Budowa komórkowa
Omówienie budowy komórkowej należy zacząć od samego podziału komórek, gdyż jak wiemy ich budowa zależy od tego, jaki organizm budują lub jakie funkcje spełniają. Należy zauważyć, iż organizm żywy może być zbudowany z jednej komórki, jak dzieje się w przypadku bakterii, lub kilku, setek a nawet milionów komórek. Wszystko zależy od rozmiarów osobnika i stopnia zaawansowania budowy. Oczywiste jest, że komórki budujące choćby ciało człowieka, nie mogą być zbudowane tak jak np. komórki składające się na organizm roślinny. Wyróżniamy zatem:
•komórki prokariotyczne
•komórki eukariotyczne, dzielące się dalej na:
-komórki roślinne
-komórki zwierzęce
Komórki prokariotyczne
Główną cechą odróżniającą komórki prokariotyczne od komórek eukariotycznych jest brak wewnątrzkomórkowych struktur oddzielonych od cytoplazmy błoną. Brak zatem chloroplastów, mitochondriów, aparatu Golgiego, lizosomów czy jądra komórkowego. Komórka taka otoczona jest błoną komórkową, która ma strukturę białkowo - lipidową. Z zewnątrz otoczona jest dodatkowo ścianą komórkową, którą buduje murena - polimer białkowo-lipidowy. Bakterie (one zbudowane są z komórek prokariotycznych) posiadające cienką ścianę komórkową wytwarzają na jej zewnętrznej stronie drugą błonę komórkową - błonę zewnętrzną. Zaś niektóre gatunki ponadto tzw. otoczki śluzowe spełniające funkcje ochronne. Rolę jądra komórkowego pełni kolista cząsteczka DNA, znajdująca się w centrum komórki, nie oddzielona od cytoplazmy żadną błoną - genofor. Obszar cytoplazmy zajęty przez genofor nosi nazwę nukleoidu. Nie należy zapominać, że nukleoid nie jest jedynym miejscem występowania materiału genetycznego w komórce prokariotycznej. W cytoplazmie występują jeszcze plazmidy - małe cząstki DNA zawierające np. informacje o odporności na antybiotyki (w przypadku bakterii). Mimo prostoty budowy, nie są to jedyne składniki takiej komórki. Dodatkowo wyróżniamy rybosomy biorące udział w syntezie białek (zostaną opisane dokładniej przy omówieniu komórek eukariotycznych) i ziarna materiału zapasowego (np. glikogen). Mimo braku aparatu Golgiego, który wchodzi w skład komórki eukariotycznej, błona komórkowa bakterii (a tym samym komórek prokariotycznych) ulega gdzie niegdzie pofałdowaniu i wpukleniu do wnętrza komórki. W zależności od rozmiarów możemy mówić o mezosomach - stanowiących najprawdopodobniej miejsce przyczepu dla genoforu oraz biorących udział w oddychaniu komórkowym małych, zwartych wpukleniach, oraz tylakoidach - wypełnionych barwnikiem, które są duże i rozległe.
Komórki eukariotyczne
Chyba najlepszym rozwiązaniem będzie jeśli omówię wszystkie struktury komórkowe charakteryzujące komórki roślinne i zwierzęce razem, a na końcu wykażę różnice pomiędzy nimi.
Komórka eukariotyczna oddzielona jest od środowiska zewnętrznego błoną komórkową. Komórki roślinne wytwarzają dodatkowo po jej zewnętrznej stronie ścianę komórkową (nie posiadają jej komórki zwierzęce). Wewnątrz komórkę eukariotyczną budują struktury o charakterze błoniastym (mitochondria, lizosomy, retikulum endoplazmatyczne, aparaty Golgiego, chloroplasty, jądro komórkowe), jak i niebłoniaste (rybosomy, cytozol).
Błona komórkowa
Znakomicie jej budowę opisuje model płynnej mozaiki. Ma ona kilka nanometrów grubości i oddziela komórkę od środowiska zewnętrznego, zapewniając przy tym dobry kontakt z otoczeniem. Składa się ona z lipidów (głównie fosfolipidów) i białek. Lipidy mają charakter polarny. Składają się z dwóch biegunów - hydrofilowej `'głowy” (rozpuszczalnej w wodzie) i hydrofobowego `'ogona” (rozpuszczalnego w tłuszczach). Występują tu również inne lipidy, jak np. cholesterol, którego brak w błonach komórek roślinnych. Fosfolipidy tworzą zrąb błony komórkowej poprzez odpowiednie ułożenie w dwóch warstwach. W zrąb wbudowane są białka - strukturalne (wzmacniają budowę błony), receptorowe (odbierają bodźce), transportowe (kanały jonowe, przenośniki). Białka mogą być zanurzone w jednej warstwie lipidów (białka powierzchniowe), lub też mogą przenikać całą dwuwarstwę lipidową (białka integralne). Wyróżniamy rejony hydrofilowe, zbudowane głównie z aminokwasów rozpuszczalnych w wodzie, oraz rejony hydrofobowe, zbudowane głównie z aminokwasów nie rozpuszczalnych w wodzie. Asymetria błony komórkowej spowodowana jest asymetrycznym rozmieszczeniem w niej składników lipidowych i białkowych. Z kolei płynność błony komórkowej spowodowana jest stałym przemieszczaniem się lipidów w obrębie jednej warstwy. Błona komórkowa jest ponadto selektywnie przepuszczalna. Oznacza to, że pewne cząsteczki łatwo przez nią dyfundują (np. tlen, mocznik, dwutlenek węgla), inne natomiast trudno (np. glukoza), natomiast substancje wiekocząsteczkowe nie dyfundują przez błonę wcale. Ich transportem zajmują się wspomniane wcześniej białka transportowe.
Ściana komórkowa
Ściana komórkowa chroni komórki roślin, niektórych protistów i grzybów przed uszkodzeniami mechanicznymi. Ściana komórek grzybów zbudowana jest z chityny będącej aminocukrem, natomiast ściana komórek roślinnych z celulozy czyli polisacharydu (dodatkowo występują pektyny lub hemiceluloza). Pierwotna ściana komórkowa, której głównym składnikiem jest woda, jest elastyczna. Ulega ona modyfikacjom, gdy komórka osiągnie określone rozmiary lub przestanie się dzielić. Wtedy powstają sztywne ściany wtórne o charakterze celulozowym. Mogą one podlegać jeszcze innym modyfikacjom: inkrustacji i adkrustacji. O inkrustacji mówimy wtedy, kiedy różne substancje odkładane są wewnątrz ściany komórkowej pomiędzy celulozowy szkielet. Substancjami tymi są np. lignina lub CaCO3, bądź też SiO2. Adkrustacja z kolei charakteryzuje się odkładaniem substancji wzmacniających na zewnątrz ściany komórkowej. Do substancji tych zaliczamy z kolei kalozę lub suberynę.
Retikulum endoplazmatyczne (siateczka śródplazmatyczna)
Retikulum endoplazmatyczne tworzy wewnątrz komórki skomplikowany, trójwymiarowy system kanalików i pęcherzyków zawieszony w cytozolu. Mają one między innymi na celu stworzenie oddzielonych od siebie przestrzeni, w których mogą zachodzić przeciwstawne procesy (np. rozpadu - syntezy). Ponadto kanaliki te tworzą szlaki do transportu różnych substancji wewnątrz komórki, oraz łączą różne organelle wewnątrz komórkowe (np. mitochondria, czy zewnętrzną błonę otoczki jądrowej z zewnętrzną błoną komórkową). Ponadto system ten zwiększa powierzchnię komórki. Siateczkę tą dzielimy na siateczkę śródplazmatyczną szorstką i gładką. Szorstka pokryta jest rybosomami i w jej obrębie zachodzi synteza białek, gładka z kolei pozbawiona jest rybosomów. Wzajemny stosunek obu rodzajów siateczki śródplazmatycznej zależy od tego jakie funkcje komórka pełni i w jakim stadium rozwoju się znajduje. Gdy komórka szybko rośnie lub charakteryzuje się funkcją wydzielniczą, siateczka szorstka stanowi większość. Przejścia od jednej formy do drugiej są płynne. Dodatkowo w kanałach retikulum przebiega transport i przebudowa białek zsyntetyzowanych na rybosomach.
Aparaty Golgiego
Aparaty Golgiego (diktiosomy) zbudowane są z gładkich błon plazmatycznych. Struktura ta zbudowana jest z niedużych, znacznie spłaszczonych pęcherzyków (zwanych cysternami), ułożonych na kształt stosu. Wokół tego aparatu znajdują się liczne, drobne pęcherzyki i kanaliki. Struktury Golgiego nie mają bezpośredniego połączenia z retikulum endoplazmatycznym i są zazwyczaj rozrzucone w całej cytoplazmie. Ich zadanie polega na modyfikowaniu, pakowaniu i przekazywaniu zagęszczonych substancji wewnątrz komórki i poza nią. Są to głównie białka i lipidy. Transport taki polega np. na wędrówce pęcherzyka transportującego, wewnątrz którego znajduje się transportowana substancja, do błony komórkowej, z którą się zlewa. W efekcie mamy do czynienia z sekrecją (wydzielaniem), która zachodzi na drodze egzocytozy. Struktury te występują licznie w komórkach wydzielniczych. U roślin z kolei diktiosomy produkują wielocukry na potrzeby rosnących ścian komórkowych.
Lizosomy
Lizosomy to składniki komórek zwierzęcych. Są one małymi, kulistymi pęcherzykami, o średnicy nie przekraczającej 1 µm. Zawierają białka enzymatyczne, które są w stanie rozłożyć różne substancje wchłonięte przez komórkę, lub zbędne produkty, np. zużyte białka. Enzymy zawarte w lizosomach z powodzeniem mogą stanowić zagrożenie dla substancji budujących komórkę (białka, lipidy, czy też kwasy nukleinowe). Jednak nie dochodzi do ich rozłożenia, gdyż enzymy te zamknięte są w pęcherzykach i nieaktywne. Związane są z błoną prawdopodobnie za pośrednictwem specjalnych białek. Ponadto działają w pH kwaśnym (pH=5), przy czym cytoplazma charakteryzuje się pH lekko zasadowym (ok. pH=7,2). Do rozpoznania niepotrzebnych już komórce białek, które należy rozłożyć, służą specjalne receptory na powierzchni lizosomów.
Wakuola (wodniczka)
Struktura ta występuję w komórkach większości protistów, grzybów i roślin. Jest oddzielona od cytoplazmy pojedynczą, gładką błoną plazmatyczną, która nazywana jest błoną wakuolarną. Jej wnętrze wypełnione jest przez płyn. W płynie mogą być zawarte np. substancje zapasowe, metabolity wtórne czy sole mineralne.
Substancje zapasowe:
• białka
• cukry (fruktoza, glukoza, sacharoza)
• wolne aminokwasy
• rozpuszczalne kwasy organiczne
Metabolity wtórne:
• glikozydy (np. antocyjany, flawony)
• alkaloidy (np. nikotyna, chinina, kofeina, strychnina, morfina)
• garbniki
Zadaniem wakuoli jest też utrzymanie uwodnienia komórki na odpowiednim poziomie. Zdarza się, że wakuole komórek roślinnych zawierają enzymy trawiące.
Wakuole występują w komórkach nielicznie. Czasem pojedyncza wakuola może zajmować nawet do 90% objętości komórki.
Cytozol
Jest to koloid wodny, tworzący środowisko wewnętrzne komórki. Zwyczajowo nazywa się go cytoplazmą. Koloid ten tworzą rozpuszczone bądź zawieszone w wodzie:
• białka
• lipidy
• kwasy tłuszczowe
• wolne aminokwasy
• sole mineralne (magnezu, wapnia, sodu)
W cytoplazmie zawieszony jest cytoszkielet, na który składają się mikrofilamenty (czyli białkowe włókienka) i mikrotubule (mikrorurki). Wyróżniamy filamenty aktynowe (zwane mikrofilamentami, długie i cieniutkie włókna zbudowane z wielu cząsteczek aktyny, ich zadanie przejawia się w ruchach pełzakowych komórek i zmianie kształtu komórek) i pośrednie (mają one większą średnicę od mikrofilamentów, ich zadaniem jest zapewnienie wytrzymałości mechanicznej). Mikrotubule to największe struktury wchodzące w skład cytoszkieletu. Zbudowane są z tubuliny, dzięki czemu mają zdolność zmieniania swojej długości. Sieć tych rurek stanowi szlaki transportowe w komórce oraz rusztowanie dla organelli. Mikrotubule tworzone są w centrosomach. W nich znajdują się również centriole, w których zapoczątkowane jest tworzenie się włókienek wrzeciona podziałowego. Mikrotubule ponadto tworzą rzęski i wici komórek eukariotycznych.
Rybosomy
Są to nanofabryczki, w których zachodzi synteza białek z aminokwasów (bez wyjątków, we wszystkich komórkach). Rybosomy komórek eukariotycznych, choć większe od rybosomów zawartych w komórkach prokariotycznych, mają niewielkie rozmiary, rzędu kilkudziesięciu nanometrów. Kompletny rybosom składa się z dwóch podjednostek: mniejszej i większej i nie jest oddzielony od cytoplazmy żadną błoną. Zlokalizowane są na siateczce śródplazmatycznej szorstkiej. Ich liczba w komórce może dochodzić do ok. kilkudziesięciu tysięcy. Zbudowane są z białek, oraz kilku rodzajów rybosomalnego kwasu rybonukleinowego (rRNA).
Mitochondria
Są one obecne w niemal wszystkich komórkach eukariotycznych. Zajmują się skomplikowanymi procesami przetwarzania energii. Kluczowym procesem biochemicznym są tlenowe etapy oddychania komórkowego. Substratami wykorzystywanymi przez mitochondria są glukoza i tlen, produktami zaś dwutlenek węgla i woda. Przemiany w nich zachodzące to przemiany typu katabolicznego. Mitochondria są owalne bądź cylindryczne, o długości kilku mikrometrów. Każde mitochondriom otaczają dwie błony białkowo - lipidowe. Zewnętrzna jest gładka, przepuszczalna dla jonów i pozbawiona wypukłości. W przeciwieństwie do zewnętrznej, błona zewnętrzna tworzy wypuklenia na kształt grzebieni i jest prawie nie przepuszczalna dla jonów. W środku mitochondriom znajduje się matrix mitochondrialna. Znajdują się w niej enzymy przyśpieszające reakcje utleniania, cząsteczki mitochondrialnego DNA oraz rybosomy i inne elementy potrzebne do syntezy białek. Jednak mitochondria nie są organellami autonomicznymi, a półautonomicznymi, gdyż większość ich białek zakodowana jest w jądrowym DNA.
Chloroplasty
Podobnie jak mitochondria, chloroplasty przeprowadzają skomplikowane procesy przemiany energii. Również posiadają cząsteczki DNA oraz rybosomy i inne elementy potrzebne do syntezy białek oraz są organellami półautonomicznymi. Chloroplasty zamieniają energię świetlną na energię chemiczną. Charakteryzują się kształtem dwuwypukłych dysków, których średnica wynosi kilka mikrometrów. Zewnętrzna błona chloroplastów, podobnie jak w przypadku mitochondriów jest gładka, pozbawiona wpukleń i przepuszczalna dla jonów. Wewnętrzna z kolei jest nieprzepuszczalna dla jonów, ale zamiast grzebieni tworzy system zbudowany ze spłaszczonych pęcherzykowatych woreczków - tylakoidów. Są one zanurzone w koloidalnej macierzy chloroplastu, nazywanej stromą. Mamy tu do czynienia z dwoma rodzajami tylakoidów: krótkimi, ułożonymi w stosy granami, oraz długimi, mniej licznymi, które łączą grana ze sobą tylakoidami stromy.
Jądro komórkowe
Cechą charakterystyczną komórek eukariotycznych, odróżniającą je od komórek prokariotycznych, jest jądro komórkowe. Stanowi ono niejako „mózg” komórki, w którym przechowywany jest jej materiał genetyczny i „podejmowane” są decyzje co do jej rozwoju. Jądro jest oddzielone od cytoplazmy otoczką jądrową zbudowaną z dwóch błon plazmatycznych. Wewnętrzna błona jest gładka, natomiast na powierzchni błony zewnętrznej znajdują się rybosomy i przechodzi ona bezpośrednio w siateczkę śródplazmatyczną szorstką. W otoczce można dostrzec małe otwory, będące porami jądrowymi, których zadaniem jest wymiana różnych substancji pomiędzy jądrem komórkowym a cytoplazmą. Wnętrze jądra wypełnia kariolimfa, tworząca płynne środowisko. Jest w nim zanurzona chromatyna. W soku jądrowym występują białka. Wśród nich sporą grupę stanowią enzymy uczestniczące w syntezie DNA. W jądrze, oprócz nici DNA nawiniętej na kompleksy zasadowych białek - histonów, znajdują się różne rodzaje RNA. W skład jądra, oprócz wymienionych wyżej struktur, wchodzi jąderko, które nie jest oddzielone od reszty żadną błoną. Zachodzą w nim procesy syntezy RNA i podjednostek rybosomalnych.
Różnice w budowie komórki zwierzęcej i roślinnej.
Różnice te polegają na braku ściany komórkowej i chloroplastów w przypadku komórek zwierzęcych.
Bibliografia
1. E. Holak, W. Lewiński, M. Łaszczyca, G. Skirmuntt, J. Walkiewicz
Biologia 2. Zakres rozszerzony. Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego.
Wyd. OPERON, Gdynia 2005
2. Eldra P. Solomon, Linda R. Berg, Diana W. Martin, Claude A. Villee
Biologia
MULTICO Oficyna Wydawnicza, Warszawa 1998
3. Piotr Golinowski
Biologia od A do Z. Repetytorium. Matura.
Wyd. Kram, Warszawa 2006