ORGANELLE KOMÓRKOWE

otoczone pojedynczą błoną:

1. Siateczka śródplazmatyczna:

1. Siateczka szorstka = SER ma postać płaskich cystern, które bezpośrednio kontynuują otoczkę jądrową.

1. Powstanie jądra i ER w ewolucji komórki eukariotycznej (inwaginacja).

2. Połączenie błony z rybosomami - białka dokujące i receptory rybosomów jako kompleks błonowy utrzymujący rybosom, pośrednictwo cząsteczki SRP i receptory dla tej cząsteczki pomagają w kotwiczeniu rybosomów.

3. Synteza białek i ich wprowadzanie do błony lub wnętrza cysterny - reakcja białka dokującego na sekwencję sygnalną z metioniną.

4. Rola domeny sygnalnej w dalszym losie białka; domeny hydrofobowe i hydrofilne decydują o ułożeniu białka w błonie.

5. Skład cytoplazmy zawartej we wnętrzu ER: liczne typy enzymów.

6. Przemiany cząsteczek białkowych w cysternach SER, proteoliza sekwencji sygnalnych, wstępna glikozylacja.

2. Siateczka gładka w postaci kanałów i różnokształtnych cystern.

1. Specyficzne enzymy syntetyzujące fosfolipidy związane z błonami gładkiego ER po stronie cytoplazmy.

2. Segregacja fosfolipidów i przenoszenie wybranych cząsteczek z warstwy zewnętrznej do wewnętrznej z udziałem flipaz.

3. Synteza kotwic glikolipidowych i dolicholu; ich ruch w błonach to dyfuzja boczna w warstwie; udział kotwic w transporcie białek wewnątrz cystern ER.

4. Wewnątrz cystern i kanałów odbywa się przetwarzanie cząsteczek białkowych, dołączanie grup prostetycznych i dalsza glikozylacja - adresowanie do innych przedziałów komórkowych.

5. Sortowanie i przemieszczanie białek (cargo) w świetle gładkiego ER do miejsc formowania pęcherzyków.

6. Oddzielanie pęcherzyków o różnej zawartości i przeznaczeniu metabolicznym; oznakowanie błon receptorami typu SNARE i Rab-GTPazy.

3. Wyspecjalizowane formy ER:

1. Siateczka sarkoplazmatyczna jako magazyn jonów Ca w komórkach mięśniowych.

2. Miejsce syntezy i gromadzenia barwników w komórkach skóry oraz w czopkach i pręcikach siatkówki oka.

3. Miejsce syntezy i gromadzenia białek zapasowych w k. miękiszu spichrzowego w nasionach traw (komórki aleuronowe w bielmie ziarniaków).

4. Miejsce syntezy przeciwciał (immunoglobulin) w limfocytach typu B .

2. Aparat Golgiego (diktiosomy) = stosy Golgiego

1. Struktura pojedynczego diktiosomu, strona cis i trans

2. Funkcje: glikozylacja białek, sortowanie i zagęszczanie, synteza polisacharydów;

3. Oddzielanie pęcherzyków egzocytarnych - funkcja wydzielnicza;

4. Populacja pęcherzyków promowych w czynnych diktiosomach.

3. Peroksysomy i glioksysomy - organelle zawierające enzymy z grupy peroksydaz i katalaz, funkcje inaktywacji poprzez utlenianie i detoksykacja poprzez utlenianie substratu, beta-oksydacja lipidów w glioksysomach (tłuszcze utleniane są do węglowodanów).

4. Lizosomy - polimorfizm postaci i funkcji, organelle o szerokim spektrum litycznym:

1. lizosomy pierwotne: zawartość enzymów litycznych typu hydrolaz - ich skład i koncentracja do powstania parakryształu, specyfika błony lizosomalnej - wyższa zawartość cholesterolu, pH wewnątrz lizosomu jako czynnik regulujący aktywność enzymów;

2. lizosomy wtórne - wakuole trawiące (autofagiczne i heterofagiczne) powstają na skutek fuzji endosomów z lisosomami pierwotnymi;

3. różnorodność procesów w lizosomach wtórnych: zmiany aktywności enzymów na skutek zmiany pH do ok. 5 dzięki uaktywnieniu pomp protonowych w błonie, różny stopień degradacji substratu i dalsze jego przemiany, możliwość uwalniania do cytozolu monosacharydów i aminokwasów, lipidy są wbudowywane do błony lisosomu. ciałka resztkowe, ich egzocytoza to proces wydalania;

Lizosomy

Nazwa lizosomy obejmuje bardzo różnorodne organella pęcherzykowe otoczone pojedyńczą błoną, należące do przedziału katabolicznego komórki. Określa się nią zarówno lizosomy pierwotne jak i lizosomy wtórne choć struktury te mają zupełnie inny charakter. Wspólną cechą wszystkich objętych tą nazwą pęcherzyków jest związek z procesem trawienia komórkowego.

Lizosomy pierwotne są pęcherzykami zawierającymi skoncentrowane lecz nieczynne enzymy z różnych grup hydrolaz (hydrolazy = ogólna nazwa dla enzymów rozrywających wiązania we wszelkiego typu złożonych związkach organicznych przy udziale wody). W lizosomie pierwotnym enzymy te są tak zagęszczone, że często tworzą parakryształ = regularny układ cząsteczek organicznych. Występujące w błonie lizosomu pierwotnego pompy protonowe są nieczynne. Jednym słowem:

Lizosom pierwotny to pęcherzykowy magazyn enzymów hydrolitycznych, przygotowanych na wszelki wypadek, ale jeszcze nie używanych.

Lizosomy wtórne to nazwa zbiorcza dla kilku typów wodniczek trawiących w różnych fazach ich działania. Powstają one z połączenia pęcherzyka zawierającego jakąś substancję przeznaczoną do strawienia z lizosomem pierwotnym. Materiał do strawienia może pochodzić z zewnątrz (np. bakteria, wielkocząsteczkowe związki odżywcze), pobierany jest wówczas na drodze endocytozy i zamykany w tzw. pęcherzyku endocytarnym. Pęcherzyk ten po połączeniu z lizosomem pierwotnym staje się wakuolą heterofagiczną. Może to być także przeznaczony do eliminacji, zbędny element komórki (np. uszkodzone mitochondrium, obszar cytoplazmy obfitujący w nieczynne rybosomy itp.). Zostaje on otoczony błonami i zamknięty w wakuoli autofagicznej. Pęcherzyk endocytarny lub wakuola autofagiczna same w sobie, przed połączeniem z lizosomami pierwotnymi jeszcze niczego nie trawią. Dopiero po połączeniu się i wlaniu enzymów hydrolitycznych do obszaru wakuoli fagicznej, gdzie jest coś do strawienia następuje zapoczątkowanie procesów litycznych. Enzymy hydrolityczne zmieniają się w formę czynną dzięki przyłączeniu reszty fosforanowej z ATP, a niekiedy jeszcze innych rodników wyzwalających ich aktywność. Ponadto w błonie lizosomu wtórnego uczynniają się pompy protonowe wpompowujące do jego wnętrza jony H+. Powoduje to zmianę pH na bardziej kwaśne, czego skutkiem jest wzrost aktywności enzymów hydrolitycznych. Zatem :

Trawienie odbywa się w lizosomach wtórnych - zwanych w tym czasie wakuolami auto- lub hetero-fagicznymi.

W komórce możemy obserwować różne lizosomy wtórne: świeżo utworzone wakuole trawiące i takie, w których trawienie jest zaawansowane lub już się kończy. Ich zawartość jest mniej lub bardziej płynna a odrywane cząsteczki powoli są transportowane z wakuoli trawiącej do cytoplazmy. Jeśli w takim lizosomie wtórnym pozostanie coś nie strawionego, to powstaje pęcherzyk zawierający ciało resztkowe, który może odpączkować od wakuoli trawiącej. W ten sposób tworzy się wakuola egzocytarna, która jest przesuwana w kierunku plazmolemy i wydalana poza komórkę. Wakuole egzocytarne mogą też transportować płynną zawartość. Nazwa wakuola egzocytarna podkreśla jedną z funkcji pełnionych przez lizosom wtórny pod koniec jego aktywności. Trawienie wewnątrzkomórkowe jest procesem obejmującym szereg etapów rozciągniętych w czasie. Na preparatach zaś, zależnie od fazy tego procesu, widzimy tylko wybrane postacie lizosomów: pierwotne - nieczynne w procesie trawienia lub wtórne znajdujące się w jednym z etapów trawienia lub wyrzucania resztek.

W komórkach roślinnych pewne funkcje lizosomalne pełnią wakuole.

Funkcje pęcherzyków w komórkach

1. Segregacja i izolacja białek o różnych funkcjach (kompartmentyzacja) - przedział kataboliczny i anaboliczny;

2. Transport przez błonę otaczającą pęcherzyk zależy od receptorów skierowanych na zewnątrz oraz osmotyczności i pH zawartości (cargo);

3. Selektywne włączanie białek i sacharydów z cytoplazmy; zagęszczanie cargo, dwukierunkowy przepływ ATP;

4. Transport między kompartmentami dzięki pączkowaniu i fuzji z kompartmentem docelowym (rola receptorów SNARE)- droga od szorstkiego ER do plazmolemy to egzocytoza a z powierzchni plazmolemy do wnętrza komórki endocytoza;

5. Ukierunkowany transport określonych pęcherzyków ku wybranej powierzchni komórki (domenie błonowej); rozbudowa i odnowa jej składu poprzez włączanie błon pęcherzyków pochodzących z ER i Aparatu Golgiego.

6. Odnowa i wymiana błon: możliwość wycofywania z powierzchni fosfolipidów i białek kanałowych w błonie pęcherzyków endocytarnych; krążenie klatryny i receptorów.

7. Trzy typy opłaszczenia pęcherzyków, klatryna głównie na pęcherzykach endocytarnych i transportujących cargo pochodzenia lizosomalnego, białka opłaszczające kaweole i pęcherzyki pinocytarne to koatomery i adaptyny.

Organelle otoczone podwójną błoną

występują tylko w komórkach Eukaryota.

Mitochondria i plastydy uczestniczą w endogennych przemianach energetycznych.

1. Źródła energii dla żywych komórek na tle warunków zmieniających się w historii Ziemi: światło, procesy utleniania związków mineralnych, utlenianie związków organicznych.

2. Bilans pozyskiwania energii (opcja beztlenowa i tlenowa oddychania).

3. Uniwersalizm metaboliczny i strukturalny w procesie pozyskiwania energii:

1. korzystanie z emisji elektronów przy zmianie wartościowości Fe, Cu, S;

2. szeregi enzymów oksydoredukcyjnych;

3. budowa i funkcje kompleksu syntazy ATP- wykorzystanie potencjału wodorowego;

4. metaboliczne nośniki energii.

4. Egzogenna teoria pochodzenia mitochondriów i plastydów:

1. Cechy organelli, które nawiązują do Prokaryota: ciągłość pochodzenia i dziedziczenie, podział przez przewężenie, nukleoid, mutacje niezależne od jądra, typ rRNA, własna replikacja, transkrypcja i translacja, różnice w budowie błony zewnętrznej i wewnętrznej; korzystanie w potencjału wodorowego.

2. Drzewo rodowe organizmów - poziomy ewolucyjne wniknięcia pramitochondriów i praplastydów.

3. Współczesne organizmy najbardziej podobne do pramitochondriów i praplastydów żyją w specyficznych warunkach geotermalnych.

4. Wytłumaczenie pełnego uzależnienia organelli od stanu fizjologicznego komórki eukariotycznej i od jej genomu długim okresem wzajemnej adaptacji i wspólnej ewolucji oraz wymianą genów na drodze transpozycji.

Mitochondria.

1. Budowa - dwa przedziały metaboliczne;

2. Różnice w składzie i przepuszczalności błon, miejsca przepustowe;

3. Specyficzny układ enzymów oksydo-redukcyjnych w błonie wewnętrznej - szereg o zwiększającym się powinowactwie do elektronów doprowadza je do tlenu jako akceptora;

4. Kompleks enzymatyczny tzw. grzybka, czyli syntazy ATP i pompy protonowej;

5. Zagęszczanie jonów wodorowych w przestrzeni międzybłonowej, przepływ protonów (H+) dostarcza energii, kierunki tego przepływu w bakteriach, mitochondriach i plastydach są metabolicznym napędem produkcji ATP;

6. Specyfika matrix mitochondrialnej - enzymy glikolizy i cyklu kwasów trójkarboksylowych (Krebsa),

7. Wydajność energetyczna procesów oddechowych;

8. Zmiany liczby i ultrastruktury mitochondriów w zależności od aktywności metabolicznej komórki i dostępu tlenu (przykłady: nieczynne mitochondria w komórkach zarodków w uśpionych nasionach, w strzępkach grzyba podczas suszy itp. w stanie aktywnym w komórkach nerwowych i wątrobowych, fuzja w witce plemnika i w intensywnie pracujących k. mięśniowych).

9. Własny genom mitochondrialny, jego ekspresja i specyficzne rRNA - teoria o egzogennym pochodzeniu organellom.

10. Teoria ewolucyjna pramatki - możliwość określenia pochodzenia i pokrewieństwa organizmów na podstawie sekwencji genetycznej genomu mitochondrialnego; im więcej mutacji tym młodszy organizm

Plastydy

1. Budowa typowego chloroplastu, podwójna błona, tylakoidy gran i międzygranowe, centra barwników i enzymów fotosyntetycznych, układ enzymów oksydo-redukcyjnych związanych z błoną wewnętrzną, stroma -enzymy cyklu Calvina (rubisco, synteza glukozy).

2. Inne typy barwników i struktury plastydów u glonów.

3. Pirenoid i synteza skrobi fotosyntetycznej.

4. Specjalizacja plastydów do pełnienia różnych funkcji:

1. proplastyd - forma niedojrzała, charakterystyczna dla komórek embrionalnych;

2. leukoplast - forma nieaktywna, występuje o tkankach wewnętrznych i korzeniowych tam, gdzie nie ma dostępu światło;

3. amyloplast - plastyd spichrzowy;

4. chromoplasty - forma wyspecjalizowana lub ostatecznie dojrzała, nadająca zabarwienie pochodzące od karotenoidów rozpuszczonych w globulach lipidowych; specyficzne chromoplasty w marchwi;

5. elajoplast - struktura dyskusyjna.

5. Ontogeneza plastydów, a szczególnie chloroplastów na świetle i w ciemności;

6. Teoria egzogennego pochodzenia plastydów:

1. własne DNA i rRNA typu bakteryjnego,

2. charakter błony zewnętrznej podobnej do plazmolemy, nieprzepuszczalnej dla rybulozo 1,5-bifosforanu i ATP,

3. ciągłość plastydów - namnażanie przez podział i przechodzenie jednej formy w drugą (przykłady),

4. niezdolność do życia poza komórką roślinną na skutek bardzo długiej symbiozy i wspólnej ewolucji.

Podobieństwa i różnice między plastydami i mitochondriami.

1. Budowa - dwie błony i przedział międzybłonowy, system szeregowy enzymów oksydo-redukcyjnych, kompleks pompy protonowej i syntazy ATP, przedział wewnętrzny z wysokim potencjałem jonów H+.

2. Ciągłość ontogenetyczna - rozmnażanie przez podział po replikacji własnego DNA niezależnie od cyklu komórkowego.

3. Integralność genetyczna, DNA i RNA typu bakteryjnego; genom mitochondrialny jest mniejszy od plastydowego i bardzo różnorodny na skutek wielokrotnych zmian - transmutacji.

4. Różnice w metabolizmie - na błonie wewnętrznej transformacje energetyczne w odwrotnym kierunku, różny skład białkowy stromy i matrix warunkuje przeciwstawne procesy syntezy lub hydrolizy glukozy.

5. Pochodzenie organelli biorących udział w przemianach energetycznych ustalone na podstawie podobieństwa genetycznego do mikroorganizmów wskazuje na ich różne pochodzenie:

Mitochondria ----od Methanococcus (Archea);

Plastydy ---------od Cyanobacterium (Bacteria).

Współczesne organizmy najbardziej spokrewnione z przodkami mitochondriów i plastydów żyją w środowiskach o wysokiej temperaturze. Archea w oceanach przy otworach hydrotermalnych, zaś pokrewne Cyanobacteria w gejzerach.

6. Zależność metaboliczna mitochondriów i plastydów od genomu jądrowego i aparatu translacyjnego komórki eukariotycznej jest wynikiem długotrwałej wspólnej ewolucji. Koegzystencja doprowadziła do włączenia w genom jądrowy znacznej puli genów z obu typów organelli. W wielu komórkach glonów i mszaków występuje wyraźna synchronizacja mitozy i podziału plastydu, a nawet wspólne wrzeciono podziałowe.

Ontogeneza i zmiany specjalizacji plastydów

Pierwotną formą plastydu występującą w komórkach młodocianych (merystematycznych) jest P R O P L A S T Y D. Jest to niewielkie, pęcherzykowate organellum otoczone podwójną błoną, przy czym wewnętrzna błona tworzy płytkie i nieliczne wpuklenia do stromy. Z proplastydów różnicują się dojrzałe formy plastydów, które mają rozmaitą strukturę wynikającą z funkcji, jakie pełnią w wyspecjalizowanych komórkach. Zdolność przekształcania się jednej formy plastydu w inną, odpowiednią do funkcji pełnionych przez komórkę wskazuje na wspólne pochodzenie i ciągłość ontogenetyczną wszystkich plastydów w organizmie roślinnym. Najpowszechniej występują 2 postacie plastydów: chloroplasty i leukoplasty.

1. C H L O R O P L A S T Y w komórkach liści i łodyg wystawionych na działanie światła. Chloroplasty są zdolne do fotosyntezy, ponieważ zawierają skomplikowany system błon wewnętrznych tzw. Tylakoidów skupionych w gran. W błony tylakoidów wbudowane są barwniki (chlorofile a i b oraz karotenoidy) i enzymy oksydo-redukcyjne czynne podczas jasnej fazy fotosyntezy. W stromie chloroplastów są enzymy uczestniczące w cyklu Calvina czyli ciemnej fazie fotosyntezy. W pewnych miejscach chloroplastu występują skupienia enzymów zdolnych do syntezy skrobi z glukozy powstającej podczas fotosyntezy; są też enzymy hydrolizujące tę skrobię.

W tkankach odizolowanych czasowo od dostępu światła, a z natury zdolnych do fotosyntezy występuje bezbarwne stadium przejściowe w rozwoju chloroplastów - E T I O P L A S T. Jest to stan plastydu, w którym następuje synteza błon wewnętrznych, lecz nie organizują się one w tylakoidy, ani nie syntetyzują chlorofilu. Błony tworzą rurki ułożone w stos parakrystaliczny tzw. ciało prolamellarne. Ciało to rozpada się pod wpływem nawet znikomego bodźca świetlnego, po czym struktura plastydu szybko organizuje się w tylakoidy, następuje też synteza chlorofilu. Ostatecznie plastyd osiąga budowę i funkcję typowego chlorosplastu.

2. L E U K O P L A S T Y występują w komórkach miękiszowych niezdolnych do fotosyntezy np. w korzeniach, w głębokich tkankach łodyg, w skórce poza komórkami szparkowymi. Leukoplasty zawierają prosty system błon wewnętrznych bez barwników i stromę bez enzymów cyklu Calvina. Mogą natomiast gromadzić w stromie białka zapasowe i drobne ziarna skrobi, jeśli występują w komórkach spichrzowych np. w cebuli lub korzeniu. Leukoplasty nie pełniące funkcji spichrzowych występują w płatkach korony białych kwiatów. Biała barwa jest wynikiem rozpraszania światła na powierzchniach bezbarwnych komórek miękiszu.

3. A M Y L O P L A S T Y mogą różnicować się bezpośrednio z proplastydów lub z chloroplastów albo leukoplastów. Amyloplasty pełnią funkcję organelli spichrzowych - gromadzą skrobię. Niekiedy ziarna skrobi stają się tak duże, że błona zewnętrzna plastydu ulega rozerwaniu. Amyloplasty mogą zmienić się stopniowo w chloroplasty pod wpływem światła (zazielenienie miąższu ziemniaka). Amyloplasty niekiedy zdolne są do wytwarzania małej ilości karotenoidów i mają wtedy żółtawe zabarwienie.

4. C H R O M O P L A S T Y powstają z proplastydów w komórkach płatków korony kwiatów w rodzinie Asteraceae (słonecznik, gerbera, arnika itp). Mają ubogi system błon wewnętrznych a w stromie liczne, duże globule lipidowe zawierające karotenoidy w różnym składzie i stężeniu, co warunkuje nasilenie barwy okwiatu od jasno żółtej do ciemnobrunatnej. Z proplastydów lub leukoplastów mogą powstać chromoplasty gromadzące karoten jako materiał zapasowy np. w miękiszu kory korzenia marchwi. Tam chromoplasty gromadzą karoten w postaci parakryształu o romboidalnym kształcie. Chromoplasty mogą zmienić się w chloroplasty pod wpływem światła (zazielenianie szczytowej części marchewki wystawionej na światło).

Inne pochodzenie mają chromoplasty występujące w czerwonych owocach roślin psiankowatych np. pomidora lub papryki. W miękiszu owocni występują najpierw czynne chloroplasty, które podczas dojrzewania zmieniają swoją strukturę i stają się chromoplastami bogatymi w karotenoidy. Podczas dojrzewania owocu w chloroplastach zanika chlorofil i upraszcza się system błon wewnętrznych, a w stromie powstają globule lipidowe z karotenoidami. Podobne zmiany struktury występują w chloroplastach miękiszu asymilacyjnego liści pod wpływem skracania się dnia i obniżenia temperatury (jesień). Zmiany te prowadzą do zaniku zielonej barwy liści i ujawnienia barwy żółtej pochodzącej z karotenoidów. Na jesieni niektóre rośliny mają liście brązowe lub czerwone. Barwy te nie pochodzą jedynie od chromoplastów lecz od zabarwienia wakuoli. W liściach zabarwionych na brązowo dodatkowy efekt wprowadza obecność garbników i tanin, zaś w liściach czerwonych barwa jest zależna od składu antocjanów i pH soku wakuolarnego. Proces degradacji struktury chloroplastu do formy żółtego chromoplastu poprzedza całkowitą degenerację plastydów i jest nieodwracalny.

Przykłady przekształceń plastydów:

1. proplastyd - chloroplast - chromoplast w komórkach miękiszu asymilacyjnego;

2. proplastyd - etioplast - chloroplast - chromoplast w miękiszu liścia pora lub w łodydze szparaga;

3. proplastyd - amyloplast - chloroplast w miąższu bulwy ziemniaka;

4. proplastyd - leukoplast - chromoplast spichrzowy z karotenem w korzeniu marchwi; korzeń siewki jest bezbarwny, w miarę wzrostu żółknie i czerwienieje;

5. proplastyd - chloroplast - chromoplast w miękiszu owocni papryki lub pomidora;

6. chloroplast - amyloplast w miękiszu spichrzowym łodygi roślin zielnych im głebiej leżą komórki tym więcej gromadzą skrobi a mniej miejsca zajmuje w plastydach system membran z chlorofilem

7. amyloplast - chloroplast w powierzchniowych warstwach komórek miękiszu spichrzowego ziemniaka wystawionych na światło plastydy zazieleniają się

---