Komórka

Komórka stanowi podstawową jednostkę budującą wszystkie żywe organizmy. W komórkach zachodzą procesy fizjologiczne , które warunkują prawidłowe funkcjonowanie i wzrost organizmu który budują. Komórki są elementami budującymi organizmy wielokomórkowe jak równiej pojedyncza komórka może stanowić cały organizm.

W skład komórki wchodzą substancje chemiczne, które mają różne funkcje, tzn. budulcowe, zapasowe, regulacyjne. Do substancji tych należą związki nieorganiczne ( woda i sole mineralne ) oraz organiczne ( białka, tłuszcze, węglowodany, kwasy nukleinowe ).

Węglowodany , czyli cukrowce wykorzystywane są przede wszystkim w komórce jako substancje energetyczne oraz budulcowe. Dzieli się je na cukry złożone i proste. Monosacharydy, czyli cukry proste są łatwo rozpuszczane w wodzie, związku z tym łatwo przyswajalne. Cukry proste budują także polisacharydy ( cukry złożone ) takie jak: skrobia, chityna , celuloza, glikogen , które najczęściej służą jako materiał budulcowy.

Tłuszcze ( lipidy ) zbudowane są z wodoru, tlenu i węgla. Są one estrami kwasów tłuszczowych i alkoholi wielowodorotlenowych. Stanowią one główny element budulcowy ścian cytoplazmatycznych oraz służą jako substancja zapasowa.

Białka pełnią wiele funkcji w komórce. Są one substancjami budulcowymi, regulatorowymi a czasem wykorzystywane jako źródło energii. Białka zbudowane są z podjednostek zwanych aminokwasami. W budowie aminokwasów można wyróżnić dwie grupy chemiczne o różnych właściwościach, tzn. grupę aminową i na drugim końcu cząsteczki grupę kwasową ( karboksylową ). Aminokwasy łączą się ze sobą poprzez grupę karboksylową jednego i grypę aminową drugiego aminokwasu tworząc łańcuch polipeptydowy , czyli cząsteczkę białka. Szczególnie ważną rolę pełnią białka jako enzymy, czyli biokatalizatory. Enzymy są substancjami, które regulują przebieg ważnych reakcji biochemicznych w komórce. Białka charakteryzują się dość skomplikowaną budową , która związana jest z właściwościami białek. Wyróżnia się cztery stopnie organizacji białka :

• struktura pierwszorzędowa -mówi o sekwencji aminokwasów w łańcuchu polipepetydowym;
• struktura drugorzędowa - określa przestrzenne ułożenie łańcucha białkowego ( struktura harmonijkowa lub spiralna )
• struktura trzeciorzędowa - determinuje ułożenie struktury II-rzędowej w przestrzeni;
• struktura czwartorzędowa- określa wzajemne położenie łańcuchów polipeptydowych względem siebie.

Białka ze względu na swoja skomplikowaną budowę nie mają zdolności przechodzenia przez błony cytoplazmatyczne. W wysokiej temperaturze, w środowisku bardzo kwaśnym lub wysokozasadowym przechodzą one w stan zdenaturowany, związany najczęściej z utratą naturalnych właściwości. Jako enzymy białka charakteryzują się także dużą swoistością.

Białka mogą być proste i złożone. Białka złożone mogą zawierać w swoim składzie grupę niebiałkową ( np. cukrową lub atomy metali ). W zależności od struktury , białka mogą się dobrze rozpuszczać w wodzie ( globuliny, albuminy ), mogą być nierozpuszczalne ( fibrynogen, keratyna ) lub pęczniejące ( kolagen ).

Kwasy nukleinowe- stanowią bardzo ważny element komórkowy, ze względu na funkcje przenoszenia informacji genetycznej. Zbudowane są one nukleotydów , w których skład wchodzą : cukier ( dezoksyryboza ) , kwas fosforowy oraz zasady azotowe ( pirymidyny i puryny ). Do zasad purynowych należą : adenina i guanina, natomiast do pirymidynowych należą : cytozyna i tymina.

Kwasy nukleinowe występują w komórkach w dwóch postaciach : w formie kwasu dezoksyrybonukleinowego ( DNA ) i kwasu rybonukleinowego ( RNA ).

DNA stanowi materiał genetyczny większości organizmów żywych, RNA jako materiał genetyczny występuje głównie w komórkach bakteryjnych. DNA obecny jest w przeważającej części w jądrze komórkowej, jak również niewielka jego cześć obecna jest w mitochondriach i plastydach. DNA zbudowane jest z dwóch łańcuchów polinukleotydowych połączonych z sobą za pomocą wiązań między zasadami zasadowymi. Zasady łączą się ze sobą tylko w określony sposób, tzn. adenina z tymina ( A- T ) i guanina z cytozyną ( G-C ), dlatego dwa łańcuchy budujące cząsteczkę DNA są w stosunku do siebie komplementarne. Łańcuchy te łącza się ze sobą tworząc strukturę podwójnej helisy.

RNA jest zbudowany z pojedynczego łańcucha polinukleotydowego, w którym tymina zamieniona jest na inną zasadę - uracyl. RNA występuje w komórkach w trzech postaciach : mRNA - matrycowy RNA , tRNA - transportujący i rRNA- rybosomowy.

W skład komórki wchodzi wiele funkcjonalnych struktur, czyli organelli. Struktury te można podzielić na plazmatyczne : jądro komórkowe, plastydy, mitochondria, aparat Golgiego, siateczka śródplazmatyczna, lizosomy i nieplazmatyczne : ściana komórkowa i wakuole.

Wnętrze komórki wypełnia cytoplazma - galaretowa substancja, będąca środowiskiem w którym zawieszone organelle i w którym zachodzą rożne procesy biochemiczne oraz transport substancji odżywczych. Cytoplazma pod względem chemicznym jest roztworem koloidowym, składającym się z wody i rozpuszczonych w niej związkami organicznymi i nieorganicznymi. Transport cząstek w cytoplazmie umożliwiają jej ruchy, które mogą być pulsacyjne, okrężne i cyrkulacyjne wokół określonych organelli. W ruchu cytoplazmy i całej komórki biorą elementy cytoszkieletu : mikrotubule i mikrofilamenty.

Błony cytoplazmatyczne.

Błony te ograniczają środowisko wewnętrzne komórki od środowiska zewnętrznego oraz tworzą błoniaste struktury takie jak siateczka śródplazmatyczna i aparat Golgiego.

Błona cytoplazmatyczna, zwana także plazmalemmą ma strukturę półpłynnej mozaiki, której główną część stanowi podwójna warstwa lipidowa. Lipidy tworzące plazmalemmę to głównie fosfolipidy, w których zawieszone są różnego rodzaju białka strukturalne. Błony mają charakter półprzepuszczalny, w związku z tym transportowane są za ich pośrednictwem niektóre substancje. Transport przez błony może odbywać się na zasadzie osmozy, dyfuzji prostej, dyfuzji ułatwionej oraz z udziałem specyficznych przenośników, do działania których wykorzystywana jest energia. W związku z obecnością transportu dyfuzyjnego wody przez błony komórki mogą ulec plazmolizie lub deplazmolizie.

Plazmoliza ma miejsce, gdy komórka znajduje się w roztworze o stężeniu wody niższym niż jej stężenie w komórce. W takim układzie woda z komórki dyfunduje do otoczenia, protoplast ulega obkurczeniu i odstaje od ściany komórkowej. Gdy komórka znajduje się w środowisku o stężeniu wody wyższym niż jej stężenie w komórce , to woda napływa do komórki powodując jej napęcznienie.

Siateczka śródplazmatyczna, retikulum endoplzamtyczne ( ER ) - tworzy system błon cytoplazmatycznych, które budują połączone ze sobą kanaliki, pęcherzyki i cysterny. Ten skomplikowany system błon służy przede wszystkim jako miejsce modyfikacji i transportu białek- ER szorstkie ( pokryte sybosomami ) lub miejsce gdzie produkowane są kwasy tłuszczowe - gładkie ER ( pozbawione rybosomów).

Aparat Golgiego- zbudowany jest ze spłaszczonych pęcherzyków( diktiosomach ) ułożonych jeden na drugim, przy czym diktiosomy najbardziej spłaszczone są w miejscu styku, natomiast w części zewnętrznej są wypukłe. W tych banieczkowatych końcach diktiosomów odrywają się małe pęcherzyki, które pełnią ważną rolę w transporcie i transporcie wewnątrzkomórkowym. Aparat Golgiego jest miejscem gdzie zachodzą główne przemiany węglowodanów.

Lizosomy- małe pęcherzyki otoczone błoną cytoplzamtyczną zawierające enzymy hydrolityczne. Funkcją tych struktur jest trawienie związków złożonych do prostszych, likwidacja obcych cząsteczek w komórce lub jej obumarłych szczątków. Lizosomy powstają z aparatu Golgiego, od którego odrywają się w postaci małych pęcherzyków.

Mitochondria są organellami otoczonymi podwójna błoną cytoplazmatyczną , z których wewnętrzna tworzy skomplikowany system w ich wnętrzu. W błonie tej obecne są enzymy uczestniczące w procesach oddychania komórkowego. Oddychanie komórkowe jest źródłem energii dla komórki, magazynowane jest w formie ATP ( adenozynotrifosforanu).

Plastydy- organella charakterystyczne tylko dla komórek roślinnych. Otoczone są dwiema błonami komórkowymi. Wewnętrzna błona tworzy we wnętrzu plastydów spłaszczone pęcherzyki ( tylakoidy ) ułożone w stosy , czyli grana. Przestrzeń w których zawieszone są te struktury określana jest jako stroma . W błonach tylakoidów zlokalizowane są barwniki , z których część uczestniczy w procesie fotosyntezy. Plastydy zawierające barwniki fotosynetyczne nazywane są chloroplastami. Pozostałe plastydy zawierające barwniki, lecz nieaktywne w fotosyntezie to chromoplasty. Istnieje także część plastydów bezbarwnych, które służą do magazynowania pewnych związków, np. amylopasty magazynujące skrobię, elajoplasty magazynujące tłuszcze oraz proteoplasty będące magazynem białek.

Ściana komórkowa.

Jest strukturą oddzielającą komórkę roślinną od środowiska, nadaje jej odpowiedni kształt i sztywność. Zbudowana jest głównie z celulozy, której cząsteczki tworzą nitkowate struktury, czyli mikrofibrylle. Mikrofibrylle tworzą włókna celulozowe, które tworzą zwartą siateczkę z licznymi otworami, czyli porami. Pory w ścianie umożliwiają przepływ wody i kontaktowanie się sąsiadujących komórek.

Jądro komórkowe.

Jest ono najważniejszym organellum komórkowym, ponieważ zawiera całą informację genetyczną komórki. Niektóre komórki nie posiadają wyodrębnionego jądra komórkowego-są to komórki prokariotyczne. Komórki zawierające jądro nazywane są eukariotycznymi. Materiałem genetycznym w komórce jest DNA , a w niektórych przypadkach RNA

( u prokariontów ). DNA upakowany jest w jądrze w postaci pałeczkowatych struktur- chromosomów. Chromosomy tworzy chromatyna, czyli nić DNA z nawiniętymi na nią białkami histonowymi. W jądrze obecne jest również jąderko zawierające RNA i pewna ilość DNA.

Centriole- są cylindrycznymi strukturami, które biorą udział w zawiązywaniu się wrzeciona podziałowego. Wrzeciono podziałowe tworzy się w komórce w czasie jej podziału i odpowiada za transport chromosomów do komórek potomnych.

Podziały komórkowe.

W czasie każdego podziału komórkowego wyróżnia się dwa etapy: kariokinezę, czyli podział jądra komórkowego i cytokinezę - podział cytoplazmy.

Znane są dwa rodzaje podziałów komórkowych : mejoza i mitoza. Mitoza jest typowa dla komórek somatycznych, mejoza zaś jest podziałem redukcyjnym, który prowadzi do powstania gamet.

Cykl komórkowy. W cyklu tym można wyróżnić fazę podziałową i spoczynkową, czyli interfazę i mejozę.

W interfazie wyodrębnia się:

• okres G1 - powiększenie objętości cytoplazmy i jądra komórkowego;
• okres S ( syntezy )- namnożenie ( podwojenie ) materiału genetycznego;
• okres G2- namnażanie białek uczestniczących w wytwarzaniu wrzeciona podziałowego.

Podziały mitotyczne prowadzą do powstania komórek potomnych o takiej samej ilości chromosomów co komórka macierzysta. Mitozę dzieli się na : profazę, metafazę, anafazę i telofazę.

W profazie następuje skondensowanie luźnej nici chromatynowej w zwarte struktury- chromosomy. W fazie tej zanika także otoczka jądrowa oraz a z centrioli zawiązuje się wrzeciono podziałowe. W metafazie chromosomy przemieszczają się do płaszczyzny równikowej dzielącej się komórki. W anafazie następuje rozerwanie się wrzeciona podziałowego, wynikiem czego jest rozchodzenie się chromatyd ( pojedynczych ramion chromosomowych ) do komórek potomnych. W telofazie odtwarzana jest błona jądrowa w komórkach potomnych , kończy się cytokineza.

Mejoza.

Mitoza jest podziałem redukcyjnym i jest charakterystyczna dla komórek macierzystych komórek jajowych, plemników, woreczka zalążkowego i ziaren pyłku. W czasie mejozy obecne są dwa podziały. Pierwszy z nich ma charakter redukcyjny , natomiast drugi podobny jest do mitozy. Cytoplazma komórki macierzystej ulega jednokrotnemu podziałowi , natomiast jądro dzieli się dwukrotnie. Podział mejotyczny, podobnie jak mitotyczny poprzedza faza interfazowa. W czasie tego podziału z jednej komórki diploidalnej powstają cztery haploidalne. Podziały mejotyczny podzielone są również na 4 fazy : profazę, metafazę, anafazę i telofazę. Profaza pierwszego podziału mejotycznego dzieli się na :

• leptoten- nici chromatynowe są rozluźnione;
• zygotyen- łączenie się chromosomów homologicznych w biwalenty;
• pachyten- rozdzielenie się biwalentów chromosomowych na 4 tetroidy, czyli chromatydy;
• diploten- zachodzi crossing- over, czyli wymiana odcinków chromatyd należących do chromosomów siostrzanych. Crossing-over jest przyczyna zmian w materiale genetycznym , a tym samym zmienności wśród organizmów;
• diakineza- wytwarzanie się nowych biwalentów, które przejdą do komórek potomnych, zanika otoczka jądrowa oraz jąderko.

Dalsze etapy podziałowe są podobne do tych, które zachodzą w czasie mitozy. W metafazie biwalenty ustawiają się w płaszczyźnie równikowej. W anafazie chromosomy homologiczne przenoszone są do dwóch biegunów komórki za pomocą włókien wrzeciona podziałowego. W telofazie następuje wyodrębnienie dwóch jąder, cytokineza nie zachodzi.

Drugi podział mejotyczny przebiega podobnie jak podział mitotyczny. Następuje w nim rozdzielenie chromosomów na potomne chromatydy. Efektem drugiego podziału jest powstanie 4 komórek haploidalnych o zmienionym genomie.