Komórka (
łac.
cellula) – najmniejsza strukturalna i funkcjonalna jednostka
organizmów żywych
zdolna do przeprowadzania wszystkich podstawowych
procesów życiowych
(takich jak
przemiana materii
,
wzrost
i
rozmnażanie
). Jest podstawową jednostką morfologiczno-czynnościową ustroju.
Komórkę stanowi przestrzeń ograniczona
błoną komórkową
. U większości
prokariontów
,
roślin
,
grzybów
i niektórych
protistów
dodatkowo, od strony zewnętrznej, występuje niewykazująca metabolizmu ani własnych mechanizmów wzrostowych[1] struktura –
ściana komórkowa
. Wewnątrz tej przestrzeni znajduje się tzw.
protoplazma
oraz szereg wewnętrznych
organelli
pełniących rozmaite funkcje życiowe komórki. Występowanie w komórce
jądra
jest podstawą podziału organizmów na
jądrowe
(eukarionty,
łac.
Eucaryota) i
bezjądrowe
(prokarionty, akarionty,
łac.
Procaryota), choć faktycznie różnice w budowie komórki tych grup dotyczą nie tylko obecności jądra komórkowego.
Komórki różnych organizmów wykazują znaczne różnice, zarówno morfologiczne jak i biochemiczne. Mogą one stanowić samodzielny
organizm jednokomórkowy
lub być elementem składowym
organizmu wielokomórkowego
.
Budowy komórkowej nie mają
wirusy
, i w związku z tym nie wykazują oznak życia poza komórkami żywicieli (i zgodnie z obecnymi poglądami systematycznymi nie są klasyfikowane, jako
organizmy żywe
).
Pojęcia komórki po raz pierwszy użył
Robert Hooke
w
1665
roku.
Skład chemiczny komórek
Komórki organizmów żywych zawierają kilka rodzajów związków chemicznych o różnej strukturze i właściwościach. Zawartość[2] tych związków może być różna u poszczególnych grup organizmów. Różnice te widoczne są nawet na poziomie
gatunków
, czy niższych
taksonów
.
Największą masę w komórce stanowi
woda
, nawet do 90%. To ona stanowi środowisko reakcji biochemicznych, a także czasami jest ich
substratem
lub
produktem
. Zawartość pozostałych związków podaje się najczęściej z pominięciem masy wody - w przeliczeniu na suchą masę komórki.
40-60% suchej masy stanowią
białka
, które pełnią różne funkcje, od budulcowej, poprzez regulacyjną,
katalityczną
, transportową i wiele innych. Elementem budulcowym białek są
aminokwasy
. Znane są dwie
izomeryczne
formy aminokwasów (poza
glicyną
[3]), które różnie skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego: D i L, ale tylko L-aminokwasy wchodzą w skład białek. W niektórych białkach do aminokwasów dołączone są inne związki, co nadaje im specyficzne właściwości. Na przykład
hemoglobina
- składnik krwinek czerwonych wiążący m.in. tlen, to białko zawierające barwnik -
hem
.
Aminokwasy budują także związki mniejsze niż białka –
peptydy
i
polipeptydy
. Pełnią one różne funkcje, są
hormonami
, naturalnymi antybiotykami niektórych mikroorganizmów, itd. Pełniąc podobne funkcje aminokwasy mogą występować też w formie pojedynczych cząsteczek. Peptydy i polipeptydy, jak i wolne aminokwasy mogą zawierać/być D-izomerami[4].
Kwasy nukleinowe
,
DNA
i
RNA
, odgrywają najważniejszą rolę w
przekazywaniu informacji genetycznej
oraz
biosyntezie białek
. Wyjątkami są niektóre
RNA
, które nie biorą udziału w przekazywaniu informacji genetycznej, pełnią za to funkcję budulcową, wchodząc w skład
rybosomów
–
rRNA
, czy też transportującą –
tRNA
, albo enzymatyczną –
snRNA
.
Węglowodany
pełnią głównie funkcję energetyczną i zapasową, ale jako motywy, służą do modyfikacji innych klas związków (
glikozylacja
), co jest podstawą procesów regulacyjnych, transportowych, komunikacji i przekazywania sygnału.
Lipidy
stanowią podstawę strukturalną
błon biologicznych
, ale ta szeroka klasa związków uczestniczy także w prawie każdym procesie komórkowym, jak regulacja, transport, komunikacja, przekazywanie sygnału, metabolizm (
tłuszcze
, klasa lipidów, są materiałem zapasowym i źródłem energii) i wielu innych.
Komórki mogą wytwarzać lub zawierać także związki innych grup. Mogą to być
witaminy
,
barwniki
,
alkaloidy
, itp. Pełnią one różnorodne funkcje.
Do najważniejszych
pierwiastków
budujących związki chemiczne wchodzące w skład komórek należą:
tlen
(wchodzi w skład m.in. cząsteczek wody; stanowi 65% masy człowieka),
węgiel
(jest rusztowaniem w związkach organicznych, stanowi 18% masy człowieka),
wodór
(10% masy człowieka),
azot
(3% masy człowieka) oraz inne pierwiastki (
Ca
,
P
,
K
,
S
,
Na
,
Mg
,
Cl
,
Fe
,
I
,
Mn
,
Cu
,
Zn
,
Co
,
F
,
Mo
,
Se
itd.), których masa u człowieka nie przekracza 2% masy całkowitej.
Powstanie komórek
Prekambryjskie
stromatolity, takie jak te na zdjęciu z
Parku Narodowego Glacier
, powstały w wyniku osadzania się komórek prokariotycznych i wysalania ich solami mineralnymi. Są one dowodem, że w tej erze istniały już komórki.
Wg jednej z teorii pochodzenia życia na Ziemi, pierwsze komórki powstały ponad 4 mld lat temu najprawdopodobniej w wyniku połączenia się ze sobą
związków organicznych
. Zanim jednak do tego doszło, musiały powstać podobne agregaty, które nie wykazywały w ogóle albo wykazywały tylko niektóre cechy
istot żywych
. Te pierwsze określa się jako
proteinoidy
, zaś drugie jako protobionty. Sądzi się, że pierwsze twory z możliwością do samopowielania, tzw. prakomórki, pojawiły się ok. 4 mld. lat temu w okresie
archaiku
.
Alternatywna, mniej popularna koncepcja powstania życia na Ziemi –
teoria panspermii
– zakłada, że na Ziemi nie doszło do powstania komórek z materii nieożywionej, a zostały one przyniesione z pyłem kosmicznym z innej planety w postaci przetrwalników prokariontów.
Sposób powstania pierwszych komórek nie jest jednoznacznie ustalony. Pewnym jest natomiast, że pierwsze komórki były komórkami bezjądrowców (Procaryota). Wiek najstarszych skamieniałości takich komórek datuje się na 3,1-3,4 mld. lat.
Nie znana jest także dokładna droga ewolucji procesów wewnątrzkomórkowych. Nie wiadomo, czy pierwsze było
dziedziczenie
, czy
metabolizm
, niemniej pewnym jest że to właśnie te procesy były krokami milowymi między martwą materią, a
życiem
.
Powstanie komórek eukariotycznych
Komórki eukariotyczne pojawiły się na Ziemi później niż prokariotyczne. Najstarsze odkryte wykopaliny komórek jądrowych datowane są na 1,7 mld. lat. Niemniej, nie jest jasne w jaki sposób one powstały.
Najpopularniejszą koncepcją tłumaczącą pojawienie się Eucaryota jest
teoria endosymbiozy
, w myśl której komórka eukariotyczna powstała z komórki prokariotycznej, która
pochłonęła
i nie strawiła innej Procaryota. Grupa tych organizmów początkowo weszła w ścisłą zależność
mutualistyczną
, później przekształcając się w
organella
takie jak
plastydy
i mitochondria.
Aby mogło do tego dojść konieczne było, aby "komórka pochłaniająca" nie posiadała ściany komórkowej, która uniemożliwia fagocytozę (wchłonięcie dużych tworów, takich jak całe komórki). Pozbycie się "pierwotnej" ściany tłumaczy także, dlaczego komórki zawierające jądro osiągają większe rozmiary. Bardzo możliwym jest, że sieć wewnętrznych błon
siateczki śródplazmatycznej
powstała na skutek ruchu wewnątrz komórki pochłoniętego pokarmu. Kluczowym procesem powstania prostych, jednokomórkowych Eucaryota była
endosymbioza
bakterii
cudzo
-, jak i
samożywnych
, które później przekształciły się, zgodnie z tą teorią, w mitochondria i plastydy (np.
chloroplasty
). Na poparcie tej teorii przytacza się fakt, że struktury te posiadają własny
DNA
.
Teoria ta, choć najpopularniejsza, nie jest jednak doskonała. Nie tłumaczy ona wielu kwestii, m.in. nie mówi w jaki sposób doszło do powstania
jądra komórkowego
.
Budowa komórki
Budowa komórki prokariotycznej
Rozmiary komórek prokariotycznych są kilkukrotnie mniejsze od rozmiarów komórek eukariotycznych. Wynoszą one zwykle od 0,5
μ
m
do 10 μm. Stosunek powierzchni "typowej" komórki akariotycznej do komórki tkankowej ma się mniej więcej jak 1:1500.
Kształt komórek prokariontów nie jest bardzo zróżnicowany – zwykle jest on kulisty lub nitkowato wydłużony, rzadziej poskręcany (jak u
krętków
), czy rozgałęziony (jak u
maczugowców
,
prątków
itd.). Część z prokariontów tworzy w wyniku niezupełnego rozdziału komórek po
amitozie
zgrupowania kilku komórek, jak np.
dwoinki
,
gronkowce
,
paciorkowce
itd.
Ściana komórkowa
Kształt komórki determinuje
ściana komórkowa
, która dodatkowo chroni komórkę przed pęknięciem w wyniku zwiększonego napływu wody do jej wnętrza. U
bakterii właściwych
(czyli także
sinic
) zbudowana jest z
biopolimeru
peptydowo-wielocukrowego –
mureiny
, zaś u
archeanów
(archeabakterii) głównym jej składnikiem jest pseudomureina lub białka ułożone w tzw. warstwę S. Część archeanów i wszystkie mikoplazmy (grupa bakterii) nie posiadają ściany komórkowej.
U bakterii grubość ściany komórkowej warunkuje, jaki będzie rezultat
barwienia metodą Grama
i de facto jest podstawą klasyfikacji bakterii na
Gram-dodatnie
i
Gram-ujemne
. Te pierwsze (G+) mają ścianę o grubości 15-50
nm
, zaś drugie (G-) kilkukrotnie cieńszą, 2-10 nm. Różnica ta pociąga za sobą także odmienności w fizjologii i wrażliwości na
leki
między obiema grupami bakterii.
Otoczka
Większość bakterii żyjących w glebie, wodzie lub
pasożytujących
wytwarza śluzowate
otoczki
, pod względem chemicznym zbudowane z
wielocukrów
lub z białek (często
glikozylowanych
). Otoczka taka pełni funkcję ochronną przed wyschnięciem oraz, u pasożytów, uniemożliwia związanie białek powierzchniowych bakterii przez
receptory
komórek żernych
i zarazem
fagocytozę
zarazka
[5].
Rzęski
Występujące u mikroorganizmów
rzęski
– różniące się budową od rzęsek występujących u Eucaryota – umożliwiają ruch, zaś
fimbrie
pozwalają
przylegać
do komórek zwierzęcych (np. w celu zainfekowania ich) lub uczestniczyć w jednym z procesów parapłciowej wymiany informacji genetycznej między różnymi osobnikami tego samego gatunku, tzw.
koniugacji
. Rzęski składają się ze spiralnie skręconych włókien
flageliny
, zaś fimbrie z cienkich delikatnych białkowych rurek sterczących z cytoplazmy.
Błona komórkowa
Błona komórkowa
zbudowana jest z dwóch warstw
fosfolipidów
oraz zakotwiczonych w nich
białek
– jest to typowy dla wszystkich organizmów model budowy błony plazmatycznej. W stosunku do jądrowych odmienny jest
skład chemiczny
błony: u akariontów dominują nasycone
kwasy tłuszczowe
(rzadkie u Eucaryota) oraz nie występuje
cholesterol
(pomijając
aparat fotosyntezy sinic
). U
Archea
błona komórkowa zbudowana jest zupełnie inaczej; obecne są w niej
etery
kwasów tłuszczowych przy jednoczesnym braku
fosfolipidów
, często też występuje tylko jedna pojedyncza warstwa dimerów tych eterów[6].
U bakterii gramdodatnich błona cytoplazmatyczna występuje jedynie po wewnętrznej stronie, zaś u gramujemnych po obu stronach ściany komórkowej.
Błona komórkowa jest niezbędna do przeżycia mikroorganizmu. Odpowiada za pobieranie wody,
soli mineralnych
i pokarmu, wydzielanie substancji na zewnątrz (np.
enzymów trawiennych
), odbieranie
bodźców
ze środowiska zewnętrznego oraz procesy metaboliczne komórki. Możliwe jest to dzięki zespołom białek transporterów cząstek pokarmu, przenośników elektronów, białek systemu
sekrecji
, itd.
Cytoplazma i genofor
Przestrzeń ograniczoną błoną wypełnia
cytoplazma
(cytozol). Jest to
układ koloidalny
białek zawieszonych w roztworze wodnym, także białek katalizujących reakcje biochemiczne komórki (
enzymów
).
Materiał genetyczny
stanowi kolisty[7], dwuniciowy
DNA
, zwany
genoforem
, nukleoidem lub chromosomem bakteryjnym. DNA komórki nie jest, w przeciwieństwie do Eucaryota, osłonięty błoną i pływa dość swobodnie w
cytoplazmie
(rzadkością jest, że genofor związany jest z błoną komórkową). Genofor zajmuje stosunkowo małą powierzchnię do swojej długości w wyniku silnego poskręcania stabilizowanego przez białka histonopodobne lub, u Archea, przez
histony
. Częstym jest, że oprócz nukleoidu w komórce mikroorganizmów występują znacznie mniejsze, również koliste cząsteczki DNA zwane
plazmidami
, które warunkują dodatkowe cechy, jak na przykład
oporność na antybiotyki
, czy zdolność wytwarzania toksyn. Plazmidy mogą być przekazywane na komórki potomne lub na inne komórki w procesach
koniugacji
,
transformacji
i
transdukcji
, czego konsekwencją jest przekazanie zakodowanych w plazmidzie właściwości.
Rybosomy
Gęsto rozsiane w komórce
rybosomy
zbudowane są, podobnie jak u jądrowych, z
RNA
[8]. Morfologicznie także składają się z większej i mniejszej podjednostki, które łączą się ze sobą po przyłączeniu mRNA do kompleksu inicjującego[9]. Stanowią miejsce syntezy
białek
.
Podjednostka mniejsza ma
stałą sedymentacji
30S, zaś duża 50S. Współczynnik sedymentacji całego rybosomu wynosi 70S (dla porównania, u Eucaryota wynosi 80S).
Chromatofor
Aparat
fotosyntezy
–
chromatofor
– występuje u sinic (cyjanobakterii) i niektórych
Proteobacteria
. U proteobakterii chromatofor ma formę kulistych lub jajowatych tworów zawierających
chlorofil b
, zwany bakteriochlorofilem, oraz różne
pigmenty karetonoidowe
. U cyjanobakterii chromatofory, zwane tutaj także
tylakoidami
, mają kształt dysków i zawierają
chlorofil a
oraz
fikoerytrynę
i
fikocyjaninę
(
fikobiliny
). U tych grup różny jest oprócz budowy aparatów fotosyntezy także jej przebieg.
Pozostałe elementy komórkowe u prokariontów
U niektórych bakterii (kolejno:
laseczek
,
promieniowców
i
bakterii śluzowych
) występują czasem w komórkach
endospory
,
konidia
lub mikrocysty pełniące funkcję form
przetrwalnych
. Są to twory spoczynkowe, pozwalające przeżyć niekorzystne warunki środowiska.
Budowa komórki eukariotycznej
- Uwaga: w opisie najczęściej pominięto królestwo
Protista
ze względu na polifiletyczny charakter tego taksonu. Najczęściej uwagi dotyczące roślin dotyczą także "
protistów roślinnych
" , zwierząt – "
prostistów zwierzęcych
", grzybów – "
protistów grzybopodobnych
".
Komórki eukariotyczne są większe od prokariotycznych – średnio ich długość mieści się w granicach 10-100 μm. Część komórek Eucaryota jest jednak jeszcze większa, jak np.
jaja
, czy niektóre
neurony
.
Kształt komórki u
roślin
i
grzybów
determinuje
ściana komórkowa
, zaś u
zwierząt
– organizmów, które nie posiadają ściany komórkowej – głównie środowisko zewnętrzne (zwłaszcza
ciśnienie osmotyczne
).
Ściana komórkowa
Ściana komórkowa grzybów zbudowana jest najczęściej z
chityny
(rzadziej z celulozy i innych związków), zaś roślin z włókien
celulozowych
tworzących
mikrofibryle
zatopione w macierzy. Macierz ta składa się głównie z wody,
hemiceluloz
,
pektyn
i białek.
U roślin, wraz z wiekiem, zmieniają się skład i właściwości ściany komórkowej. Tzw. ścianę pierwotną, pojawiającą się w komórce roślinnej zaraz po jej powstaniu, cechuje duża wytrzymałość na rozciąganie oraz stosunkowo duża zawartość wody. Często pierwotna ściana roślin jest cienka, choć nie jest to regułą. W momencie zakończenia wzrostu komórki, między
protoplastem
(żywą częścią komórki, czyli błoną i organellami), a ścianą pierwotną, powstaje Ściana wtórna. Cechuje ją mniejsza zawartość wody, a większa celulozy i hemiceluloz oraz odporność na ściskanie i inne bodźce mechaniczne. Często jest gruba, choć to także nie jest regułą. Wtórna ściana komórkowa roślin może ulegać różnym modyfikacjom, jak np.
inkrustacja
.
Błona komórkowa i mechanizmy poruszania się komórek
Błona komórkowa
(plazmolemma) otacza całą komórkę. U eukariontów posiadających ścianę komórkową zawsze występuje po stronie wewnętrznej tej ściany. Plazmolemma zbudowana jest podobnie, jak u bakterii właściwych: składa się z dwóch warstw fosfolipidów oraz zanurzonych w nich białek. W budowie lipidów błonowych komórek jądrowców dominują nienasycone kwasy tłuszczowe. Znaczny (5-25%) jest także udział cholesterolu[10].
Białka zanurzone w plazmolemmie pełnią funkcje
receptorów
,
białek kanałowych
, czy enzymatycznych, które odpowiadają za pobieranie wody, soli mineralnych i substancji odżywczych, wydzielanie substancji na zewnątrz (np.
produktów przemiany materii
), obieranie bodźców ze środowiska zewnętrznego, itd. Ponadto struktury białek wraz z skoordynowanymi innymi cząsteczkami, tak zwany
glikokaliks
, komórkom bardziej złożonym organizmów nadaje tożsamość antygenową, co warunkuje m.in. występowanie różnych
grup krwi
[11].
W niektórych komórkach zwierzęcych, jak
miocyty
i
neurony
zmiany potencjału elektrycznego błony pozwalają na przewodzenie impulsów nerwowych w odpowiedzi na
bodźce
, co jest podstawą działania
układów nerwowego
i
mięśniowego
..
U części protistów (np.
Amoeba spp.
), jak i niektórych komórek zwierzęcych (jak np. amebocyty
gąbek
, czy ssacze
neutrofile
i
monocyty
) przelewanie cytoplazmy powodujące uwypuklanie błony umożliwia przemieszczanie się tych komórek. Nazywane jest to
ruchem pełzakowatym (ameboidalnym)
. Ruch ten jest możliwy dzięki występowaniu w komórkach
cytoszkieletu
.
Występowanie
wici
i
rzęsek
na powierzchni komórek także umożliwia ruch w środowisku wodnym. Wici występują zwykle pojedynczo i są znacznie dłuższe od rzęsek występujących bardzo licznie wokół całej komórki. Obie struktury zbudowane są podobnie, z
mikrotubul
. W "trzonku" mikrotubule tworzą dublety, dziewięć ułożonych okrężnie i jeden w centrum. Tworzy to tzw. strukturę 9+2. U podstawy rzęsek i wici znajduje się
kinetosom
(homologiczny do centrioli) zbudowany z 9 ułożonych okrężnie trypletów mikrotubul (struktura 9x3).
Zasada działania wici polega na uderzaniu w wodę i wywoływaniu fali, która powoduje przemieszczenie komórki. Rzęski natomiast pracują w podobny sposób jak
wiosła
.
Rzęski u bardziej złożonych zwierząt mogą pełnić także inne funkcje, np. u ssaków oczyszczają powietrze w jamie nosowej zatrzymując pyły na swojej powierzchni.
Siateczka śródplazmatyczna i aparat Golgiego
Wewnątrz błony komórkowej znajdują się organella oraz
cytozol
(cytoplazma). Cytoplazma, podobnie jak u Procaryota, jest białkowym koloidem. Charakter koloidalny pozwala na utrzymywanie w cytoplazmie organelli ponad spodnią powierzchnią błony komórkowej, tak jakby organella były zawieszone w komórce.
Retikulum endoplazmatyczne
(siateczka śródplazmatyczna, ER) i błony organelli wyznaczają wewnątrz komórki oddzielone od siebie przestrzenie (kompartmenty), dzięki czemu możliwe jest wytworzenie i utrzymywanie różnych warunków w różnych przestrzeniach tej samej komórki, a co za tym idzie – przeprowadzania w jednym czasie wielu procesów wymagających odmiennych warunków reakcji.
Pod względem budowy, błony te są podobne do plazmolemmy. Najważniejsze różnice dotyczą tego, że są one cieńsze, zawierają więcej białek, a znacznie mniej cholesterolu oraz nie zawierają
glikokaliksu
.
Samo retikulum endoplazmatyczne jest zróżnicowane – wyróżnia się dwie jego formy: jedną zawierającą ziarnistości (
siateczka śródplazmatyczna szorstka
) i drugą ich pozbawioną (
siateczka śródplazmatyczna gładka
). ER gładkie występuje w postaci kanalików, zaś szorstkie w postaci cystern. Stosunek ilościowy między ER szorstkim, a gładkim jest zmienny i zależy od stanu czynnościowego komórki.
ER gładkie jest miejscem biosyntezy
lipidów
, przemian
sterydów
, gromadzenia jonów wapniowych Ca2+[12] oraz
detoksykacji
trucizn,
leków
, itd.[13] Od błon siateczki śródplazmatycznej gładkiej mogą oddzielać się
pęcherzyki
, które przekształcają się w
wakuole
i mikrociała. Retikulum zapewnia transport substancji pokarmowych w cytoplazmie oraz wytwarza
lizosomy
, które biorą udział w rozkładzie produktów pokarmowych przenikających do komórek. U roślin utrzymuje ponadto kontakt pomiędzy sąsiednimi komórkami.
Na zewnętrznej powierzchni siateczki śródplazmatycznej szorstkiej występują
rybosomy
(widoczne w mikroskopie jako ziarnistości). Są one, podobnie jak u bezjądrowych, zbudowane z dwóch podjednostek, mają taki sam skład chemiczny (
rRNA
i białka zasadowe) oraz pełnią taką samą funkcję (są miejscem
biosyntezy białek
), niemniej różnią się od nich wielkością. U Eucaryota współczynnik sedymentacji całego rybosomu (znajdującego się na ER) wynosi 80S, jego małej podjednostki 40S, dużej – 60S.
W cytoplazmie znajdują się także rybosomy wolne - nie związane z błonami. Z grubsza można przyjąć, że rybosomy z siateczki śródplazmatycznej produkują polipeptydy wydzielane na zewnątrz lub wbudowywane w błonę komórkową, zaś rybosomy wolne syntezują białka nieopuszczające komórki.
Rybosomy w komórkach
jądrowców
występuję także w mitochondriach i plastydach. Mają one jednak współczynnik sedymentacji typowy dla Procaryota, co być może świadczy o słuszności
teorii endosymbiozy
.
Rozpoczęcie biosyntezy białek wymaga, podobnie jak u Procaryota, przyłączenia dużej jednostki rybosomu do małej, tworzącej wraz z mRNA i tRNAMet kompleks inicjujący, z tą różnicą że inicjatorowy tRNAMet zawiera niezmodyfikowaną metioninę.
Inną, poza retikulum endoplazmatycznym, błoniastą strukturą komórki jest zlokalizowany najczęściej w pobliżu jądra
aparat (układ) Golgiego
. Jest on zbudowany z grup spłaszczonych cystern wraz z odpączkowującymi od nich pęcherzykami (co stanowi tzw.
diktiosomy
) i odpowiada głównie za modyfikację białek i procesy ich segregacji, transportu do innych organelli lub wydzielania na zewnątrz. Powierzchnię odpowiedzialną za syntezę nazywa się mianem cis, zaś tę odpowiadającą za dojrzewanie i sortowanie – trans.
Mitochondria
Schemat budowy mitochondrium
Mitochondria
, organella odpowiedzialne za
oddychanie komórkowe
, zbudowane są z dwóch błon, zewnętrznej i wewnętrznej. Błona wewnętrzna jest silnie pofałdowana (wyróżnia się wpuklone części błony, tzw. grzebienie mitochondrialne), dzięki czemu zwiększona jest powierzchnia reakcji biochemicznych (zwłaszcza procesu utleniania końcowego, zwanego także nieformalnie
łańcuchem oddechowym
). Przestrzeń międzybłonową, często bardzo wąską, wypełnia cytoplazma, zwana tutaj
macierzą mitochondrialną
(matrix mitochondrialnym), w której także zachodzą reakcje oddychania komórkowego:
reakcja pomostowa
oraz
cykl Krebsa (kwasów trikarboksylowych)
.
W macierzy mitochondrialnej znajdują się rybosomy (70S) oraz
mtDNA
, czyli
DNA
niezależny od jądrowego. Pozwala to na przyrost liczby mitochondriów w wyniku namnażania zbliżonego do podziałów u wolno żyjących Procaryota.
Mitochondria mają kształt kulisty lub wydłużony. W komórkach występują licznie, często jest ich kilkaset tysięcy sztuk. U kręgowców, liczność mitochondriów jak i grzebieni mitochondrialnych regulowana jest
hormonalnie
poprzez hormony tarczycy:
tyroksynę
i
trijodotyroninę
.
Plastydy
W komórkach roślinnych znajdują się także niewystępujące u zwierząt
plastydy
. Jedne z nich, zwane
chloroplastami
, są miejscem w którym zachodzi reakcja
fotosyntezy
polegająca na wytworzeniu cukrów ze związków nieorganicznych, z wykorzystaniem energii świetlnej.
Chloroplasty (ciałka zieleni) są otoczone dwiema błonami o różnej przepuszczalności, które otaczają
stromę
wypełniającą wnętrze chloroplastu. Błona zewnętrzna dobrze przepuszcza
jony
. Wewnętrzna błona jest natomiast słabo przepuszczalna i tworzy liczne woreczki (zwane
tylakoidami
), które ułożone jeden na drugim budują struktury zwane granami. W granach znajduje się
chlorofil
, aktywny barwnik, biorący udział w zależnej od światła fazie fotosyntezy[14].
Wnętrze chloroplastu wypełnia stroma. W jej skład wchodzą m.in. niewielkie ilości
DNA
,
enzymy
biorące udział w fotosyntezie oraz
rybosomy
(70S), które biorą udział w produkcji białek. Stroma tylakoidów jest miejscem, gdzie zachodzą reakcje produkcji glukozy (
cykl M. Calvina
, nazywany czasem fazą światłoniezależną[15]).
Rozmiary chloroplastów są dość zróżnicowane, najczęściej jest tak że rośliny bardziej zaawansowana ewolucyjnie posiadają mniejsze chloroplasty. U roślin pasożytujących chloroplasty mogą nie występować w ogóle.
Podobnie jak mitochondria, chloroplasty mają zdolność samoreplikacji. Fakt ten jest uznawany za argument popierający teorię, że chloroplasty powstały w wyniku endosymbiozy sinic.
Jądro komórkowe
- Uwaga: w opisie jądra komórkowego przedstawiono jądro w
interfazie
. Aby dowiedzieć się, jakie zmiany zachodzą w jądrze w czasie podziałów komórkowych przeczytaj hasła
mitoza
i
mejoza
.
Schemat budowy jądra komórkowego
Postacie
cysty
(po lewej) i trofozoitu (po prawej)
wiciowca
G. lamblia
zawierają więcej niż jedno jądro, cysta – 4, zaś trofozoit – 2. Widoczne są one na schemacie jako owalne struktury z ciemniejszymi owalami wewnątrz (jąderkami).
Jądro komórkowe
gromadzi większość DNA komórki. Występuje zazwyczaj pojedynczo, choć znane są komórki pozbawione jądra, jak i komórki zawierające ich po kilka[16], jak np. komórki
bielma
,
mięśnia sercowego
, czy komórki niektórych jednokomórkowców (np.
Giardia lamblia
).
Jądro otoczone jest przez podwójną błonę (otoczkę) jądrową. Wewnątrz niej znajduje się
chromatyna
,
jąderko
oraz macierz zwana
kariolimfą lub nukleoplazmą
.
Otoczka jądrowa zbudowana jest z dwóch błon. Nie jest ona strukturą ciągłą - przerwy w otoczce zwane porami jądrowymi, umożliwiają m.in. transport syntezowanego w jądrze
mRNA
(matrycy w biosyntezie białek) do cytoplazmy, gdzie na rybosomach biosynteza ta ma miejsce. Transport ten regulują białka zlokalizowane na obrzeżach prześwitu poru, tworzące tak zwany kompleks porowy.
Błona zewnętrzna ponadto połączona jest z
ER szorstkim
i także na jej powierzchni zaobserwować można rybosomy.
Wewnątrz jądra komórkowego, w kariolimfie, znajduje się chromatyna i to ona stanowi główny magazyn informacji genetycznej. Zbudowana jest ona z nici
DNA
nawiniętych na oktamer histonowy[17] przy współudziale zespołu białek niehistonowych, co umożliwia efektywne "upakowanie" DNA w jądrze. W czasie podziałów komórkowych chromatyna ulega kondensacji w
chromosomy
.
Wyróżnia się chromatynę luźną –
euchromatynę
, która ulega
transkrypcji
(czyli jest genetycznie aktywna) oraz skondensowaną
heterochromatynę
, genetycznie nieaktywną. Skupiska heterochromatyny obserwuje się przy otoczce jądrowej, w regionach nie ulegających transkrypcji oraz wokół jąderka.
Jąderko
jest kulistą, często pojedynczą, strukturą wewnątrz jądra komórkowego nie otoczoną żadną błoną. Pod względem chemicznym zbudowane jest głównie z białek i, w mniejszym stopniu, z
RNA
i
DNA
. Odpowiada za wytwarzania
rRNA
oraz składanie rybosomów.
Jąderko po podziale powstaje poprzez kondensację części chromosomu (lub kilku chromosomów) zwanych obszarami jąderkotwórczymi (NOR-ami, z ang. nucleolar organizers). U człowieka są to krótsze ramiona chromosomów par 13, 14, 15, 21 i 22.
Centriole
W cytoplazmie komórki zwierzęcej, w pobliżu jądra komórkowego zlokalizowane są dwie
centriole
[18] – większa centriola matczyna i mniejsza centriola potomna – biorące udział w powstawaniu
wrzeciona kariokinetycznego
i tym samym w rozdziale materiału genetycznego w telofazie mitozy i mejozy. Centriole powstają w wyniku samoreplikacji w tym samym czasie, kiedy namnażane jest DNA (tzn. w fazie S).
Wodniczki
W komórkach, zwłaszcza roślinnych, występują
wakuole
[19] pełniące funkcję magazynu wielu substancji, zarówno organicznych (aminokwasy, białka, cukry, alkaloidy[20], itd.), jak i nieorganicznych (głównie wody). Utrzymują
turgor
komórki oraz mogą pełnić wiele innych funkcji, zależnie od ich składu. Biorą na przykład udział w regulacji
pH
cytoplazmy poprzez aktywny transport jonów H+ poprzez błonę wodniczki (
tonoplast
), a tym samym "włączają" i "wyłączają" szlaki metaboliczne, w których biorą udział enzymy wymagające określonego pH.
U drobnych organizmów zwierzętopodobnych (pierwotniaków) często występują wakuole wyspecjalizowane do regulacji osmotycznej (
wodniczka tętniąca
) oraz trawienia wchłoniętego pokarmu (
wodniczka pokarmowa
).
Wakuole powstają najczęściej z pęcherzyków aparatu Golgiego.
Połączenia między komórkami
Tworzenie połączeń między komórkami może mieć charakter stały lub chwilowy. Ten pierwszy występuje najczęściej u organizmów tkankowych, drugi zaś u prokariontów i protistów[21].
U Eucaryota połączenia komórek umożliwiają utrzymanie zwartości tkanki oraz komunikację międzykomórkową.
Komórki roślinne łączą się ze sobą głównie za pomocą
plazmodesm
, czyli kanału przechodzącego przez jamki ściany komórkowej, pośrodku którego przebiega zmodyfikowane pasmo siateczki śródplazmatycznej (desmotubula), przez które mogą przenikać między komórkami substancje o stosunkowo niedużej masie cząsteczkowej[22].
U zwierząt zaś, sposoby takich połączeń są różne. Największe znaczenie mają połączenia zamykające i
zwierające
. Te drugie występują powszechnie w tkankach narażonych na urazy mechaniczne, takich jak mięsień
sercowy
, czy nabłonek
pochwy
; te pierwsze w pozostałych.
Miejsca połączenia komórek, tzw.
desmosomy
, zbudowane są z wystających do przestrzeni międzykomórkowej włókien białkowych oraz płytek adhezyjnych[23] zlokalizowanych we wnętrzu komórki, w pobliżu jej błony. W płytkach adhezyjnych zagnieżdżone są natomiast
filamenty pośrednie
, które stabilizują całość. Samo złączenie się desmosomu jednej komórki z desmosomem drugiej jest oparte na zasadzie zamka błyskawicznego (tzn. wielu białkowych "zatrzasków"). Oprócz tego można wyróżnić tzw.
hemidesmosomy
znajdujące się na powierzchni komórek nabłonka i łącząc je z
blaszką podstawną
.
Połączenie typu nexus umożliwiają wymianę metaboliczną między komórkami. W wymianie tej biorą udział substancje rozpuszczalne w wodzie o niewielkiej masie cząsteczkowej oraz jony nieorganiczne przy współudziale białka koneksyny. Połączenia tego typu występują m.in. w tkance nerwowej, czy nabłonkowej. Regulacja transportu związków przez połączenie typu nexus jest możliwa dzięki zmianom
konformacyjnym
białek strukturalnych wchodzących w skład tego kompleksu. Białka te w zależności od przyjętej konformacji mogą otwierać bądź zwierać kanały transportowe. Pojedynczy kanał transportowy składa się z sześciu cząsteczek koneksyny tworzących kanał transbłonowy i określany jest mianem
koneksonu
.
Transport międzykomórkowy odbywa się także na zasadzie przenikania cząstek z jednej komórki do przestrzeni międzykomórkowej, skąd są one pobierane przez komórki sąsiednie. Podobnie jak u roślin, substancje te mogą regulować procesy zachodzące w pewnym obszarze – dzieje się tak w przypadku hormonów miejscowych (takich jak
gastryna
).
Procesy wewnątrzkomórkowe
Utrzymywanie stałego składu środowiska wewnętrznego, pobieranie i wydalanie substancji
Komórki wymieniają ze środowiskiem związki chemiczne - pobierają składniki pokarmowe, a usuwają produkty metabolizmu.
Przez błony komórkowe przenikają swobodnie, zgodnie z gradientem stężeń tylko substancje o niewielkiej masie cząsteczkowej, jak woda, czy tlen oraz te rozpuszczalne w hydrofobowej plazmolemmie, jak
steroidy
, czy alkohole. Wchłanianie pozostałych związane jest z wyspecjalizowanymi mechanizmami - kanałami błonowymi i poprzez
endocytozę
.
Wzrost i metabolizm
W każdej komórce odbywają się złożone procesy, podczas których komórka pobiera pewne substancje ze swego otoczenia (odżywianie) i z kolei wydala niektóre produkty chemicznej przemiany materii. Każda komórka ma określoną funkcję w gospodarce ustroju jako całości (np. w przypadku komórki ludzkiej, komórki wątroby magazynują białka i cukry jako materiały zapasowe, i wydzielają
żółć
niezbędną do trawienia oraz wytwarzają
enzymy
).
Pomiędzy kolejnymi podziałami komórkowymi, procesy metaboliczne, które toczą się w komórce stymulują jej wzrost.
Metabolizm
komórki to zespół procesów, którym podlegają składniki odżywcze. Procesy metaboliczne należą do:
katabolizmu
, w którym złożone organiczne związki chemiczne ulegają rozłożeniu, w celu wytwarzania energii lub
anabolizmu
, w którym zużywana jest energia przy tworzeniu złożonych związków organicznych i wypełniania innych funkcji komórkowych.
Połączenie reakcji dostarczających energii (np. utleniania glukozy) oraz ją zużywających (np. syntezy tłuszczowców) możliwe jest dzięki związkom wysokoenergetycznym. Najważniejszym z nich jest
adenozynotrifosforan
(ATP), który posiada dwa
wiązania makroergiczne
między grupami fosforowymi, których rozerwanie powoduje stopniowe wydzielenie stosunkowo dużej ilości energii z dużą wydajnością.
W większości reakcji przebiegających w żywych komórkach biorą udział
enzymy
, białkowe
biokatalizatory
. Reakcje te pozwalają na przemianę poszczególnych związków w inne, bardziej lub mniej złożone. Na różnych drogach możliwa jest synteza poszczególnych aminokwasów, witamin, przemiana glukozy w tłuszcze, itd. ale tylko u organizmów posiadających odpowiednie enzymy. I tak na przykład koty nie syntezują
tauryny
z
L-cysteiny
,
naczelne
nie syntezują
witaminy C
z powodu braku oksydazy L-gulonolaktonowej, bakterie wrażliwe na
penicylinę
nie syntezują
β-laktamazy
,
cykl mocznikowy
u kręgowców zachodzi w całości wyłącznie w wątrobie, a ludzie cierpiący na
fenyloketonurię
chorują z powodu braku
hydroksylazy fenyloalaninowej (PAH)
. Poniższy schemat przedstawia najważniejsze przemiany w organizmach żywych.
Wzrastanie komórki następuje wówczas, gdy przemiany prowadzące do pomnażania ilości masy
protoplazmy
przeważają nad przemianami, prowadzącymi do wydalania, Stan równowagi w komórce, przerywa zwykle zjawisko jej podziału.
Podziały komórkowe
Wzrost i rozwój organizmów wielokomórkowych na przestrzeni 2 pokoleń - schemat.
Rozmnażanie się komórki odbywa się przez jej podział, który może przebiegać dwoma sposobami:
Podział bezpośredni (
amitoza
,
mejoza
) polega na przewężeniu i rozdzieleniu się
protoplazmy
komórki, a jednocześnie i jądra, w wyniku czego powstają dwie komórki potomne, osiągające wkrótce swą normalną wielkość. W ustroju ludzkim ten podział występuje rzadko, zarezerwowany jest w szczególności na inne typy komórek.
Podział pośredni (
mitoza
) jest procesem bardzo złożonym. Występująca w kształcie ziarenek
chromatyna
jądra przybiera postać "kłębka nici", a następnie dzieli się na pewną określoną liczbę odcinków zwanych
chromosomami
. Liczba ta jest stała dla danego gatunku zwierzęcego (np. jądro komórki ludzkiej zawiera 46 chromosomów). Jednocześnie ciałko środkowe –
centrosom
rozpada się na dwie części przesuwające się przeciwstawnie do obu biegunów komórki. Pomiędzy obu powstałymi tak centrosomami wytwarza się na osi komórki
wrzeciono podziałowe
składające się z włókien protoplazmatycznych, a dookoła niego ustawiają się w postaci gwiazdy w płaszczyźnie równika chromosomy. W następnym etapie każdy chromosom dzieli się podłużnie na dwa potomne chromosomy, z których jeden przez kurczące się włókienka wrzeciona zostaje przyciągnięty do jednego bieguna komórki, a drugi do przeciwległego mu. Tu chromosomy łączą się w kłębki chromatydowe i powstają w ten sposób dwa jądra potomne. Jednocześnie komórka przewęża się w płaszczyźnie równikowej i dzieli się na dwie komórki potomne, z których każda otrzymuje taką samą liczbę chromosomów, jaką miała komórka macierzysta.
STARA WERSJA:
Wewnątrz komórki zachodzi wiele procesów chemicznych. Są one katalizowane przez katalizatory białkowe –
enzymy
. Enzymy są cząsteczkami bardzo dużymi, są to białka zawierające zwykle ponad sto ściśle określonych aminokwasów, z dołączonymi często
częściami niebiałkowymi (koenzymami)
. Enzymy muszą być zsyntezowane bardzo precyzyjnie, gdyż niewielki nawet błąd może całkowicie zniszczyć aktywność katalityczną enzymu.
W tym celu każda komórka zawiera złożony system syntezy białek. Struktura łańcuchów polipeptydowych białek jest zapisana w postaci kodu
DNA
.
Kod
DNA jest przepisywany przez enzymy na
mRNA
. Proces ten nazywa się
transkrypcją
. Następnie mRNA jest używany do syntezy łańcuchów polipeptydowych w
rybosomach
w
procesie translacji
. Zarówno mRNA jak i łańcuchy polipeptydowe mogą ulec w czasie trwania procesu dodatkowej obróbce.
Polipeptydy
łączą się ze sobą oraz z
koenzymami
tworząc gotowe enzymy.
Przedstawiony tu podstawowy proces prowadzi też w innych kierunkach. Niektóre z zsyntezowanych białek nie wykazują aktywności enzymatycznej, lecz zostają użyte do budowy różnych struktur komórki. Część przepisanego
RNA
nie jest użyta do syntezy białek lecz pełni swoje funkcje bezpośrednio, jako
rRNA
oraz
tRNA
.
Kwas nukleinowy
w komórce musi być chroniony. W praktyce ciągle zachodzą w nim
mutacje
, które ciągle uszkadzają zapis. Komórka posiada więc skomplikowane mechanizmy wykrywania i naprawy uszkodzeń, które ograniczają częstość zmian nawet o kilka rzędów wielkości.
Ze względu na mnogość reakcji chemicznych które komórka jest w stanie prowadzić, oraz szeroki zakres warunków w których może ona żyć, komórki wykształciły mechanizmy kontrolujące syntezę enzymów. Działają one zwykle na poziomie
transkrypcji
.
Każda komórka prowadzi reakcje chemiczne wymagające nakładu energii, dlatego potrzebuje ona substancji zawierających duże ilości energii chemicznej, w postaci tzw.
wiązań wysokoenergetycznych
. Te substancje to głównie estry kwasu fosforowego, z czego najpowszechniejszym jest
ATP
.
Komórki wykorzystują wiele źródeł energii, takich jak: energia chemiczna związków organicznych, energia światła czy też energia zawarta w związkach nieorganicznych.
Śmierć komórki
Schemat przebiegu apoptozy komórki zwierzęcej.
Martwica centralnozrazikowa wątroby człowieka w preparacie barwionym
hematoksyliną
i
eozyną
- w środku zdjęcia widać uszkodzone komórki, utratę prawidłowej struktury tkanki oraz krwinkotoki i skąpe nacieki
zapalne
w otoczeniu pól martwicy.
Śmierć komórek jest konsekwencją zarazem rozwoju organizmu wielokomórkowego, jak i działania na nie niekorzystnych czynników. Jest zjawiskiem naturalnym i nie oznacza choroby, jeśli nie dotyczy większej liczby komórek.
Śmierć może nastąpić gwałtownie np. w wyniku działania wysokich temperatur, homogenizacji, działania niektórych substancji w odpowiednich stężeniach, etc. Część z tych metod używana jest przy procesie
sterylizacji
, czyli zabijania bakterii i ich form przetrwalnikowych. Komórka może zostać także uśmiercona w wyniku zadziałania wewnętrznego programu
autolizy
– mówi się wtedy o
programowej śmierci komórki
(ang. programmed cell death, PCD).
Programowana śmierć komórki może zostać zainicjowana czynnikami wewnętrznymi (najczęściej genetycznymi, choć także
hormonalnymi
[24]) lub zewnętrznymi (takimi jak
promieniowanie jonizujące
,
temperatura
, głodzenie, itd.).
Śmierć indukowana wewnątrzpochodnie nosi nazwę
apoptozy
, zaś zewnątrzpochodnie –
martwicy
(nekrozy, łac. necrosis ).
Praktycznie, procesy te najczęściej ciężko rozróżnić, niemniej w przypadku apoptozy u zwierząt powstają pęcherzyki (ciałka) apoptyczne w przeciwieństwie do martwicy. Pęcherzyki te jednak rzadko udaje się wykryć w badaniu mikroskopowym, ponieważ są pochłaniane przez sąsiednie komórki lub mieszają się z płynem tkankowym. Nekroza, ale nie apoptoza, jest związana z mobilizacją sąsiednich komórek i mechanizmów ogólnoustrojowych do usunięcia jej następstw, co nazywane jest
reakcją zapalną
(zapaleniem).
Mechanizm PCD służy eliminacji niechcianych komórek – to jest komórek niespełniających już swojej funkcji, komórek zakażonych, nowotworowych, itd. oraz – czasem – komórek narządów nieużywanych, tak jak w przypadku
grasicy
kręgowców po okresie dojrzewania, czy macicy tychże po porodzie[25]. Uśmiercanie występuje także jako następstwo stanów zaburzonego funkcjonowania całego ustroju, a nie tylko pojedynczych komórek, czy fragmentów tkanek (np. w długotrwałej suszy u roślin, głodzenia u zwierząt, nowotworów, unieruchomienia, starości). U roślin PCD jest ponadto procesem powstawania niektórych tkanek takich jak
drewno
, czy
twardzica
(to jest tkanek martwych).
Po zainicjowaniu PCD, uwalniane są do cytoplazmy enzymy z klasy
hydrolaz
– takie jak
kaspazy
– rozkładające organelle komórkowe. Z tego względu zatrzymanie zainicjowanego procesu apoptozy lub nekrozy jest niemożliwe[26]. Procesy śmierci komórek przebiegają podobnie, ale nie identycznie u roślin i u zwierząt.
U roślin PCD może przebiegać bardzo powolnie – dzieje się tak np. gdy drzewa liściaste zrzucają jesienią liście: indukcja procesu śmierci komórek następuje dużo wcześniej niż spadną one z drzewa, po to aby odzyskać część magazynowanych w nich substancji.
Z komórek, które zatraciły możliwość uruchamiania mechanizmu apoptozy powstają
nowotwory
.
Badanie komórek
Rysunek z książki R. Hooke'a "Micrographia" (1664) przedstawiający komórkową strukturę
korka
.
- Uwaga: ta część artykułu jest lakonicznym opisem najważniejszych metod, a nie opisem przebiegu
badania naukowego
lub
klinicznego
.
Historia
- 1632–1723:
Antonie van Leeuwenhoek
zbudował z wyszlifowanych przez siebie
soczewek
mikroskop optyczny
przy pomocy którego prowadził obserwacje budowy pierwotniaków, takich jak
wirczyki
(Vorticella) z deszczówki, i bakterii z jego ust.
- 1665:
Robert Hooke
odkrył komórkową budowę
korka
, a następnie innych tkanek roślinnych przy pomocy prymitywnego mikroskopu.
- 1839:
Theodor Schwann
i
Matthias Jacob Schleiden
podali prawidłowość, że rośliny i zwierzęta zbudowane są z komórek, co oznacza że komórki są powszechnymi jednostkami budulcowymi i funkcjonalnymi wśród istot żywych.
-
Ludwik Pasteur
obalił
teorię abiogenezy
, która mówi że organizmy mogą powstawać spontanicznie (aczkolwiek Francesco Redi w
1668
roku przeprowadził eksperyment, który nasuwał ten sam wniosek).
-
Rudolf Virchow
wysunął tezę, że każda komórka powstaje z innej żywej komórki (omnis cellula ex cellula).
- 1931:
Ernst Ruska
zbudował pierwszy
elektronowy mikroskop transmisyjny
(TEM). W 1935, zbudował EM o rozdzielczości dwukrotnie większej od zwykłych mikroskopów, ujawniając organelle niewidoczne w mikroskopie świetlnym.
- 1953:
Watson
i
Crick
po raz pierwszy ogłosili strukturę DNA jako podwójnej
helisy
.
- 1981:
Lynn Margulis
opublikowała Symbiosis in Cell Evolution szczegółowo objaśniając
teorię endosymbiozy
.
Cele i metody
Kariotyp mężczyzny z zespołem Downa (trisomii 21 – strzałka)
Preparat cytologiczny wymazu z szyjki macicy (barwienie hematoksyliną i eozyną).
Badaniem komórek, zarazem jej struktury jak i procesów wewnętrznych, zajmuje się
cytologia
, nazywana często – z racji na jej liczne powiązania z innymi naukami biologicznymi, medycznymi i biochemicznymi –
biologią komórki
.
Badania komórek pozwalają nie tylko na ich dokładniejsze poznanie, ale także znalazły zastosowanie w szeroko rozumianej
diagnostyce medycznej i weterynaryjnej
. Kliniczne dyscypliny zainteresowane badaniami "wnętrza" komórek to np.
biochemia
, czy
cytogenetyka
.
Do podstawowych technik cytologicznych należy mikroskopia i analiza biochemiczna
poszczególnych frakcji komórkowych
.
Często w celu uzyskania odpowiednich informacji stosuje się złożone metody. Na przykład, aby przeprowadzić diagnostykę w kierunku
zespołu Downa
należy namnożyć (najczęściej)
limfocyty
w warunkach laboratoryjnych, które następnie zmusza się do podziałów mitotycznych fitohemaglutyniną w obecności substancji uniemożliwiających powstanie wrzeciona kariokinetycznego[27] (czyli zatrzymujących podział w metafazie), aby ostatecznie preparat wybarwić i przeprowadzić jego obserwację mikroskopową. Aby uzyskać czytelny schemat budowy i liczności chromosomów, preparatowi takiemu robi się zdjęcie kamerą mikroskopową, które dalej obrabia się (wycina i grupuje chromosomy) w
programie graficznym
.
Najczęstszym materiałem do badań cytologicznych są
limfocyty
krwi obwodowej
, z racji na łatwość ich pobierania. Przy pomocy
wymazówki
w łatwy i bezpieczny sposób można pobierać złuszczone komórki nabłonka np. jamy ustnej.
Możliwe jest także pozyskanie komórek z powierzchni narządów, np.
wątroby
, w czasie operacji poprzez przyłożenie do ich powierzchni
szkiełka podstawowego
(w wyniku takiego zabiegu pewna część komórek przyklei się do szkiełka).
Podobnie pobiera się komórki do przesiewowych badań cytologicznych w kierunku
raka szyjki macicy
: np. pocierając szpatułką nabłonek tarczy
szyjki macicy
powodując jego złuszczenie, a następnie przenosząc tak pobrany materiał na szkiełko przedmiotowe, które trafi do laboratorium.
Także
biopsja aspiracyjna cienkoigłowa
, aspirująca pojedyncze komórki z narządu przy użyciu standardowej igły
iniekcyjnej
, pozwala pozyskać materiał do badania cytologicznego.
Mikroskopia
Błona komórkowa drożdży zwizualizowana w mikroskopii fluorescencyjnej poprzez pewne białka błonowe wyposażone w markery fluorescencyjne świecące na zielono (GFP) i czerwono (RFP). Nałożenie tych dwóch barw daje na obrazie kolor żółty
Komórki tkanki wątroby człowieka wybarwione: a) hematoksyliną i eozyną, b) w reakcji PAS, c) solami srebra
Wykorzystując
mikroskopy
możliwe jest obserwowanie komórek w znacznym powiększeniu. W naukach biomedycznych stosuje się najczęściej
mikroskopy świetlne
oraz
elektronowe
: transmisyjne (TEM) i
skaningowe
(SEM). W pierwszych obraz uzyskuje się dzięki wiązce światła przechodzącej przez preparat, zaś w drugim dzięki wiązce
elektronów
przechodzącej – TEM, lub odbijanej od preparatu – SEM.
W mikroskopii optycznej najczęściej stosuje się wybarwianie preparatów, aby ułatwić ich rozróżnienie z otoczeniem lub by uwidocznić właściwości struktur komórkowych. Prostym przykładem metody barwienia może być negatywowe barwienie bakterii sianowych
tuszem
, w wyniku czego uzyskuje się obraz jasnych komórek na ciemnym tle. W badaniach bakteriologicznych popularniejsze są metody barwienia pozytywowego, najczęściej
metodą Grama
. Inne zestawiono w tabeli.
W przypadku komórek i tkanek organizmów eukariotycznych także najczęściej stosuje się barwienie, głównie jednoczesne barwienie niebieską
hematoksyliną
barwiącą kwasowe struktury komórek (jądro, rybosomy, itd.) i czerwoną
eozyną
wybarwiającą struktury bazofilowe, jak cytoplazma, czy włókna kolagenowe. W celu uwidocznienia położenie lub ilościowego oznaczania różnych związków chemicznych[29] stosuje się reakcje lub procesy zestawione w tabeli:
Najważniejsze metody uwidaczniania wybranych grup związków chemicznych stosowane w badaniach komórek |
Rodzaj związków | Proces lub reakcja uwidaczniania |
enzymy
| różne reakcje zależne od enzymu |
kwasy nukleionowe |
DNA
–
reakcja Feulgena
,
RNA
– reakcja Bracheta |
lignina
(tylko u roślin!) | reakcja z floroglucyną |
tłuszcze
|
dyfuzja
barwników słabo lub nierozpuszczalnych w wodzie, takich jak czerń sudanowa, Sudan IV |
wielocukry
| reakcja PAS |
W medycznej diagnostyce laboratoryjnej rzadko, poza badaniami
krwi
, bada się odizolowane od siebie komórki. Oceny "zwartych" tkanek dokonuje najczęściej histopatolog, wykorzystując przy tym metody ich preparowania zwane techniką histologiczną.
Mikroskopia elektronowa pozwala na znacznie większe powiększenia niż mikroskopia optyczna. Dodatkowo w przypadku korzystania z TEM możliwe jest oglądanie struktur wewnętrznych komórek, ze względu na przenikanie przez nie elektronów. Mikroskopia elektronowa daje jednak jedynie obrazy czarno-białe (elektronogramy), więc preparatów nie wybarwia się. W celu poprawy widoczności preparatu często się go kontrastuje pokrywając np. tetratlenkiem osmu lub cytrynianem ołowiu.
Rzadziej stosuje się
mikroskopię fluorescencyjną
, gdzie – najczęściej – dołącza się[30] do elementów obserwowanej próbki
fluorofory
, czyli substancje, które fluoryzują po wzbudzeniu światłem o określonej długości. Podobnie działa
cytometria przepływowa
pozwalająca na niemalże automatycznie analizowanie zawiesiny komórek w odniesieniu do modelu wprowadzonego do komputera. Cytometria przepływowa jest wygodną metodą analiz krwi.
Rozdzielanie organelli komórkowych
Uzyskanie
frakcji
organelli z
zawiesiny
komórek możliwe jest przy użyciu
wirowania frakcjonującego
. Procedura ta wymaga, aby komórki w zawiesinie zostały pozbawione błony i ściany komórkowej, jeśli ją posiadają. Dokonuje się tego najczęściej w
homogenizatorach
, tj. urządzeniach które wymuszają rozbełtanie komórek w rozpuszczalniku. W celu rozbicia błony i ściany komórkowej można zastosować także
ultradźwięki
, czy wysokie ciśnienie.
Aby uniknąć zniszczenia struktur komórkowych, powyższą procedurę prowadzi się w temperaturze kilku stopni powyżej 0
°C
,
pH
7,4 i w obecności
inhibitorów
enzymów rozkładających białka
[31]. Następnie przeprowadza się wirowanie, w wyniku którego dzięki
sile odśrodkowej
wytwarzanej w wirówce można wyróżnić poszczególne frakcje. Najczęściej stosuje się najpierw wirowanie z różną prędkością, a później wewnątrz frakcji wirowanie w
gradiencie stężenia
(
sacharozy
,
chlorku cezu
lub niektórych innych soli). Pierwsze z nich wykorzystuje różnicę w
masie
organelli, a drugie
gęstości
.
Frakcje w wirowaniu różnicowym i parametry ich uzyskania (wg Hames i in., 2000) |
Osad | Przyspieszenie ×10³
g
| Czas [min] |
frakcja najcięższa |
jądra komórkowe | 0,6 | 3 |
plastydy, lizosomy | 6 | 8 |
plazmolemma, aparat Golgiego, ER | 40 | 30 |
podjednostki rybosomów | 100 | 90 |
frakcja najlżejsza |
Wirowanie frakcjonujące z różną prędkością (różnicowym) (patrz tabela) pozwala oddzielać poszczególne frakcje w postaci
osadu
. Wirowanie to wykonuje się każdorazowo zlewając supernatant (roztwór znad osadu) i wirując powtórnie, aż do uzyskania oczekiwanej frakcji. Cytozol otrzymać wirując aż do uzyskania najlżejszej frakcji w postaci osadu – w wyniku tego zabiegu supernatant będzie stanowiła tylko cytoplazma.
Organelle można rozdzielać także, jak napisano powyżej, prowadząc wirowanie w gradiencie stężeń. Gradient ten w czasie wirowania ze stałą szybkością ustala się w taki sposób, że stężenie soli (lub cukru) przy wpuście probówki jest najmniejsze, a przy dnie największe. W wyniku wirowania struktury komórkowe opadają do momentu, gdy gęstość soli (lub cukru) zrówna się z ich gęstością.
Pozostałe metody
Pozostałe techniki, które znajdują zastosowanie przy badaniu komórek to:
Przypisy
- ↑ innymi słowy – martwa struktura
- ↑
masa
,
stężenie
,
stosunek
- ↑
glicyna
nie posiada centrum chiralności, występuje więc tylko w jednej formie.
- ↑ u człowieka odkryto D-
serynę
i D-asparginian (Murray i in., 2004)
- ↑ otoczka bakteryjna jest więc głównym czynnikiem warunkującym
wirulencję
.
- ↑ zwiększa to stabilność błony w wysokiej temperaturze – jest to ewolucyjne przystosowanie występujące u hipertermofilnych archeonów
- ↑ istnieje niewielka liczba prokariontów, np. krętek
Borrelia burgdorferi
wywołujący
boreliozę
, mających liniowy DNA genoforu.
- ↑ rybosomy prokariontów i eukariontów zbudowane są jednak z różnych rodzajów rRNA: te pierwsze z 23S, 16S i 5S, zaś drugie z 28S, 18S, 5,8S i 5S.
- ↑ tj. małej podjednostki i inicjującego f-Met-tRNA (tRNA "niosącego"
metioninę
, w której do grupy aminowej -NH2 została dołączona grupa
-CHO
blokując tym samym przyłączanie innych aminokwasów od strony grupy aminowej)
- ↑ cholesterol zwiększa sztywność błon biologicznych.
- ↑ zespoły takich podobieństw i niepodobieństw antygenowych nazywane są
układami zgodności tkankowej
.
- ↑ co jest istotne dla pracy tkanki mięśniowej i nerwowej, ponieważ w mięśniach i w niektórych synapsach chemicznych kationy te są podstawą przewodzenia impulsu elektrycznego
- ↑ stąd ER gładkie występuje licznie w
komórkach wątroby
. Rozkład substancji szkodliwych możliwy jest dzięki szeregowi enzymów, głównie tych wchodzących w skład
cytochromu P450
(cytochrom nie jest substrukturą komórkową, a jedynie umowną grupą białek enzymatycznych).
- ↑ tzw. fazie jasnej.
- ↑ lub fazą ciemną fotosyntezy.
- ↑
komórki wielojądrowe
mogą powstawać w wyniku kilku następujących po sobie podziałów bez
cytokinezy
(bez rozdziału cytoplazmy i "przydzieleniu" po jednym jądrze do jednej komórki) – zwane są wtedy cenocytami – lub w wyniku łączenia się ze sobą, zespalania kilku czy nawet kilkuset komórek jednojądrowych – zwane są wtedy
syncytiami (zespólniami)
.
- ↑ w niektórych komórkach, m.in. w ludzkim
plemniku
, DNA jest nawijany na inne białka: tworzy struktury załamanych helis, które połączone są ze sobą (stabilizowane) przez
protaminy
, co pozwala na jeszcze większe zagęszczenie chromatyny.
- ↑ para centrioli nazywana jest diplosomem.
- ↑ w niektórych źródłach pojęcie "wakuola" traktuje się, jako szersze od terminu "wodniczka". Tutaj przyjęto jednak, że są to pojęcia tożsame.
- ↑ alkaloidy (np.
atropina
) pełnią funkcje ochronne zarazem przed roślinożercami, jak i przed drobnoustrojami.
- ↑ zarówno u bakterii, jak i niektórych protistów zachodzi proces
koniugacji
, w którym między dwiema komórkami powstaje połączenie w postaci mostka koniugacyjnego.
- ↑ w tym także substancje regulatorowe – zobacz także hasło
symplast
.
- ↑ zbudowanych także głównie z białek.
- ↑ apoptoza regulowana jest hormonalnie np. w trakcje fizjologicznego pomniejszania się macicy po porodzie
- ↑ oba przykłady traktują o procesie
zaniku
.
- ↑
efekt domina
- ↑ najczęściej stosowana jest
kolchicyna
, rzadziej
winkrystyna
, czy
winblastyna
.
- ↑ dana metoda barwienia ułatwia wykrycie zarazka ukazując jego charakterystyczne cechy, jednak ostateczna interpretacja oglądanego obrazu należy do diagnosty.
- ↑ jest to tak zwane
badanie cytochemiczne
- ↑ kowalencyjnie lub poprzez jakikolwiek inny typ oddziaływań fizykochemicznych między substancjami
- ↑ roztwór w którym wykonuje się homogenizację musi spełniać także inne warunki – dokładne informacje znajdują się haśle roztwór STKM
Bibliografia
Pozycje drukowane
- Jolanta Godlewska-Jędrzejczyk, Stanisław Moskalewski [red.],
2006
, Podstawy histologii i wybranych technik laboratoryjnych, ss. 178-197, .
- D. Hames, N. M. Hooper, J. D. Houghton,
2000
, Biochemia, ss. 16-19, .
- Zygmunt Hejnowicz,
2002
, Anatomia i histogeneza roślin naczyniowych. Organy wegetatywne, ss. 6-37, .
-
Stefan Kruś
,
2003
, Patologia. Podręcznik dla licencjackich studiów medycznych, ss.62-64, 76-80,
-
Władysław Kunicki-Goldfinger
,
1982
, Życie bakterii, ss. 90-121, 577-583, .
- Robert K. Murray, Daryl K. Granner, Peter A. Mayes, Victor W. Rodwell,
2004
, Biochemia Harpera,
- Abigail S. Salyers, Dixie D. Whitt,
2003
, Mikrobiologia. Różnorodność, chorobotwórczość i środowisko, ss. 55-65, .
-
Wojciech Sawicki
,
2000
, Histologia, ss. 17-85,
- Eldra P. Solomon, Linda R. Berg, Diana W. Martin, Claude A. Villee,
2000
, Biologia, ss. 74-88, .
- Lubert Stryer,
1997
, Biochemia,
Internet