Komórka - to podstawowa uniwersalna jednostka życia
Żywe organizmy są niezwykle różnorodne. One różnią się od siebie pod względem budowy, sposobów otrzymywania energii i substancji odżywczych, typu rozmnażania. Jednak wszystkie żywe organizmy mają uniwersalną właściwość: każdy z nich składa się z komórek. Komórka jest materiałem genetycznym oddzielonym od środowiska zewnętrznego błoną białkowo-lipido-wą, posiada pełnosprawny aparat syntezy białka i metabolizm (ryc. 9.1). Można powiedzieć, że komórka - to najmniejsza uniwersalna jednostka żywego organizmu - najdrobniejsza struktura posiadająca właściwości żywego układu: samo-regulację i samoodtwarzanie. Niektóre komórki organizmów wielokomórkowych tracą część tych właściwości. Lecz nie istnieje struktury mniejszej od komórki, która byłaby zdolna do sa-moregulacji i samoodtwarzania poza innymi komórkami. Wirusy, co prawda, wykazują szereg właściwości organizmów żywych, ale tylko znajdując się w środku komórki-żywi-ciela. Poza komórką wirus - to tylko kompleks makrocząsteczkowy.
Komórka zwierzęca posiada złożoną budowę komórkową
Jako przykład rozpatrzmy budowę komórki zwierzęcej (ryc. 9.2). Typowa komórka wielokomórkowego zwierzęcia ma liniowe wymiary 20-100 pm. Ona jest otoczona błoną cytoplazmatyczną i nie ma zwartej polisacharydowej ściany komórkowej. Pod błoną cytoplazmatyczną znajduje się cytoplazma i jądro.
Jądro odpowiada za zachowanie materiału genetycznego i początkowe stadium syntezy białka.
Cytoplazma otacza jądro ze wszystkich stron.
Można rozdzielić ją na cytozol (cytoplazmę podstawową) - ciekłą frakcję i organelle - struktury foremne wyspecjalizowane do wykonywania określonej funkcji. Najbardziej widoczne organelle otoczone są własną błoną. Do nich należą: retikulum endoplazmatyczne (ER) (siateczka śródplazmatyczna) - ciągła sieć kanalików i cystern, które przeszywają cytoplazmę i biorą udział w tworzeniu błon (syntezie lipidów i białek błony cytoplazmatycznej), wydzielaniu i dezaktywacji toksyn; struktury Golgiego - stacje segregacji i modyfikacji białek błony plazmatycznej i białek wydzielanych komórką; lizosomy - organelle trawienne, a także pęcherzyki transportowe.
Mitochondria - to stacje energetyczne komórki otoczone podwójną błoną białkowo-lipi-dową. One zawierają własny aparat genetyczny i zdolne są do rozmnażania w komórce. Niektóre wewnątrzkomórkowe struktury nie są obłonione. Do nich na przykład należą: cytoszkielet - sieć niteczek białkowych wykonujących podporową i ruchową funkcję, rybosomy - kompleksy makrocząsteczkowe zbudowane z białka i RNA, które syntezują cząsteczki białkowe, a także centrum komórkowe - organella, która bierze udział w kształtowaniu cytoszkieletu.
Błona komórkowa składa się z podwójnej warstwy lipidów
Nieodłączną częścią komórki jest błona komórkowa. Właśnie dzięki błonie komórkowej zawartość komórki jest oddzielona od środowiska zewnętrznego. Oprócz tego wiele organelli, jak już ustaliliśmy, posiada własne błony. Ich podstawą są lipidy amfipatyczne. One formują podwójną warstwę, w której polarne i posiadające ładunek główki skierowane są do środowiska wodnego, a niepolarne ogonki unikają kontaktu z wodą i skierowane są ku środkowi warstwy podwójnej (ryc. 9.3).
Robert Hooke
Urodził się w roku 1635 w angielskiej miejscowości Freshwater na wyspie Wight. Robert Hooke - to prawdziwy encyklopedysta. Właśnie on wprowadził naukowy termin „komórka”. Hooke, posługując się skonstruowanym przez siebie mikroskopem, obserwował przekroje korka z dębu korkowego i każde oczko jego siatkowatej budowy nazwał komórką. Wyniki swoich badań naukowiec rzetelnie zarysowywał, a w roku 1665 opublikował swoją książkę „Mikrografia”, do której weszły te rysunki.
Oprócz tego do składu błon komórkowych wchodzą białka. Stosunek między lipidami i białkami może znacznie różnić się w różnych błonach. W błonie komórkowej
komórki Schwanna, która wytwarza osłonkę izolacyjną wypustek komórek nerwowych, stosunek wynosi 1 : 3 na korzyść lipidów. Natomiast w błonie wewnętrznej mitochondrium-3 : 1 na korzyść białek. Białka błony można podzielić na dwa typy: integralne, ze znaczną powierzchnią hydrofobową zanurzoną w warstwę niepolarną błony; powierzchniowe, znajdujące się na zewnętrznej lub na wewnętrznej powierzchni błon. Te z kolei bywają dwóch rodzajów: obwodowe, które kontaktują tylko z główkami lipidów i zakotwiczone, do których wiązaniem kowalencyjnym przyłączony jest komponent lipidowy zanurzony w błonę. Lipidy błon cechuje wielka różnorodność główek. Większość z nich - to grupy z ładunkiem posiadające ujemny lub sumarycznie zerowy ładunek (jeżeli w główce są jednocześnie i dodatnio, i ujemnie naładowane grupy). Tak więc powierzchnia błon w warunkach fizjologicznych ma ładunek ujemny, zapobiegający samoczynnemu zlewaniu się obłonionych organelli ze sobą dzięki obecności odpychania elektrostatycznego. Niektóre lipidy i białka błon mają komponent węglowodanowy przyłączony do ich cząsteczek. Takie „chimerne” cząsteczki nazywają się odpowiednio glikolipidami i glikoproteinami. W błonie cytoplazmatycznej komponenty węglowodanowe zawsze są rozmieszczone z zewnętrznej (zwróconej do środowiska zewnętrznego) strony1.
1 Ta reguła jest naruszona na przykład u roślin, u których są glikolipidy z komponentem węglowodorowym „patrzącym" do środka komórki. Takie niezwykłe glikolipidy biorą udział w syntezie celulozy.
Rudolf Virchow
Urodził się w miejscowości Schivelbein w Pomeranii (obecnie Świdwin w Polsce) w roku 1821. Wykształcenie zdobył w Berlinie w Instytucie Medycznym. Virchow stał się założycielem patologii komórkowej, uzasadniając tezę o tym, że dowolny proces patologiczny sprowadza się do zmian czynności życiowych komórek organizmu. Uczony sformułował postulat „omnis cellula e cellula” (każda komórka z komórki), czym zaprzeczył poglądy o tym, że komórki mogą powstawać z substancji międzykomórkowej. To twierdzenie weszło do teorii komórkowej jako jeden z postulatów. Zmarł uczony w roku 1902 w Berlinie.
Właściwości błony komórkowej: półprzepuszczalność, ciekłość, ciekłokrystaliczność
Warto określić szereg właściwości, charakteryzujących błonę biologiczną i bezpośrednio wypływających z jej struktury.
Po pierwsze wszystkie błony posiadają warstwę niepolarną, którą tworzą ogonki lipidowe. Wiadomo, że cząsteczki polarne i posiadające ładunek bardzo słabo rozpuszczają się w rozpuszczalniku niepolarnym. A więc błona lipidowa jest nieprzepuszczalna dla naładowanych i dużych cząsteczek polarnych (małe cząsteczki polarne, takie jak woda i amoniak, przenikają przez błonę lipidową stosunkowo łatwo). Jednak błonę można zrobić przepuszczalną dla takich cząsteczek i tę rolę wykonują białka. Mogą one wytwarzać przechodzące przez błonę kanały, które wykazują wybiórczość w stosunku do określonej substancji. I tak kanały potasowe błony cytoplazmatycznej przepuszczają jony potasu, lecz są nieprzepuszczalne dla jonów sodu. Mogą to być bardziej skomplikowane przenośniki, na przykład przenośnik glukozy. To białko nie ma kanału
na wylot, lecz może „przepychać” przez siebie cząsteczki glukozy (ryc. 9.4).
W przeciwieństwie do przeniesienia substancji przez biwarstwę (dyfuzja prosta), przeniesienie substancji za pośrednictwem białek (dyfuzja wspomagana) można kontrolować. Taki transport nie potrzebuje zatrat energii i nazywa się transportem pasywnym. Niektóre białka, wykorzystując energię, są zdolne do przenoszenia substancji wbrew gradientowi stężeń, to znaczy z mniej nasyconego roztworu do bardziej nasyconego. Taki rodzaj przenoszenia nazywa się transportem aktywnym. On odgrywa ważną role w czynnościach życiowych komórki.
Ilnną właściwością błony jest to, że lipidy w niej są zdolne do przemieszczania (ryc. 9.4).
I wreszcie jest jeszcze jedna niezwykle ciekawa właściwość błon. Nie patrząc na to, że lipidy stale
przemieszczają się w granicach swej warstwy, ogólna struktura błony nie zmienia się: jest to płaski zespół ukierunkowanych cząsteczek lipidowych. Takie układy, w których komponenty stale przemieszczają się, lecz przy tym nie zakłóca się ich uporządkowana struktura, nazywają się ciekłymi kryształami. Wszystkie błony biologiczne są ciekłymi kryształami.
Funkcje błony opierają się na wyżej wymienionych właściwościach. Właśnie te właściwości warunkują funkcję barierową i funkcję transportu wybiórczego, co zapewnia odmienność składu wewnętrznej zawartości komórki od otaczającego ją środowiska. A także błony tworzą większość organelli komórkowych, pobierają i przekazują sygnały, biorą udział w przemianie energetycznej. Na tym polegają odpowiednio ich funkcje: strukturalna, sygnałowa i energetyczna.
Od zewnątrz komórka zwierzęca jest okryta węglowodanowym „futrem” -glikokaliksem
Błona cytoplazmatyczna jest podstawą dowolnej błony komórkowej. Jednak zwykle komórki mają dodatkowe powierzchniowe struktury. Rozpatrzmy budowę błony typowej komórki zwierzęcej organizmu wielokomórkowego. Zaznaczyliśmy już, że na zewnętrznej powierzchni błony cytoplazmatycznej są obecne glikolipidy i glikoproteiny.
Całokształt ich węglowodorowych komponentów tworzy wokół komórki „futro” - glikokaliks. Glikokaliks zapewnia współdziałanie komórek z substancją międzykomórkową. Od wewnątrz błona jest dodatkowo wzmocniona przybłonowym cy-toszkieletem, który nadaje komórce kształtu i zapewniaj jej ruchliwość (ryc. 9.6).
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
Żywa komórka od zewnątrz otoczona jest błoną, która składa się z (1) substancji, które swymi (2) częściami są skierowane do środka błony, a (3) - na zewnątrz. A 1 - hydrofobowych, 2 - amfipatycznymi, 3 - hydrofilowymi В 1 - amfipatycznych, 2 - hydrofobowymi, 3 - hydrofilowymi C 1 - hydrofilowych, 2 - hydrofobowymi, 3 - amfipatycznymi D 1 - amfipatycznych, 2 - hydrofilowymi, 3 - hydrofobowymi E 1 - hydrofobowych, 2 - hydrofilowymi, 3 - amfipatycznymi
2
Niektóre struktury komórkowe posiadają własny aparat genetyczny są zdolne do syntezy białek i rozmnażania wewnątrz komórki. W komórce zwierzęcej do nich należą
A cysterny aparatu Golgiego В rybosomy C mitochondria
D jądra E lizosomy
3
Powstanie błon w komórce zwierzęcej (synteza fosfolipidów i składanie podwójnych warstw) zachodzi w
A mitochondriach В strukturach Golgiego C retikulum endoplazmatycznym D lizosomach E jądrze
4
Na rycinie pokazano część błony. Wskaż, jakie obiekty zaznaczono cyframi 1 -3.
A 1 - białko integralne,
2 - białko obwodowe,
3 - białko zakotwiczone В 1 - białko obwodowe,
2 - białko integralne,
3 - białko zakotwiczone C 1 - białko integralne,
2 - białko zakotwiczone, 3 - białko obwodowe D 1 - białko obwodowe, 2 - białko zakotwiczone, 3 - białko integralne E 1 - białko zakotwiczone, 2 - białko obwodowe, 3 - białko integralne
5
Na rycinie pokazano dwa rodzaje transportu przez błony. Po lewej stronie ryciny przedstawiono (1), w taki sposób przez błonę może przedostawać się (2). Po lewej stronie ryciny podano przykład (3), dzięki czemu zachodzi transport (4).
A 1 - transport pasywny, 2 - tlen,
3 - transportu aktywnego, 4 - kationu potasu В 1 - transport aktywny, 2 - kation sodu,
3 - dyfuzji prostej, 4 - wody C 1 - dyfuzję prostą, 2 - dwutlenek węgla,
3 - dyfuzji wspomaganej, 4 - glukozy D 1 - transport aktywny, 2 - kation sodu,
3 - transportu pasywnego, 4 - wody E 1 - dyfuzję wspomaganą, 2 - woda, 3 - dyfuzji prostej, 4 - glukozy
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Wytłumacz pojęcia wykorzystane w twierdzeniu: „Komórka jest najmniejszą uniwersalną jednostką żywego organizmu - najdrobniejszą strukturą, która ma właściwości żywego układu: samoregulację i samoodnawianie”.
7
Na rycinie 9.2 przedstawiono ogólną budowę komórki zwierzęcej. Widzimy, że ona posiada dużo części strukturalno-funkcjonalnych. Spróbuj je połączyć w grupy i wskaż zasadę, którą się kierowałeś, łącząc te części w grupy.
8
Dokonaj analizy osobliwości funkcjonowania komórki, których przykłady podano w paragrafie i wyjaśnij, jak zmienia się i od czego zależy stosunek białek i lipidów w błonach biologicznych.
9
Jak i dlaczego przemieszczają się cząsteczki fosfolipidów w błonie? Wykonaj rysunki, zaznaczając możliwe przemieszczenia lipidów. Zastanów się nad biologiczną rolą tych przemieszczeń i ich podstawy chemicznej.
10
Błona erytrocytu zawiera wiele komponentów. Wskaż, gdzie na rycinie pokazano zewnętrzną stronę błony. Omów możliwe funkcje narysowanych na rycinie komponentów.
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
11
Podaj charakterystykę różnorodności fosfolipidów, tworzących błony komórek zwierzęcych. Spróbuj ułożyć listę takich fosfolipidów i zaznacz osobliwości ich budowy i roli biologicznej. Gdzie człowiek wykorzystuje fosfolipidy?
12
W błonie nie można zrobić dziury. Wskaż, w jakich sytuacjach jest to korzystne, a w jakich - nie bardzo. Taka „odporność” jest uwarunkowana niektórymi właściwościami błony i komponentów, które wchodzą w jej skład. Wymień te właściwości.
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
13
Pośrednicy wtórni (lub mesendżerzy) przekazują różnorodne sygnały wewnątrz komórki. Podaj opis fosfatydylinozytolowej drogi sygnałowej i jej znaczenia w regulacji funkcji organizmu.
14
Bardzo ważne wydaje się rozumienie procesów składania błon, ich funkcjonowania i rozkładania. Spróbuj ułożyć schemat lub plan „życia” dowolnej błony biologicznej.
Projekt do opracowania w grupie
15
Wysłuchaj pieśń o komórce i spróbuj stworzyć coś podobnego po polsku. Nakręć filmik, umieść go na You Tube i zaśpiewaj kolegom na lekcji biologii.
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow