2. Teoria komórkowej budowy organizmów

W 1838 roku dwaj przyrodnicy sformułowali teorie komórkowej budowy organizmów. Zgodnie z tą teorią, każdy organizm jest zbudowany z komórek, czyli najmniejszych podstawowych jednostek budulcowych. Pierwszy z nich był botanikiem, a drugi zoologiem. Teorie sformułowali niezależnie od siebie. Wirhoff stwierdził, że każda nowa komórka powstaje z komórki już istniejącej ("omni cellula per cellula").

Dzisiaj już wiemy, że każdy organizm składa się z milionów komórek, w których zachodzą wszystkie procesy życiowe. Komórki tworzą tkankę, tkanki tworzą narządy, narządy tworzą układy, a układy organizm.

W roku 1655 Robert Hook skonstruował pierwszy na świecie mikroskop, dzięki któremu prowadził obserwacje organizmów i tkanek. Obserwował komórki korka, jednak nie wiedział, że są to komórki. Mikroskop był wtedy bardzo drogim urządzeniem, dostępnym tylko dla elity. Oczywiście pierwsze mikroskopy były bardzo prymitywne, jednak z czasem powstawały coraz lepsze i nowocześniejsze.

3. Komórka

Komórki są podstawowymi jednostkami strukturalnymi organizmu. Mogą mieć różną wielkość, zazwyczaj mają wielkość kilkudziesięciu mikrometrów (ok. 100). Każda komórka posiada kształt i budowę związaną z funkcją, jaką spełnia. Są organizmy złożone z milionów komórek (np. człowiek), a są też takie, które zbudowane są tylko z jednej komórki. Niektóre organizmy jednokomórkowe są bardzo nietypowe. Ameba posiada błonę komórkową, która zmienia kształt i umożliwia poruszanie się. Komórki organizmów złożonych nie posiadają zazwyczaj zdolności poruszania się (jednak są też takie, które potrafią). Komórki mogą być zaopatrzone w specjalne elementy, jak np. wici lub rzęski, które zwykle służą do poruszania się. Tak bywa często w przypadku bakterii. Kształt może być podłużny, wrzecionowaty, okrągły lub rozpłaszczony. Komórki nerwowe posiadają cieniutkie wypustki, przy pomocy których odbierają sygnały nerwowe od innych komórek i przekazują je dalej.

Komórki prokariotyczne, to takie, które nie posiadają jądra komórkowego (np. bakterie). Komórki eukariotyczne posiadają jedno jądro (komórki ludzkie w ogromnej większości, również komórki roślinne i zwierzęce). Komórczakami nazywamy takie komórki, które posiadają wiele jąder, jednak powstają one zazwyczaj wskutek zlania się wielu komórek, posiadających jedno jądro.

4. Budowa komórki

Komórki zwierzęce oddzielone są od siebie czy też od środowiska zewnętrznego błoną komórkową. Komórki roślinne posiadają dodatkowo ścianę komórkową. Ścianę posiadają też komórki grzybów, komórki bakterii. Komórka składa się z żywych (plazmatycznych elementów) oraz martwych (nieplazmatycznych). Do tych pierwszych zalicza się: błony występujące w obrębie komórki (zarówno błona komórkowa jak i retikulum endoplazmatyczne), cytoplazma, jądro, mitochondria, lizosomy, aparat Golgiego, plastydy (u roślin). Składniki nieplazmatyczne roślin, to wakuole i ściana komórkowa.

W jądrze komórkowym znajduje się informacja genetyczna organizmu, zapisana w DNA. W mitochondriach przebiegają procesy, w wyniku których organizm zyskuje energię. Plastydy występują u roślin i zaliczamy do nich chloroplasty, etioplasty, chromoplasty. W chloroplastach zgromadzony jest chlorofil i tutaj też przebiega fotosynteza. Siateczka wewnątrzplazmatyczna (retikulum endoplazmatyczne, ER) tworzy w komórce przedziały, w obrębie których mogą zachodzić różne, często przeciwstawne procesy biologiczne. ER szorstkie wytwarza białka, a ER gładkie odpowiedzialne jest za produkcję lipidów. Zjawisko uprzedziałowienia komórki przez ER nosi nazwę kompartmentacji. Aparaty Golgiego, to struktury błoniaste zbudowane z cystern i pęcherzyków. Zachodzi w nich przemiana różnych związków i umożliwiają one transport pozakomórkowy poprzez wytwarzanie pęcherzyków. Lizosomy są pęcherzykami zawierającymi enzymy służące do trawienia pokarmu.

Ściana komórkowa pełni funkcję podporową i ochronną, nadaje roślinom sztywność. Ściany komórkowe wszystkich komórek w roślinie pełnią funkcję szkieletu, dzięki któremu roślina jest sztywna i odporna na złamania.

Wodniczki zawierają sok komórkowy i czasem dodatkowe substancje, np. druz, barwniki.

A.

Błona komórkowa zbudowana jest z lipidów i białek. Jest to żywą i dynamiczną strukturą, która umożliwia transport wielu substancji do komórki oraz blokuje wstęp substancjom niepożądanym. Lipidy tworzące błonę są z jednego końca hydrofilowe, a z drugiego hydrofobowe. Należy podkreślić, że błona zbudowana jest z dwóch warstw. Hydrofilowe głowy fosfolipidów błonowych skierowane są na zewnątrz błony do środowiska wodnego (w jednej warstwie na zewnątrz komórki, a w drugiej do wewnątrz). Hydrofobowe ogonki zwracają się do siebie i unikają kontaktu z wodą. W warstwie lipidów zagłębione są białka transbłonowe, do których często przytwierdzone są białka peryferyczne. Wszystkie lipidy i białka ciągle się w błonie przemieszczają. Płynność błony zależy od tego, czy kwasy tłuszczowe budujące lipidy błonowe są nasycone czy nie, a jeśli nienasycone, to w jakim stopniu. Im więcej nienasyconych kwasów tłuszczowych w błonie, tym jest ona bardziej płynna, a im więcej nasyconych, tym bardziej stała. Cholesterol w błonach zwierzęcych zwiększa sztywność. Kwasy tłuszczowe wielonienasycone oczywiście zwiększają płynność błony. Białka błonowe pełnią różną funkcję i w zależności od tego mają różną budowę. Często pełnią funkcje transportowe (przenoszą do komórki różne substancje). Na powierzchni może znajdować się glikokaliks, czyli reszty cukrowe, które chronią komórkę przed atakiem ze strony układu odpornościowego. Błona komórkowa jest więc płynna, ruchoma i żywa. Jest spolaryzowana, czyli ma skupione różne ładunki po obu swych stronach, zazwyczaj na zewnątrz jest ładunek dodatni, a w środku ujemny. Błona komórkowa jest półprzepuszczalna, selektywna. Oznacza to, że przez nią mogą swobodnie przemieszczać się substancje niskocząsteczkowe (gazy oddechowe, ale przede wszystkim woda). Inne substancje rozpuszczone w wodzie nie są wpuszczane do komórki. Jeśli jakaś substancja jest potrzebna w komórce, to jest ona transportowana przez specjalnie do tego przeznaczone białka. Błona oddziela środowisko wewnętrzne komórki od świata zewnętrznego, transportuje do komórki niezbędne substancje, a nie wpuszcza niepotrzebnych, z błon zawartych wewnątrz komórki budowane są organelle. ER, to błony spełniające funkcje syntetyczne, ER szorstkie zawiera rybosomy, dzięki czemu może produkować białka, ER gładkie nie zawiera rybosomów i produkuje tłuszcze. Poprzez błonę odbywa się wydalanie zbędnych substancji z komórki. Błona umożliwia pobieranie pokarmu w drodze endocytozy. Przenosi bodźce, więc pełni też funkcję informacyjną, a raczej nośnika informacji. Komórkami wybitnie przeznaczonymi do przekazywania sygnałów są neurocyty. Również niektóre reakcje chemiczne zachodzą w błonach komórkowych.

B. Transport przez błonę

Przez błonę może swobodnie przenikać woda i niektóre gazy oddechowe, natomiast jony i duże cząsteczki nie mogą wnikać do środka. Woda jest transportowana przez błonę w drodze dyfuzji, czyli jej transport zachodzi pod wpływem różnicy stężeń wody po obu stronach błony. Podobnie jest ze wspomnianymi już gazami. Osmoza jest procesem wybiórczego transportu cząsteczek przez błonę. Tak przenika glukoza. Przy transporcie aktywnym wykorzystywana jest energia ATP. Jony sodu czy potasu transportowane są przy użyciu energii. Do ich transportu służą specjalne białka błonowe, zwane pompami sodowo-potasowymi.

W czasie endocytozy komórka pobiera cząsteczki substancji (fagozytoza) lub zawiesinę (pinocytoza). Służy to pobieraniu pokarmu. Jeśli na zewnątrz komórki znajdują się jakieś cząsteczki, które stanowią pokarm dla komórki, to są one wiązane przez specjalne receptory na powierzchni błony komórkowej. Wskutek tego zaczyna się wpuklać błona w miejscu gdzie została przyłączona cząsteczka do komórki (wpuklenie następuje do środka). Jeśli wpuklenie jest wystarczająco duże, to powstaje pęcherzyk, który odrywa się od błony i jest transportowany w komórce do miejsca, gdzie zwiąże się z lizosomem zawierającym enzymy trawienne. Po połączeniu się pęcherzyka endocytarnego z lizosomem następuje połączenie i wymieszanie ich zawartości. Powstaje fagolizosom, w którym pokarm jest trawiony. Po strawieniu cząsteczki substancji potrzebnych komórce są wykorzystywane, a niestrawione resztki wydalane na zewnątrz w drodze egzocytozy, która przebiega, jak odwrócona endocytoza. Podczas egzocytozy pęcherzyk wędruje do błony i łączy się z nią. Po połączeniu dochodzi do wylania się zawartości pęcherzyka poza komórkę, a błona komórkowa odzyskuje swój fragment, który został oderwany podczas endocytozy.

C. Cytoplazma

Jest to wodny roztwór białek i innych substancji, wypełniający przestrzeń komórkową. W tym roztworze zanurzone są organelle komórkowe. Cytoplazma ma następujące właściwości: jest półpłynna i galaretowata jednocześnie, jest koloidem, ciągliwą substancją, lepka, elastyczna, bezbarwna. Składa się w 60-90 % z wody, ok. 50 % jej składu stanowią białka, 12-25 % tłuszcze, węglowodany 15-20 %; reszta, to inne związki (np. nieorganiczne, takie jak jony metali).

W obrębie cytoplazmy zlokalizowane są elementy cytoszkieletu, do którego zaliczamy filamenty pośrednie, mikrotubule i filamenty aktynowe (znane też jako mikrofilamenty). Filamenty pośrednie mają średnicę ok. 10 nm (nanometrów) i zbudowane są z białek filamentów pośrednich. Są rozmieszczone w całej cytoplazmie w poprzek komórki. Nadają komórce wytrzymałość, odporność na rozciąganie. Tworzą blaszkę jądrową. Mikrotubule są grubymi włókienkami o średnicy ok. 25 nm (jest to średnica zewnętrzna, gdyż mikrotubule są w środku puste), zbudowanymi z białka o nazwie tubulina. Są wytrzymałe i długie. Biorą udział w podziale komórki. Powstają w centrosomach. W czasie podziału komórki mikrotubule powstają w dwóch przeciwległych biegunach komórki. Jeden koniec mikrotubuli jest zakotwiczony w centrioli, a drugi łączy się z chromosomem. Mikrotubule ustawiają wszystkie chromosomy w centrum komórki i pozwalają w ten sposób stworzyć płytkę metafazową. Następnie chromosomy są rozdzielane do przeciwległych biegunów komórki (dzięki zgromadzeniu chromosomów na dwóch biegunach wyodrębniają się dwie komórki). Filamenty aktynowe mają najmniejszą średnicę spośród wszystkich włókienek cytoszkieletu, mianowicie ok. 7 nm. Tworzą one głównie wyściółkę podbłonową, umożliwiają komórce wytwarzanie wypustek, dzięki którym komórki przemieszczają się. Filamenty aktynowe zbudowane są z monomerów białka o nazwie G-aktyna.W mięśniu aktyna umożliwia skurcz. W połączeniu z miozyną tworzy jednostkę kurczliwą. Dużo takich jednostek w całym mięśniu umożliwia efektywny i silny skurcz.

Cytoplazma wykonuje ruchy (jest więc strukturą dynamiczną):

-ruchy rotacyjne, odbywające się w jednym kierunku wokół centralnie położonej wakuoli

-ruch cyrkulacyjny, w różnych kierunkach w obrębie mostków cytoplazmatycznych

-ruch pulsacyjny, czyli raz w jedną a raz w drugą stronę.

Zasadniczą częścią cytoplazmy są białka, mające postać globularną lub fibrylarną.

Cytoplazma wypełniając komórkę stanowi środowisko reakcji, oddziałując na błonę komórkową (pod ciśnieniem) nadaje jej kształt. Zanurzone są w niej wszystkie organelle komórkowe. Cytoplzama ma postać żelu. Dzięki ruchom, jakie wykonuje, transportuje substancje w obrębie komórki.

D. Jądro komórkowe

Jądro występuje w komórkach eukariotycznych i zawiera materiał genetyczny. Jest ono właściwie najważniejszym elementem całej komórki. Właściwie dzięki temu, co zawiera jądro organizmy mogą się rozmnażać i płodzić potomstwo, a to przecież jest najważniejszym zadaniem każdego żywego stworzenia. Tak więc jądro zawiera najważniejsze dla organizmu informacje. Każda komórka (z nielicznymi wyjątkami) w organizmie człowieka zawiera jądro i tę samą informację genetyczną. W przypadku każdej komórki (chodzi o komórki z różnych tkanek) występują jednak pewne różnice. Pomimo, że komórka powstaje na bazie informacji, którą zawiera, to komórki wątroby są zupełnie inne, niż komórki mózgu, a komórki trzustki inne, niż komórki tarczycy. Jest to spowodowane regulacją ekspresji genów. Pomimo, że wszystkie komórki organizmu zawierają te same geny, to jednak w komórkach jednej tkanki ekspresji ulegają inne geny, niż w komórkach innej tkanki. To jest przyczyną różnic pomiędzy komórkami i wielkiej różnorodności komórkowej organizmów wielokomórkowych. Nawet w jednej tkance mogą być komórki, które się od siebie różnią. Jądro komórkowe otoczone jest dwiema błonami, w których występują pory, czyli szczelinki, przez które może odbywać się transport niektórych cząstek do jądra. Jądro ma zazwyczaj okrągły kształt i umiejscowione jest w centrum komórki (oczywiście wyjątki są zawsze, np. w komórkach mięśniowych jądra są rozmieszczone peryferycznie). Jak już wspomniano wcześniej, komórki eukariotyczne posiadają jądro, natomiast prokariotyczne jądra nie mają. Zdarza się jednak, że organizmy eukariotyczne też posiadają komórki bezjądrowe. U człowieka erytrocyty (czyli krwinki czerwone) nie mają jądra, ale jest to związane z ich funkcją. Tracą jądra w czasie powstawania. Jądro wypełnione jest płynem, zwanym kariolimfą, której skład i konsystencja jest podobna do cytoplazmy. Jądro zawiera prawie całą ilość DNA, jaka znajduje się w komórce. Tylko mitochondria i plastydy (u roślin) posiadają pewne ilości DNA na terenie komórki.

DNA jest w jądrze upakowane w postaci chromatyny w czasie, kiedy nie zachodzą podziały komórkowe. Chromatyna, to postać skondensowana DNA, w której jest on nawinięty na specjalne białka zwane histonami. Trzeba zdać sobie sprawę, że DNA jest bardzo cienki i bardzo długi. Należy go więc zwinąć, aby zajmował mniej miejsca i aby się nie łamał. Tak też jest w jądrze. DNA nie występuje w postaci zupełnie rozwiniętej, ale nawiniętej na białka i nazywa się chromatyną. Kiedy jednak komórka ma się podzielić, chromatyna ulega silnej kondensacji. Zostaje spiralnie skręcona do postaci, w której nazywa się chromosomem. Widoczne pod mikroskopem czarne jądro, to właściwie chormatyna. W jądrze występuje jąderko, czyli miejsce, w którym chromatyna jest najsilniej skręcona. W jąderku powstają rybosomy oraz rRNA. Jądro komórkowe przechowuje bardzo ważną dla organizmu informację genetyczną. Tutaj też zachodzi synteza DNA, czyli replikacja, podczas której na podstawie budowy jednej nici DNA zostaje utworzona druga dokładnie taka sama. W jądrze zachodzi też proces transkrypcji, czyli przepisywania informacji genetycznej z DNA na RNA, gdyż to właśnie RNA jest matrycą, na podstawie której budowane jest białko. Sama synteza białka, czyli translacja zachodzi w cytoplazmie. Rybosomy powstające w jąderku służą do syntezy białka.

E. Mitochondrium

Mitochondria występują w komórkach eukariotycznych. Są otoczone dwiema błonami. Jedna z nich - zewnętrzna jest przepuszczalna i przechodzi przez nią większość substancji. Druga jest wysoce selektywna. Błona wewnętrzna tworzy charakterystyczne grzebienie mitochondrialne. Mitochondrium wypełnione jest cieczą o nazwie "matrix mitochondrialne". W tych organellach zachodzą procesy oddechowe. Spalana jest glukoza, w wyniku czego powstaje duża ilość energii, magazynowanej w uniwersalnym przenośniku energii, jakim jest ATP (adenozynotrifosforan). Ilość mitochondriów występujących w komórkach jest zależna od funkcji komórki. Jeśli komórka jest wysoce aktywna, to musi mieć dużo mitochondriów do produkcji energii (ATP). Z tego też względu bardzo dużo mitochondriów występuje w komórkach mięśniowych (mięśnie wykonują ciężką i wymagająca zużycia dużej ilości energii pracę). Podobnie jest z komórkami wątroby. Nowe mitochondria dzielą się i dają początek nowy. Mówi się, że mitochondrium jest organellum o półautonomicznym (czyli półsamodzielnym). Jest tak dlatego, że posiada ono własne DNA i aparat do syntezy białka. Dzięki temu w miarę potrzeb wytwarza sobie białka, których potrzebuje. Informację na temat budowy tych białek przechowuje w swoim DNA, a syntezę białka przeprowadza przy pomocy własnej "maszynerii" translacyjnej. Jednak pomimo tego mitochondrium nie jest zupełnie samodzielne. Najważniejszym elementem komórki jest jądro komórkowe i ono steruje czynnościami życiowymi całej komórki. Mitochondrium nie posiada wszystkich genów wymaganych do syntezy wszystkich swoich białek. Niektóre z genów zawierających informacje o budowie pewnych białek mitochondrialnych zawiera jądro, dlatego też nawet mitochondrium jest w jakimś stopniu uzależnione od jądra.

Matriks i błona mitochondrium zawierają specjalne enzymy, które katalizują reakcje łańcucha oddechowego. DNA w mitochondrium jest umieszczone w matriks w luźnej (wolnej ) postaci. Nie posiada żadnych otoczek.

ATP wytworzone przez mitochondrium jest szybko zużywane na potrzeby komórki, dlatego ATP musi być ciągle produkowane. Bardzo szybko się rozpada. Energia w ATP jest zmagazynowana w wiązaniach bezwodnikowych (pomiędzy resztami fosforanowymi). Mitochondrium może się poruszać w obrębie cytoplazmy i dostarczać ATP do miejsca, gdzie jest potrzebne.

F. Plastydy

Są to organelle występujące w komórkach roślinnych, zwierzęta ich nie posiadają. Jest kilka rodzajów plastydów i każde z nich spełniają inne funkcje. Do bezbarwnych plastydów należą: leukoplasty i proplastydy, natomiast barwne są chloroplasty, etioplasty i chromoplasty. Kształt plastydów jest zazwyczaj dyskowaty. Są to organella otoczone podwójną błoną - a właściwie poprawniej jest mówić: dwiema błonami (podobnie jak mitochondrium i jądro). Proplastydy są plastydami wyjściowymi do formowania się każdego innego rodzaju plastydów. Powstają z nich chloroplasty, chromoplasty, etioplasty i leukoplasty. Obecne są w zarodkowych komórkach, w których nie powstał jeszcze żaden konkretny plastyd. Jeśli roślina będzie wzrastać w ciemności, to nie będzie ona zielona ale biała lub lekko żółta. Dzieje się tak dlatego, że nie powstają u niej chloroplasty zawierające zielony barwnik - chlorofil, ale rozwijają się etioplasty. O roślinach rosnących w ciemności mówi się, że są poddawane etiolacji. W etioplastach występuje protochlorofil, czyli nieczynny chlorofil. Jednak roślina etiolowana nabierze zielonej barwy, jeśli zaczną na nią działać promienie słoneczne. Wówczas protochlorofil przekształca się w chlorofil, a etioplasty w chloroplasty. Często można zaobserwować zjawisko etiolacji u bulw ziemniaczanych, przechowywanych w piwnicach, w stanie ciemności. Wypuszczają one pędy, które są żółte. Gdyby jednak umieścić bulwę w miejscu, do którego dociera światło słoneczne, to pędy staną się zielone.

Leukoplasty są plastydami, których zadaniem jest magazynowanie substancji zapasowych u roślin. Nie posiadają barwników. Występują w częściach roślin, które magazynują substancje zapasowe, np. w bulwach ziemniaka. Substancjami magazynowanymi w leukoplastach są zazwyczaj wielocukry, czyli w tym przypadku skrobia. Mogą jednak magazynować też białka lub tłuszcz.

Chromoplasty są plastydami barwnymi, zazwyczaj żółtymi lub czerwonymi. Zawierają barwniki karotenoidowe, takie jak żółte ksantofile oraz czerwone karoteny. Chromoplasty nadają barwę niektórym częściom roślin, np. korzeniom marchwi, ziarnom kukurydzy, skórkom owoców. Nie zawsze jednak barwa rośliny jest skutkiem gromadzenia barwników w chromoplastach. Czasem za barwę odpowiadają barwniki zgromadzone w wakuolach. Tak jest w przypadku płatów wielu kwiatów.

W jesieni, gdy liście drzew zmieniają kolor, chloroplasty przekształcają się do chromoplastów. Z liści odbierany jest chlorofil i pozostają jedynie barwniki karotenoidowe, dzięki którym liście mają żółtą lub czerwoną barwę.

Chyba największe znaczenie wśród wszystkich plastydów mają chloroplasty. To one nadają roślinom zielony kolor, gdyż zawierają zielony chlorofil. Dzięki chlorofilowi zachodzi w chloroplastach fotosynteza, czyli wytwarzanie związków organicznych ze związków nieorganicznych (z soli mineralnych i wody) przy udziale energii świetlnej. Są dwa podstawowe rodzaje chlorofilu: chlorofil a i chlorofil b. W chloroplastach towarzyszą im jeszcze inne barwniki. Są to karotenoidy, o których już wspomniano wcześniej.

Chloroplasty otoczone są dwiema błonami biologicznymi. Jedna z nich - zewnętrzna - jest przepuszczalna dla wielu substancji, natomiast wewnętrzna jest wysoce selektywna. Błona wewnętrzna tworzy charakterystyczne struktury, tzw. tylakoidy (małe pęcherzyki błonowe), ułożone jeden na drugim i tworzące grana. W błonie tylakoidów znajduje się chlorofil, tworzący charakterystyczne anteny. Wewnątrz chloroplastu znajduje się substancja (wodny roztwór) przypominająca cytoplazmę. Ciecz wypełniająca chloroplast, to stroma. Chloroplasty, podobnie jak mitochondria, posiadają własny DNA i aparat syntezy białka. Z tego też względu wykazują pewną autonomię. Są w jakimś stopniu niezależne od jądra. Jak już wspomniano, w chloroplastach zachodzi fotosynteza, w której wytwarzane są wysokoenergetyczne związki organiczne (glukoza). Wyróżnia się fazę jasną i fazę ciemną fotosyntezy. W fazie jasnej, zależnej od światła, przebiegającej w tylakoidach energia świetlna zostaje zaabsorbowana przez chlorofil znajdujący się w błonie tylakoidów. Energia świetlna przechwycona przez chlorofil zostaje przetworzona do ATP, który następnie w fazie ciemnej fotosyntezy (niezależnej od światła, przynajmniej nie bezpośrednio) zostaje wykorzystany do wytworzenia związków organicznych. Oprócz ATP powstaje też NADPH2 (również wykorzystywany w fazie ciemnej fotosyntezy). Produktem ubocznym fotosyntezy jest tlen, który zostaje uwalniany do atmosfery. Jest to bardzo ważne dla człowieka, gdyż dzięki produkcji tlenu przez rośliny ludzie i zwierzęta mają czym oddychać. Każdy, kto jest zwolennikiem masowego wycinania lasów powinien się zastanowić nad swoimi poglądami.

Faza ciemna fotosyntezy zachodzi w stromie chloroplastów. W czasie tej fazy zostaje wykorzystana woda, dwutlenek węgla i sole mineralne do budowy związków organicznych (głównie glukozy). Do tego też zużywana jest niezbędna energia ATP, który powstał w czasie jasnej fazy fotosyntezy.

7. Organelle komórkowe jednobłonowe

Retikulum endoplazmatyczne (ER) zwane inaczej siateczką wewnątrzplazmatyczną, występuje w komórce w dwóch odmianach: jako szorstka siateczka i jakogładka. Z angielskiego często określa się siateczkę szorstką jako ERR (od rough, czyli szorstkie), a gładkie jako ERS (smooth, czyli gładkie). Siateczka wewnątrzplazmatyczna gładka jest właściwie zwykłą błoną lipidową i produkuje w komórce lipidy. Siateczka wewnątrzplazmatyczna szorstka zawiera rybosomy, dlatego pod mikroskopem widoczna jest jako błonka pokryta ziarnistościami i dlatego nazywa się szorstką. Produkuje ona białka (dzięki rybosomom). ER występuje w całej cytoplazmie, tworzy przedziały komórkowe, w których przebiegają różne reakcje. To dzięki ER możliwa jest kompertmentacja komórki, czyli jej podział na charakterystyczne strefy. Tworzy mostki cytoplazmatyczne, w obrębie których odbywa się ruch cytoplazmy. Przeprowadza procesy detoksykacji (bardzo ważne w wątrobie), modyfikuje niektóre białka oraz daje początek aparatom Golgiego. Rybosomy oprócz tego, że występują w ERR, są też obecne w cytoplazmie w postaci wolnej, nie związanej z błoną ER. Składają się z dwóch podjednostek. To w rybosomach zachodzi proces translacji, czyli syntezy białka. mRNA wnika pomiędzy dwie podjednostki rybosomu, który eksponuje zawsze jedną trójkę nukleotydów i tworzy miejsce dla tRNA (antykodonu) z odpowiednim aminokwasem.

U organizmów prokariotycznych występują rybosomy 70 S (chodzi tutaj o jednostki sedymentacji), natomiast u eukariotycznych komórek 80 S.

8. Aparat Golgiego

Jest oczywiście strukturą błoniastą. Występuje w komórkach eukariotycznych. AG składa się ze stosu podłużnych cystern, od których oddzielają się małe pęcherzyki. W pęcherzykach transportowane są różne substancje. Komórka "umieszcza" w pęcherzyku substancję, która musi zostać przetransportowana i usuwa ją na zewnątrz lub przemieszcza w obrębie komórki. Cysterny tworzą diktiosomy. Diktiosomów jest w aparacie Golgiego kilka-kilkanaście. Biegun AG zwrócony do błony komórkowej jest krótszy, niż ten zwrócony w stronę środka komórki. Jest tak dlatego, że od diktiosomów położonych blisko błony komórkowej oddzielają się pęcherzyki, wskutek czego skracają się one, natomiast leżące bliżej środka komórki nie są początkowo wykorzystywane do odpączkowywania pęcherzyków. Od centrum komórki stale są dokładane nowe długie diktiosomy, tworzone z ERS, natomiast na biegunie trans-wydzielniczym AG w końcu diktiosomy zanikają. Biegun aparatu Golgiego, z którego oddzielają się pęcherzyki nazywany jest wydzielniczym (biegun trans), a przeciwległy do niego, to biegun formujący (biegun cis). Aparaty Golgiego syntetyzują różne związki chemiczne, modyfikują związki, dobudowują do białek reszty cukrowe, wytwarzają pęcherzyki służące do transportu wewnątrzkomórkowego lub pozakomórkowego. Nietrudno się domyślić, że szczególnie dużo aparatów Golgiego będzie w tych komórkach, które produkują dużo substancji wydzielanych poza komórkę. Takimi komórkami są np. komórki gruczołów dokrewnych, produkujących hormony, które muszą zostać wydalone z komórki i przeniesione do krwi, z którą są rozprowadzane.

9. Lizosomy

Są to małe pęcherzyki, posiadające jedną błonę. W pęcherzyku znajduje się ciecz o specyficznym składzie. Występują tutaj enzymy trawienne (pH zwykle 5,5). Lizisomy trawią różne substancje, dostarczając tym samym prostych związków chemicznych pochodzących z rozpadu tych substancji. W lizosomach trawione są też wirusy, które dostaną się do komórki. Jeśli komórka cierpi na braki pokarmowe, to zaczyna trawić własne struktury (organelle) i czyni to z udziałem lizosomów. Jeśli komórka jest martwa, to lizosomy w niej pękają i uwalniają tym samym swoją treść do cytoplazmy. Powoduje to trawienie komórki i jej rozpad.

Oprócz lizosomów, występują również inne tego typu pęcherzyki trawienne, np. peroksysomy, które rozkładają niektóre szkodliwe substancje w komórce.

Rośliny posiadają w komórkach glioksysomy, przekształcające tłuszcze do węglowodanów.

10. Wodniczki

Wodniczki mają jedną błonę. Są to struktury nieplazmatyczne komórki, czyli martwe. W komórkach zwierzęcych występują w dużych ilościach i są drobne. Inaczej jest u roślin. Tutaj zwykle występuje jedna duża wakuola. Wodniczki pokarmowe pobierają pokarm i trawią go. Błona otaczająca wodniczkę nazywa się tonoplastem. Większą część zawartości wodniczki stanowi woda, a resztę związki organiczne i minerały (ok. 10 %). U roślin w wakuolach często odkładają się kryształki niektórych minerałów. Tak jest np. ze szczawianem wapnia, który tworzy kryształki, nazywane druzem. W wakuolach rośliny mogą gromadzić barwniki (nadające kolor płatkom kwiatów). Mogą również gromadzić substancje zapasowe (np. ziarna aleuronowe). Także w wakuolach gromadzone są substancje trujące, odstraszające zwierzęta, powodujące zatrucia, a w mniejszych ilościach działające jako leki (digitalina - substancja nasercowa, znajdująca się w wakuolach naparstnicy purpurowej), morfina w wakuolach maku, kofeina w wakuolach ziaren kawy.

Komórki roślinne gromadzą w wakuolach substancje szkodliwe - zbędne produkty przemiany materii, gdyż nie mają żadnego systemu, który spełniałby funkcje wydzielnicze (rodzaj śmietnika wewnątrzkomórkowego).

11. Ściana komórkowa

Ściana komórkowa występuje w komórkach roślin, bakterii oraz grzybów. Nie ma jej u zwierząt. Występuje na zewnątrz komórki. Stanowi ochronę komórki, odgranicza środowisko komórkowe od środowiska zewnętrznego, chroni komórkę przed wysychaniem i uszkodzeniem. Oprócz tego nadaje komórce kształt, a cały system ścian komórkowych u rośliny pełni rolę szkieletu, gdyż nadaje roślinie sztywność, twardość, giętkość, elastyczność. W czasie podziału komórki roślinnej najpierw powstaje blaszka środkowa, tworzona przez wielocukry obu powstających komórek (głównie są to związki pektynowe). Na blaszce środkowej odkłada się ściana pierwotna (każda z nowych komórek odkłada od swojej strony warstwę ściany pierwotnej, tworzonej z celulozy, pomiędzy wiązkami celulozy znajduje się pektyna i hemiceluloza, a wszystko dopełnia woda). Ściana pierwotna ma zdolność wzrostu wraz z komórką. W końcu na ścianie pierwotnej zaczyna odkładać się ściana wtórna, która już nie rośnie i ogranicza wzrost całej komórki. Ściana może teraz ulegać wysycaniu różnymi związkami. Substancje mogą też odkładać się na powierzchni ściany. Suberynizacja, to korkowacenie ściany komórkowej, lignifikacja, to jej drewnienie. Wnikanie substancji pomiędzy struktury budujące ścianę komórkową, to inkrustacja, a odkładanie się substancji na powierzchni ściany, to adkrustacja. Ściana może też zostać powleczona kutyną (kutynizacja ściany) lub woskiem (woskowacenie). Wosk zmniejsza parowanie roślin i chroni przed atakiem zarazków. Jest nieprzepuszczalny dla wody i gazów. Komórki roślinne kontaktują się ze sobą przez otwory w ścianie komórkowej, przez które z komórki do komórki przenikają plasmodesmy, czyli cieniutki rureczki, utworzone z błony komórkowej. Poprzez plasmodesmy może zachodzić wymiana cytoplazmy pomiędzy komórkami. Komórki kontaktują się też przez jamki.

5. Komórka roślinna i komórka zwierzęca

Zarówno komórki roślin jak i zwierząt posiadają cytoplazmę, podobny jej skład, przeprowadzają wiele nieraz niemal identycznych reakcji lub przynajmniej całkiem podobnych. Komórki roślin i zwierząt dzielą się, przechowują materiał genetyczny, na podstawie którego wytwarzają odpowiednie białka, wykazują plan budowy. U jednych i u drugich występuje jądro komórkowe, czyli centrum dowodzenia. Oprócz tego posiadają retikulum endoplazmatyczne, aparat Golgiego, mitochondria. Komórki roślin i zwierząt mają taki sam mechanizm podziału komórki, taki sam sposób powielania informacji genetycznej (replikacja), ekspresję genów opartą na jednakowych zasadach (transkrypcja, translacja).

Z różnic należy wymienić obecność plastydów u roślin. Oczywiście zwierzęta nie posiadają plastydów ani nawet struktur ich przypominających. Obecność chloroplastów u zwierząt jest związana z ich zdolnością do przeprowadzania reakcji fotosyntezy, dzięki czemu są samożywne (są autotrofami). Zwierzęta nie posiadają chloroplastów i nie potrafią same wytwarzać sobie pokarmu, lecz muszą go pobierać z otoczenia. U roślin występuje zazwyczaj duża wakuola, a u zwierząt jest dużo drobnych wodniczek. Inna jest też funkcja wodniczek u roślin i zwierząt. U tych pierwszych wodniczki są miejscem składowania odpadów komórkowych, gromadzenia barwników, substancji zapasowych, substancji trujących (garbników). Komórki roślinne posiadają ścianę komórkową, podczas gdy komórki zwierzęce tylko błonę. Inaczej przebiega podział komórki u roślin, a inaczej u zwierząt. Komórki roślinne nie mają centriol, podział komórki następuje poprzez powstawanie przewężenia na środku komórki, współdziała w tym aparat Golgiego. Komórki zwierzęce mają centriole i mikrotubule, które przeciągają chromosomy do nowo powstających komórek. Za przewężenie komórkowe w czasie podziału odpowiadają elementy cytoszkieletu.

6. Komórka eukariotyczna i komórka prokariotyczna

Jak już wspomniano, komórki eukariotyczne nie posiadają jądra, natomiast komórki eukariotyczne posiadają jedno jądro. Związki budujące komórki eu- i prokariontów są właściwie takie same. Każda komórka ma takie same potrzeby. Wszystkie komórki aby żyć, muszą się odżywiać, muszą oddychać, rozmnażać się, przeprowadzać różne skomplikowane reakcje biochemiczne. Jednakowy jest sposób zapisywania informacji genetycznej. DNA jest nośnikiem tej informacji. Do prokariotycznych organizmów zaliczamy przede wszystkim bakterie. Wielkość komórek bywa różna. Komórki zwierzęce mają na ogół kilkadziesiąt mikrometrów długości, a bakterie mają kilka mikrometrów, dzięki czemu potrafią infekować komórki eukariotyczne (wnikają do nich). U bakterii nić DNA umiejscowiona jest w cytoplazmie, nie ma jądra. Jest tylko obszar jądrowy (w którym wyraźnie widać duże ilości materiału genetycznego) nazywany genoforem. DNA bakterii określa się mianem nukleoidu. Organizmy prokariotyczne posiadają zwykle sztywną otoczkę, bardzo wytrzymałą. Komórki eukariotyczne nie posiadają takich otoczek.

Pomimo, że organizmy prokariotyczne wydają się być bardziej prymitywne od eukariotycznych, to radzą sobie nieźle i żyją dłużej na Ziemi. Często też atakują komórki eukariotyczne i szkodzą im. Potrafią przetrwać w warunkach, w jakich żaden inny organizm nie potrafi.

Cykl komórkowy

Każda nowa komórka powstaje z komórki już istniejącej w wyniku podziału komórkowego. Z jednej komórki mogą powstawać dwie komórki potomne w czasie mitozy lub cztery w czasie mejozy, która jednak jest podziałem redukcyjnym i zachodzi rzadko.

Jeśli jednak komórka dzieli się na dwie, to oczywiste jest, że dwie nowe komórki są o połowę mniejsze od wyjściowej (macierzystej). Muszą więc rosnąć, aby osiągnąć jej rozmiary. Kiedy już urosną, stają się zdolne do podziału. W taki sposób życie trwa od setek tysięcy lat. Przypuszcza się, że wszystkie żyjące organizmy pochodzą od jednej wspólnej komórki.

Niektóre komórki po osiągnięciu pewnych rozmiarów tracą zdolność do podziału.

Cykl komórkowy, to przebieg jej życia, od momentu powstania (podziału) do następnego podziału. Komórki dzielą się z różną częstotliwością. Najszybciej w organizmie człowieka dzielą się komórki jelita (co 12 godzin). Inne natomiast rzadko (komórki wątroby dzielą się co 6 miesięcy, dlatego tak trudno zregenerować wątrobę, która uległa wyniszczeniu wskutek choroby czy zatrucia i objawy uszkodzenia dają o sobie znać przez długi czas). Cykl komórkowy dzieli się na mitozę (podział jądra komórkowego) oraz cytokinezę (podział cytoplazmy i struktur w niej zawartych). Najważniejsza jest oczywiście mitoza, która dzieli się na etapy. Podział jądra komórkowego nazywany jest mitozą, a cytoplazmy - cytokinezą. Oba te podziały nazywane są fazą M cyklu komórkowego. Cała reszta cyklu komórkowego (od fazy M do kolejnej fazy M) nazywana jest interfazą. W czasie interfazy komórka przygotowuje się do następnego podziału (interfaza składa się z fazy G1, S, oraz G2). Mitozę dzieli się na pięć etapów. Pierwszy z nich, to profaza. W czasie profazy chromosomy (które zostały wcześniej zreplikowane, czyli doszło do podwojenia ilości materiału genetycznego) ulegają zjawisku kondensacji, czyli znacznego zagęszczenia (zwinięcia) DNA. Poza jądrem w tym czasie powstaje wrzeciono mitotyczne. Następnym etapem jest prometafaza, w czasie której rozpada się otoczka jądrowa i mikrotubule wiążą się z chromosomami. W czasie metafazy wrzeciono mitotyczne umieszcza wszystkie chromosomy w jednej linii w centrum komórki (tworzy się tzw. płytka metafazowa). W anafazie mikrotubule rozdzielają od siebie chromatydy siostrzane (powstałe poprzez replikację chromosomów) i przeciągają je do przeciwległych biegunów komórki (czy raczej do dwóch powstających komórek). W ostatnim stadium, czyli w telofazie odtworzona zostaje otoczka jądrowa wokół przeciągniętych do przeciwległych biegunów chromatyd (od tej pory zwanych chromosomami). Tak więc na przeciwległych biegunach komórki są jądra. Teraz dochodzi do podziału cytoplazmy. Tak powstają dwie nowe komórki (stara komórka została całkiem zużyta na dwie nowe). Każda z nowych komórek przechodzi teraz w fazę G1 (G od ang. słowa "gap", czyli przerwa), w której komórka odpoczywa i przygotowuje się do podwojenia ilości materiału genetycznego. Następnie zaczyna się faza S (synthesis, czyli synteza, produkcja), w której komórka podwaja ilość DNA. Po fazie S następuje faza G2 (znowu odpoczynek). Jeśli istnieją odpowiednie warunki do rozpoczęcia fazy M, to komórka wchodzi w fazę M. Fazy G1, S, i G2, to interfaza. Mitoza jest podziałem komórek somatycznych. Wskutek mitozy powstają dwie komórki identyczne, jak macierzysta. Najważniejsza jest ilość materiału genetycznego, która nie zmienia się.

Mejoza jest podziałem redukcyjnym komórki, czyli takim, w którym ilość materiału genetycznego w powstających komórkach jest mniejsza o połowę. Właściwie mejoza składa się z dwóch podziałów, a nie jednego. Mejoza służy wytwarzaniu gamet, które muszą mieć o połowę mniej materiału genetycznego, niż komórki somatyczne, gdyż łączą się ze sobą (gameta męska i żeńska). Gdyby nie było podziału redukcyjnego, to u organizmów rozmnażających się płciowo powstawałby przy każdym zapłodnieniu nowy organizm dwa razy większej ilości chromosomów, niż jego rodzice. Człowiek ma 46 chromosomów w każdej komórce.

Cytokineza i kariokineza występuje w jednym i drugim podziale mejotycznym. W czasie interfazy poprzedzającej podział redukcyjny dochodzi do podwojenia ilości DNA. Podział redukcyjny ma następujący przebieg:

1.profaza I składa się z pięciu stadiów:

a. leptoten - z chromatyny wyodrębniają się chromosomy

b. zygoten - chromosomy homologiczne łączą się ze sobą i tworzą biwalenty, chromosomy homologiczne są identyczne pod względem kształtu i wielkości; zawierają nośniki (czyli geny) tych samych cech, z tym, że jeden pochodzi od ojca, a drugi od matki

c. pachyten - chromosomy dzielą się podłużnie na dwie chromatydy, wskutek tego powstają tetrady; chromosomy ulegają skróceniu i zgrubieniu

d. diploten - pomiędzy chromatydami niesiostrzanymi chromosomów homologicznych może dochodzić do wymiany odcinków, co nazywa się crossing-over; jest to bardzo ważne zjawisko dla zwiększania różnorodności genetycznej organizmów

e. diakineza - zanika błona jądrowa i jąderka, dochodzi do maksymalnej spiralizacji chromosomów w biwalentach; powstaje też wrzeciono kariokinetyczne

W metafazie I pary chromosomów homologicznych zajmują miejsce w centrum komórki.

W anafazie I do każdego bieguna komórki trafia jeden cały chromosom (zbudowany z dwóch chromatyd, oczywiście dotyczy to każdego chromosomu).

W telofazie I powstają dwa jądra. Teraz zachodzi drugi podział mejotyczny, który jest bardzo podobny do mitozy.

W profazie II, która jest krótka, dochodzi do zgrubienia chromosomów, zaniku jąderek i pękania otoczek jądrowych.

W metafazie II mikrotubule ustawiają chromosomy w obrębie płytki metafazowej, zaczynają się też rozrywać centromery. Gdy zostanie rozerwany ostatni centromer, to kończy się metafaza II.

W anafazie II do dwóch leżących naprzeciw siebie biegunów odciągane są połówki wszystkich chromosomów (chromatydy lub, jak kto woli, nowe chromosomy). W przypadku człowieka do każdego bieguna w anafazie II trafiają 23 chromosomy, a u muszki owocowej 4.

W telofazie II przy każdym z czterech zestawów chromosomów zostaje odtworzona otoczka jądrowa. Wykształcają się jąderka, a chromosomy ulegają relaksacji, czyli rozluźnia się zbite DNA. Powstałe dwie nowe komórki dzielą się na następne dwie, w wyniku czego powstają ostatecznie cztery komórki haploidalne.

2

---