, a następnie jego odłączenie, a pobiera substancja zostaje wprowadzona do wnętrza komórki w postaci pęcherzyka. Wydalanie substancji może odbywać na tej samej zasadzie, jedynie w odwrotnej kolejności. Wydalane substancje zostają otoczone błoną i tworzy się pęcherzyk, który następnie wędruje do powierzchni błony komórkowej. Następuje zlanie pęcherzyka z błoną i substancja zawarta w pęcherzyku zostaje wydalona na zewnątrz komórki. Taki proces nosi nazwę egzocytozy (cytopempsji).

Jednym z podstawowych organelli komórkowych jest jądro komórkowe, zawierające w sobie cały materiał genetyczny, a więc informację potrzebną do odtworzenia komórki oraz przeprowadzanie w niej wszystkich niezbędnych procesów. Komórki, jeśli pozbawi się je jądra, bardzo szybko giną. W jądrze obserwuje się jedno lub kilka ciemniejszych skupisk - jąderek. Niektóre komórki posiadają więcej niż jedno jądro. Komórki wielojądrowe mogą powstać jako wtórne twory, spowodowane zanikiem błony komórkowej oddzielającej dwie, sąsiadujące ze sobą komórki. Wówczas takie wtórne komórki wielojądrowe określa się mianem syncytium. Na innej drodze powstają komórczaki, które tworzą się wówczas, gdy jądro ulega podziałowi, ale cytoplazma nie. W wyniku tego procesu nie tworzą się komórki potomne, a komórka macierzysta zachowuje wszystkie jądra. Kształ jądra uzależniony jest od wielu czynników, między innymi od kształtu komórki, sposobu jej poruszania czy ilości zawartego w nim DNA i białek. Jądro może się przemieszczać w obszarze komórki, a także obracać się wokół własnej osi. Jądro jest odgraniczone od cytoplazmy za pomocą błony lipidowo - białkowej. Jądro jest potrzebne jako magazyn informacji genetycznej. Jest to także miejsce, w którym zachodzą procesy replikacji informacji genetycznej, a także jej ekspresja. Jądro pełni kontrolę nad pracą całej komórki.

Cytoplazmatyczy system błonowy zbudowany jest z następujących elementów: błony jądrowej, retikulum endoplazmatycznego (siateczki śródplazmatycznej, ER) oraz aparatu Goldiego. Do całego systemu można zaliczyć także lizosomy oraz wodniczki.

Retikulum endolazmatyczne jest systemem błon wewnątrzkomórkowych, dzielących cytoplazmę na różne kompartymenty komórkowe. Dzięki temu możliwe jest przestrzenne rozdzielenie między innymi reakcji przeciwstawnych czy tej samej reakcji przebiegającej w przeciwnych kierunkach. Siateczka śródplazmatyczna jest struktura dynamiczną. Jest aktualny stan uzależniony jest od reakcji przebiegających w komórce. Jeśli retikulum endolazmatyczne pokryte jest rybosomami, nazywane jest retikulum endoplazmatycznym szorstkim. Są to obszary, gdzie bardzo intensywnie zachodzą procesy translacji, a więc syntezy białek. Retikulum endoplazmatyczne gładkie jest szczególnie dobrze rozwinięte w komórkach zmuszonych do ciągłej detoksykacji.

Dodatkowo ER pełni funkcje podporowe, transportowe, regulacyjne w komórce. Prawdopodobnie ER jest także samodzielnym systemem cyrkulacyjnym komórki. Wszystkie te funkcje są możliwe do spełnienia dzięki licznym enzymom zasocjowanym z błonami siateczki śródplazmatycznej.

Aparat Goldiego zbudowany jest z diktiosomów, czyli błonowych talerzy ułożonych w stos. Aparat Goldiego zlokalizowany jest w większości przypadków w pobliżu jądra komórkowego. Jest on odpowiedzialny za sortowanie i pakowanie różnych białek czy lipidów. W strukturach aparatu Goldiego następuje także modyfikacja reszt cukrowych glikoprotein i glikolipidów, a także synteza polisacharydów, takich jak glikozoaminoglikany, hemicelulozy, pektyny.

Lizosomy są ściśle związane z aparatem Goldiego, w którym powstają. Są to pęcherzyki zawierające zestaw enzymów hydrolitycznych, otoczone pojedynczą, półprzepuszczalną błoną. Enzymy te są aktywne w środowisku kwaśnym. Jest to podstawowy układ trawienny pojedynczej komórki. Jeśli nastąpi przerwanie ciągłości błony lizosomu, może nastąpić nawet samostrawienie komórki.

Rybosomy składają się z dwóch podjednostek - małej i dużej. To właśnie na rybosomie zachodzi proces translacji, a więc syntezy białek. Do tego procesu potrzebne jest mRNA, wolne aminokwasy, ATP (energia), tRNA. Zazwyczaj na jednej nici mRNA osadzone jest 5-6 rybosomów prowadzących równocześnie translację. Taki stwór nazywa się polirybosomem.

Cytoplazma to substancja wypełniająca wnętrze komórki. Zawiera zawieszonych wiele substancji, takich jak białka czy kwasy nukleinowe (RNA). Cytoplazma posiada specyficzne "rusztowanie" utrzymujące kształt całej komórki. Cytoplazma ma postać koloidu. Bardziej zewnętrzna część cytoplazmy nosi nazwę egzolazmy i charakteryzuje się większą sztywnością. Z kolei wewnętrzna część cytoplazmy określana jest mianem endolazmy i charakteryzuje się większym stopniem płynności oraz występowaniem w niej licznych ziarnistości.

Centrole tworzą centrum komórkowe położone obok jądra komórkowego. Jest to obszar gęstej cytoplazmy niezawierającej struktur komórkowych. Składają się na nie dwa centriole tworzące diplosom. Każde jądro posiada swoje centrum komórkowe, a więc liczba tych centrów wzrasta wraz z liczą jąder. Centriole odpowiadają za powstawanie i regulowanie pracy wrzeciona kariokinetycznego w czasie podziałów komórkowych komórki zwierzęcej. Centriole tworzą bieguny komórki w czasie podziału.

Mitochondria to wewnątrzkomórkowe organella otoczone podwójną błoną mającą charakterystyczną postać. Wewnętrzna błona jest bowiem bardzo pofałdowana tworząc tzw. grzebienie mitochondrialne. Mitochondrium odpowiedzialne jest za przeprowadzanie procesów utleniania w celu wytworzenia dużych ilości energii. Dzięki zawartości enzymów mitochondria mają także możliwość syntetyzowania białek, fosfolipidów i kwasów tłuszczowych. Mitochondria stanowią centra największej aktywności metabolicznej w komórce.

Jeśli chodzi o specyficzne elementy budowy komórki roślinnej, to z pewnością można tu wymienić ścianę komórkową. Jest to zewnętrzna pokrywa komórki pełniąca funkcje ochronne i podporowe. Występuje ona u roślin oraz grzybów. Jest to martwy element komórki, przepuszczalny dla wody oraz soli mineralnych. Ściana komórkowa rośnie razem z komórką i wraz z wiekiem zwiększa swoją powierzchnię oraz grubość. Jest to tzw. wtórna ściana komórkowa.

Chloroplasty umożliwiają przeprowadzanie roślinom procesu fotosyntezy. Zawierają one zielony barwnik asymilacyjny - chlorofil. Chloroplasty są otoczone podwójna błoną. Wewnętrzna błona jest bardzo pofałdowana i tworzy grana, które są stosami spłaszczonych "talerzyków" - tylakoidów. Grana połączone są odcinkami prostej błony - lamellą. Możliwe jest także występowanie innych barwników, takich jak karoten czy ksantofil. Mają one okrągły lub eliptyczny kształt.

Leukoplasty to bezbarwne struktury mające zdolność do syntetyzowania i magazynowania skrobi.

Chromoplasty posiadają czerwone, żółte oraz pomarańczowe barwniki karotenoidowe rozpuszczone w kropelkach tłuszczu albo zgromadzone w postaci kryształków.

Charakterystyka enzymów restrykcyjnych

(endonukleazy restrykcyjne czyli restryktazy)

Enzymy restrykcyjne – enzymy izolowane z bakterii lub sinic, rozpoznające specyficzne

sekwencje i przecinające obie nici w cząsteczce DNA. Związane są ze zjawiskiem restrykcji i

modyfikacji, którego model zaproponowali Arber i Dusoix w 1962 roku. Model ten zakłada istnienie

w komórce dwóch enzymów w których jeden odpowiada za rozpoznanie specyficznej sekwencji i

przecięcie DNA a drugi za jego modyfikację, która zapobiega atakowi nukleolitycznemu.

Nazewnictwo – enzymy restrykcyjne określa się za pomocą symboli,

np. EcoRI – oznacza enzym wyizolowany ze szczepu R Escherichia coli,

Hind III – enzym wyizolowany ze szczepu Hemophilus influenzae serotyp d.

Liczba rzymska wynika z chronologii izolowania enzymów z tych samych mikroorganizmów.

Rozróżniamy trzy klasy enzymów restrykcyjnych, różniące się mechanizmem cięcia, rodzajem

substratu, produktu i kofaktorami:

Klasa I – białka multimeryczne wymagające jako kofaktorów ATP, S-adenylometioniny i Mg2+

● działają zarówno jako restryktazy oraz kodyfikacyjne metylazy

● substrat to dwuniciowy DNA zawierający zdefiniowaną sekwencję kilkunastu nukleotydów

● enzym rozpoznaje sekwencje i w pewnej odległości od niej nacina obie nici DNA, nie

uzyskuje się ściśle określonych fragmentów DNA

Klasa II – białka proste, występują w postaci dimerów i tetramerów, in vitro aktywowane Mg2+

● odpowiadające im metylazy występują jako oddzielne białka monomeryczne

● substratem jest dwuniciowy DNA zawierający kilku nukleotydową sekwencje specyficznie

rozpoznawaną przez dany enzym

● cięcie obu nici zachodzi w obrębie tej rozpoznanej sekwencji lub jej pobliżu (klasa IIS)

● większość enzymów rozpoznaje palindromowe sekwencje (posiadające oś symetrii) cztero-,

sześcio-, lub ośmionukleotydowe. W wyniku ich cięcia mogą powstać dwa rodzaje końców

tzw „lepkie” i „tępe” końce

● enzymy te znalazły największe zastosowanie w biologii molekularnej

Klasa III – aktywowane przez jony Mg2+ i ATP, czasem potrzebna jest S-adenylometionina.

Aktywność restryktaz zależy także od stężenia soli (NaCl) zawartej w buforze. Niektóre enzymy

wykazują maksimum aktywności przy wysokim stężeniu soli (150 mM), inne przy niskim stężeniu NaCl.

Są również takie dla których stężenie soli może być skrajnie różne (0-150 mM) np. AvaI.

Wszystkie enzymy restrykcyjne po trawieniu dwuniciowego DNA pozostawiają grupę

fosforanową na końcu 5', a grupę hydroksylową na końcu 3'.

Wydaje się, że przecięcie dwóch nici w obrębie rozpoznanej sekwencji nie zachodzi jednocześnie,

lecz jest wynikiem dwóch niezależnych reakcji katalitycznych. Stosując odpowiednio niskie stężenie

enzymu w stosunku do stężenia DNA można uzyskać cząsteczki z tylko jedną przeciętą nicią.

1

IZOSCHIZOMERY – enzymy pochodzące z różnych szczepów, ale rozpoznające te same

sekwencje DNA. Na przykład sekwencję CCGG rozpoznają enzymy HpaII, HapII, MspI, BsnF.

Zastosowanie restryktaz:

1. Sporządzanie fizycznych map genomów,

2. Izolacja i identyfikacja genów, sekwencjonowanie DNA,

3. Porównywanie DNA z różnych organizmów,

4. Rekombinowanie i klonowanie określonych genów lub fragmentów genomu,

5. Diagnostyka chorób genetycznych,

6. Diagnostyka niektórych chorób nowotworowych,

7. Diagnostyka chorób infekcyjnych,

8. W transpalntologii do ustalania zgodności tkankowej,

9. W medycynie sądowej do ustalania pokrewieństwa.

2