Komórki nie wszystkich organizmów posiadają jądro
Wiesz już, że wszystkie komórki zwierząt, roślin, grzybów i pierwotniaków, na przykład pełzaka lub pantofelka, zawierają jądro komórkowe. Organizmy, których komórki zawierają jądro, nazywają się eukariotami. Niektóre komórki organizmów wielokomórkowych przy dojrzewaniu tracą jądro, a wraz z nim - większą część materiału genetycznego, tworząc postkomórkowe struktury (na przykład erytrocyty ssaków i komórki rurek sitowych roślin okrytonasiennych). One nie mogą nazywać się pełnosprawnymi komórkami, ponieważ są pozbawione swego materiału genetycznego. Jednak istnieje wiele organizmów, których materiał genetyczny nie jest otoczony otoczką jądrową, a kontaktuje się z cytoplazmą. Organizmy pozbawione jądra komórkowego nazywają się prokariotami. Najbardziej różnorodną i największą grupą prokariotów są bakterie.
Komórki prokariotyczne i eukariotyczne różnią się nie tylko obecnością jądra. Przy porównaniu pro- i eukariotycznych komórek przede wszystkim rzuca się w oczy różnica wymiarów. Średnio komórka eukariotyczna jest 1000-10000 razy większa od prokariotycznej pod względem objętości (ryc. 12.1). Komórki eukariotyczne, wykorzystując tę przewagę, często odżywiają się prokariotycznymi, pochłaniając je w całości (możesz obserwować ten proces, oglądając wideo na stronie internetowej). Jednak od tej reguły są dość ciekawe wyjątki. Na przykład komórki bakterii Thiomargarita i Epulopiscium mogą dorastać nawet do 0,7 mm, wyprzedzając pod tym względem nie tylko komórki eukariotyczne, a i niektóre organizmy wielokomórkowe. Tajemnica Thiomargarita polega na tym, że prawie całą jej objętość zajmuje wodniczka, a cytoplazma cienką warstwą jest przyciśnięta do błony. W związku z tym przytoczoną regułę trzeba nieco zmienić: objętość aktywnej cytoplazmy komórek eukariotycznych jest większa niż objętość aktywnej cytoplazmy prokariotów.
A. Komórka układu odpornościowego człowieka zagarnia bakterie. Na zdjęciu widać, że wymiary liniowe komórki człowieka około 10 razy przewyższają rozmiary komórki bakteryjnej. Otóż objętość jest większa około 1000 razy. B. Olbrzymia bakteria Epulopiscium w towarzystwie czterech jednokomórkowych eukariotów - pantofelków. C. Budowa pospolitej bakterii - pałeczki jelitowej, olbrzymiej Thiomargarita i pierwotniaka zawłotni w jednej skali. Z ryciny widać, że cytoplazma olbrzymiej bakterii jest przyciśnięta do błony, a w środku znajduje się duża wodniczka.
Wymieniona bakteria - to „balonik powietrzny”, w którym całe życie „jest rozmazane po ścianie”.
Eukarioty potrafiły stworzyć duże komórki dzięki obecności efektywnego systemu transportu wewnątrzkomórkowego, kompartmentalizacji procesów biochemicznych1 i doskonałemu energetycznemu metabolizmowi. Układ transportowy eukariotów zawiera rozwinięty cytoszkielet i system wewnętrznych kanalików. Wiesz już, że cytoszkielet jest nie tylko karkasem podporowym komórki, lecz i systemem dróg transportowych. Poruszając się nimi, białka motorowe mogą przenosić cząsteczki i organelle na duże odległości. Transport cząsteczek w komórce bakterii zachodzi tylko drogą dyfuzji, która pracuje efektywnie tylko na niedużych odległościach (w przypadku komórki - 0,5 - 1 pm, co odpowiada rozmiarom liniowym większości komórek bakteryjnych).
Innym ważnym czynnikiem, który umożliwił znaczne zwiększenie wielkości komórek eukariotycznych, jest powstanie mitochondriów, które są wewnątrzkomórkowymi stacjami energetycznymi. Chodzi o to, że mechanizm oddychania komórkowego powiązany jest z błonami: wewnętrzną błoną mitochondriów w komórkach eukariotów i błoną cy-toplazmatyczną komórek prokariotycznych. Jeżeli wielkość liniowa komórki bakteryjnej zwiększy się na przykład dziesięciokrotnie, to jej objętość zgodnie z zasadami geometrii zwiększy się 1000 razy, a powierzchnia błony - tylko 100 razy. Ponieważ zapotrzebowanie na energię w komórce jest proporcyjne do objętości, a jej produkcja - do powierzchni błony, taka komórka będzie odczuwać znaczny deficyt energii. W komórkach eukariotów ten problem jest rozwiązywany dzięki obecności wewnątrzkomórkowych ośrodków produkcji energii - mitochondriów.
Budowa komórki prokariotycznej
Rozpatrzmy dokładniej, jak zorganizowana jest komórka bakteryjna (ryc. 12.2). Weźmy na przykład pałeczkę jelitową - organizm symbiotyczny, który żyje w jelicie grubym ssaków. Komórkę bakterii otacza błona cytoplazmatyczna, która przypomina pod względem budowy błonę komórkową komórki zwierzęcej. Od zewnątrz komórka jest otoczona ścianą komórkową zbudowaną z mureiny - złożonej substancji zawierającej zarówno polisacharydy, jak i łańcuchy aminokwasowe. Ściana komórkowa chroni bakterie przed wpływami zewnętrznymi oraz bierze udział we współdziałaniu komórki bakterii ze środowiskiem zewnętrznym. Jest wiele komórek bakterii, które są ruchome i zawierają osobliwe struktury ruchowe - wici. Wici bakterii bardzo różnią się od wici eukariotów. W przeciwieństwie do nich nie są otoczone błoną cytoplazmatyczną, lecz całkowicie są zbudowane z białka. Ruch wici zachodzi dzięki motorowi, który mieści się
w samej podstawie wici i jest umocowany w błonie cytoplazma-tycznej. Dzięki ruchowi motoru wić obraca się wokół swej osi, zmuszając komórkę do poruszania się. Zapoznać się z zasadą pracy wici możesz, przeglądając wideo na stronie internetowej.
W cytoplazmie bakterii, w odróżnieniu od cytoplazmy eukario-tów, nie ma pęcherzyków i obłonionych organelli1. Cytoplazma jest dość jednolita, zawiera rybosomy, chociaż czasami w niej trafiają się ziarna substancji zapasowych (zarówno organicznych, jak i nieorganicznych) nie otoczonych błoną.
DNA bakterii tworzy z białkiem kompleks, który jest nazywany nukleoidem. Stosunek masy DNA i białka, w odróżnieniu od chromatyny eukariotów, w nukleotydzie jest przesunięty w stronę DNA i wynosi około 3:2. Nukleoid nie jest otoczony błoną. On bezpośrednio kontaktuje się z cytoplazmą komórki2.
Wtórność komórki eukariotycznej w porównaniu do komórki prokariotycznej
Jak widzimy, komórka prokariotyczna ma bardziej prostą budowę niż eukariotyczna. Ona nie posiada systemu błon wewnętrznych, mitochondriów i wykształconego jądra. Jednak plan budowy komórki prokariotycznej przypomina budowę jednej z organelli eukariotycznej - mitochondrium. Mitochondrium zawiera własny DNA i własne rybosomy. Te osobliwości umożliwiły Lynn Margulis w roku 1967 zaproponować teorię endosymbiozy - pochodzenia mitochondriów od prokariotów i w następstwie pochodzenie komórki eukariotycznej od prokariotycznej. Zgodnie z tą teorią jedna duża komórka prokariotyczna pochłonęła mniejszą drogą owijania błoną, czyli drogą endo-cytozy (ryc. 12.3). Przy tym błona wodniczki komórki przekształciła się na błonę zewnętrzną mitochondrium, a błona cytoplazmatyczna pochłoniętej komórki stała się wewnętrzną błoną mitochondrialną. Endocytowana komórka częściowo zachowała swój genetyczny i syntezujący białko aparat3.
1 U niektórych bakterii błona cytoplazmatyczna tworzy liczne wpięcia (mezosomy), przypominające siateczkę błonową. Jednak te struktury nie są zamknięte i zachowują połączenie z błoną komórkową.
2 Co prawda są wyjątki: u bakterii z grupy planktomicet i porybakterii błona cytoplazmatyczna tworzy kubkowate zagłębienie otaczające nukleoid. Ponieważ jednak ta struktura, nazywana ciałkiem jądrowym, zostaje powiązana z błoną cytoplazmatyczną i nie wytwarza prawdziwych kompleksów jądrowych z porami, ona nie może być uważana za jądro.
3 W procesie ewolucji znaczna część aparatu genetycznego mitochondrium była stracona lub przeniesiona do jądra komórki-gospodarza.
Taka hipoteza była sformułowana przez kilku naukowców jeszcze w końcu XIX - na początku XX stulecia, lecz nie od razu była przyjęta przez wspólnotę naukową. Dopiero w 60. latach XX wieku dzięki rozwojowi technologii genetycznych wskazano na uderzające podobieństwo DNA mitochondriów i DNA jednej z grup bakterii - tak zwanych alfa-proteobakterii. Stopniowo teoria endosymbiozy otrzymywała potwierdzenie i zdobywała popularność, a od lat 80. uważa się za ogólnie przyjętą. Tak więc komórka eukariotyczna - to chimera zbudowana z kilku komórek prokariotycznych, które połączyły się ze sobą. Jedna z nich utworzyła większą
część komórki eukariotycznej, a inne przekształciły się na mitochondria. Co prawda mitochondria nie są jedynymi organellami komórki eukariotycznej, które powstały podczas endosymbiozy. Dowiesz się o tym w następnym paragrafie
Lynn Margulis
Urodziła się w roku 1938 w Chicago (USA). Szkolni nauczyciele charakteryzowali Lynn jako „złą uczennicę, która często stała w kącie”. Jednak po ukończeniu szkoły ona kontynuowała naukę na Uniwersytecie w Chicago i w wieku 22 lat zdobyła stopień magistra w dziedzinie zoologii i genetyki. Była profesorem University of Massachusetts Amherst. Margulis znana jest przede wszystkim jako autorka teorii endosymbiozy. Tę ideę od środka XIX stulecia w tej czy innej postaci wypowiadali różni badacze, jednak dopiero Lynn ułożyła ją w uporządkowany system i domo-gła się jej rozpowszechnienia i uznania wśród czołowych naukowców świata. Oprócz tego Margulis wraz z chemikiem angielskim Jamesem Lovelockiem jest autorką hipotezy Gai, zgodnie z którą cała biosfera jest samoregulującym się superorganizmem. Lynn Margulis zmarła w roku 2011. Jej ciało, zgodnie z testamentem, było poddane kremacji, a popiół rozproszono na ulubionej działce naukowo-badawczej koło budynku.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
Z wymienionych organizmów do prokariotów należą
A pleśń biała В zarazek malaryczny C laseczka sienna
D pełzak czerwonki E pantofelek
2
Do struktur stałych można zaliczyć A leukocyty В plemniki C komórki jajowe D komórki pyłku roślin nasiennych E komórki rurek sitowych roślin kwiatowych
3
Błona komórki bakteryjnej złożona jest z A błony fosfolipidowej i mureinowej ściany komórkowej В błony fosfolipidowej i glikokaliksu C nukleotydu i celulozowej ściany komórkowej D błony steroidowej i chitynowej ściany komórkowej E błony otoczonej warstwą glicerynową
4
Pochodzenie bakteryjne ma następujące organellum komórki eukariotycznej A rybosom В lizosom C retikulum endoplazmatyczne
D mitochondrium E aparat Golgiego
5
Nukleoid bakterii zawiera A białka i DNA В białka i lipidy C białka i węglowodany
D DNA i lipidy E węglowodany i DNA
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Dowiedziałeś się, że niektóre komórki organizmów eukariotycznych w procesie rozwoju straciły jądro. Przytocz przykłady takich komórek. Wskaż ich funkcje. Spróbuj wyjaśnić powiązanie budowy wymienionych przez ciebie komórek z pełnionymi funkcjami.
7
Komórki prokariotyczne są prawie tysiąc razy mniejsze pod względem objętości od eukariotycznych. Z czym to jest związane?
8
Wymień podstawowe strukturalne różnice w budowie pro- i eukariotycznych komórek.
9
Co stanowi materiał dziedziczny komórki prokariotycznej?
10
Na czym polega teoria endosymbiozy? Jaki jest los tej teorii?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
11
Komórki prokariotyczne zwykle są o wiele mniejsze od eukariotycznych. Jednak są wyjątki. Przytocz przykłady takich wyjątków. Co jest gwarancją skutecznego istnienia wielkich komórek prokariotycznych?
12
Wpuklenia błony komórkowej do środka komórki prokariotycznej nazywają się mezosomami. Jakie jest ich znaczenie? U jakich prokariotów najbardziej są rozwinięte mezosomy? Dlaczego niektórzy badacze przez długi czas uważali, że mezo-somy w rzeczywistości nie istnieją, a tylko są błędami interpretacji mikrozdjęć?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
13
Życie bakterii. Jakie ono jest? Spróbuj podać charakterystykę życia jednej komórki bakteryjnej dowolnego gatunku ( od jej powstania do następnego podziału).
14
Jakie organelle komórki prokariotycznej są znane? Jakie funkcje one pełnią? Jak komórka typowego prokariota żyje bez wielu organelli, które są w komórce eukariotycznej?
Dodatek V
Teoria endosymbiozy: mitochondria
Już w końcu XIX stulecia zoologowie dokonali opisu niezwykłych komórkowych organelli, które są we wszystkich komórkach. Niemiecki patolog Richard Altmann w 1890 roku nazwał te organelle bioplastami i wysłowił dziwne przypuszczenie, że bioplasty-to malutkie żywe istoty w środku bardziej złożonych komórek.
W roku 1910 zoolog Kostiantyn Mereżkow dokonał opisu swej „teorii dwóch plazm”, w której wysunął przypuszczenie, że bardziej skomplikowane komórki powstały z bardziej prostych drogą połączenia. Tę teorie on nazwał symbiogenezą. Za czasów Altmanna i Mereżkowskiego takie poglądy były uważane za heretyczne i naukowa wspólnota nie odbierała je poważnie. Przy tym zoologom i botanikom były dobrze znane przykłady symbiontów, na przykład porosty, które są symbiozą grzyba i glonu.
Pasożyty mieszkające w środku komórek też były znane. W roku 1909 Howard Taylor Ricketts dokonał opisu czynnika chorobotwórczego wywołującego gorączkę plamistą Gór Skalistych - malutkiej bakterii, która żyje w środku komórek. W tym samym roku Rickettsowi udało się wyodrębnić czynnik chorobotwórczy duru plamistego w Meksyku - też malutkich bakterii. Niestety, po kilku dniach badacz zginął zarażony tą bakterią. Na jego pamiątkę bakterie wywołujące tę chorobę nazwano riketsjami.
W roku 1922 Iwan Wallin, wykładowca anatomii w Kolorado, który otrzymał nazwisko „Mitochondrial Man”, wysłowił przypuszczenie, że mitochondria mogły powstać z bakterii. Tę myśl nasunął mu fakt, że mitochondria i bakterie mogą zabarwiać się jednakowymi barwnikami, co znaczy, że mają jednakową strukturę chemiczną.
W XX stuleciu bitwy grzmiały i na polach biochemii. Wspólnota naukowa była zajęta poszukiwaniem odpowiedzi na jedno z najciekawszych pytań życia: jak komórka otrzymuje energię i do czego jest potrzebny tlen. O mitochondriach znów zaczęto mówić: stało się oczywiste, że właśnie te malutkie organelle są stacjami energetycznymi komórki. Pytania ewolucji mitochondriów były odłożone na potem: po co spekulować i wysuwać bezsensowne hipotezy, kiedy poważna nauka zajmuje się konkretnymi zagadnieniami?
Dopiero w roku 1967 Lynn Margulis, opierając się na prace swoich poprzedników, sformułowała podstawowe idee teorii endosymbiozy. Ona stwierdziła, że mitochondria prawdopodobnie pochodzą od niepasożytniczych bakterii, a chloroplasty - od sinic (cyjanobakterii).
Jej praca naukowa była odrzucona przez 15 wydawnictw. Na Margulis potoczyła się krytyka ze strony niezgodnych z nią biologów. Zasługuje na szacunek to, z jakim zapałem ta wybitna kobieta broniła swych poglądów. Na cóż opierała się badaczka w swoich wnioskach?
Mitochondria i chloroplasty mają własny DNA, własne rybosomy, które są bardzo podobne do rybosomów bakterii. Proces syntezy białka w środku tych organelli jest bardzo podobny do tego procesu u bakterii. A niektóre białka w błonie wewnętrznej mitochondriów są takie same, jak na błonie zewnętrznej bakterii. Oprócz tego nowe mitochondria i chloroplasty mogą powstawać w wyniku podziału (jak ich niesymbiotyczni przodkowie).
W 80. Latach XX wieku wraz z rozwojem metod sekwencjonowania stało się oczywiste, że DNA, który jest zawarty w tych organellach, znacznie różni się od DNA jądra i bardziej przypomina DNA bakterii. Później okazało się, że genom mitochondriów jest podobny do genomu alfa--proteobakterii, do których należą riketsje. Stopniowo dowodów zebrało się tyle, że już nie można było nie wyznać faktu: mitochondria i chloroplasty - to szczątki kiedyś wolnych bakterii.
Znany angielski popularyzator nauki, autor „Samolubnego genu” Richard Dawkins nazwał teorię endosymbiozy „jednym z najważniejszych osiągnięć w biologii XX stulecia”.
Od momentu publikacji sensacyjnej pracy Margulis minęło pół stulecia, jej teorię endosymbiozy przyjęła cała wspólnota naukowa. Pojawienie się mitochondriów uważane jest za główne wydarzenie powstawania komórek eukariotycznych: otrzymawszy malutkie fermy z produkcji energii, komórki stały się wreszcie zdolne do „oddychania pełnymi piersiami”.
Należy zaznaczyć, że mitochondria nie tylko dostarczają do komórek energii, od nich zależą ważne decyzje. Zaprogramowaną śmierć komórki - apoptozę - uruchamiają mitochondria. Te malutkie organelle decydują, czy komórka będzie żyła dalej, czy popełni samobójstwo.
Mitochondria są przekazywane tylko przez matkę wraz z cytoplazmą komórki jajowej. Jest to cecha wszystkich gatunków rozmnażających się drogą płciową ( nawet tych, których zlewające się komórki płciowe są jednakowe). Dlatego wyznaczyć płeć można następująco: żeńska - to ta, która przekazuje potomkom mitochondria, a męska - nie przekazuje. Powstaje logiczne pytanie: czy nie odegrały mitochondria pewnej roli w powstaniu rozmnażania płciowego?
Biologia mitochondriów - to dziedzina intensywnych badań we współczesnej medycynie. Wiele chorób genetycznych wiąże się właśnie z tymi organellami. Są też bardziej skomplikowane aspekty, które mitochondria mogą wyjaśnić: starzenie się i nowotwór. Mitochondria gromadzą mutacje i same stają się źródłem tlenowych radykałów uszkadzających komórkę. Oddychanie samo w sobie jest bardzo niebezpiecznym procesem, mitochondria dosłownie igrają z ogniem!
Mitochondria zostawiły ślad w kinematografii: George Lucas we wszechświecie Star Wars pokazał dżedajów, obdarzonych Mocą dzięki malutkim żywym istotom - midichlorianom. Dlatego dzień gwiezdnych wojen - 4 maja - uważany jest za dzień mitochondriów.
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow