dom Publiczność 4 Funkcje lizosomów i mitochondriów. Lizosomy i peroksysomy. Mitochondria komórkowe. Funkcje w komórce

Funkcje lizosomów i mitochondriów. Lizosomy i peroksysomy. Mitochondria komórkowe. Funkcje w komórce

Lizosomy. Mitochondria. Plastydy

1. Jaka jest struktura i funkcje ATP?
2. Jakie znasz rodzaje plastydów?

Kiedy różne składniki odżywcze dostają się do komórki poprzez fagocytozę lub pinocytozę, muszą zostać strawione. W której wiewiórki muszą zostać rozbite na poszczególne aminokwasy, polisacharydy – na cząsteczki glukozy lub fruktozy, lipidy- na glicerol i kwasy tłuszczowe. Aby trawienie wewnątrzkomórkowe było możliwe, pęcherzyk fagocytarny lub pinocytarny musi połączyć się z lizosomem (ryc. 25). Lizosom to mały pęcherzyk o średnicy zaledwie 0,5–1,0 mikrona, zawierający duży zestaw enzymów zdolnych do niszczenia składników odżywczych. Jeden lizosom może zawierać 30-50 różnych enzymów.

Treść lekcji notatki z lekcji i ramki pomocnicze prezentacji lekcji metody przyspieszania i technologie interaktywne ćwiczenia zamknięte (tylko do użytku nauczyciela) ocena Ćwiczyć zadania i ćwiczenia, test własny, warsztaty, laboratoria, przypadki stopień trudności zadań: normalny, wysoki, olimpijski praca domowa Ilustracje ilustracje: klipy wideo, audio, fotografie, wykresy, tabele, komiksy, streszczenia multimedialne, porady dla ciekawskich, ściągawki, humor, przypowieści, dowcipy, powiedzonka, krzyżówki, cytaty Dodatki niezależne testy zewnętrzne (ETT), podręczniki, wakacje tematyczne podstawowe i dodatkowe, hasła, artykuły, cechy narodowe, słownik terminów, inne Tylko dla nauczycieli

Masa mózgu w stosunku do masy ciała wynosi około 2%, ale jednocześnie zużywa on 12-17% glukozy i do 20% tlenu z całkowitego budżetu organizmu i żaden z nich nie jest magazynowany do wykorzystania w przyszłości, ale jest używany natychmiast. Utlenianie glukozy zachodzi w mitochondriach, które służą jako stacje energetyczne komórki. Im intensywniejsza aktywność komórki, tym więcej zawiera mitochondriów. W komórkach nerwowych są one dość równomiernie rozmieszczone w cytoplazmie, ale mogą się tam przemieszczać i zmieniać swój kształt.

Średnica mitochondriów waha się od 0,4 do 1 µm, mają one dwie błony, zewnętrzną i wewnętrzną, z których każda jest nieco cieńsza od błony komórkowej. Wewnętrzna membrana ma liczne występy przypominające półki lub cristae. Dzięki takim cristae powierzchnia robocza mitochondriów znacznie się zwiększa. Wewnątrz mitochondriów znajduje się płyn, w którym gromadzi się wapń i magnez w postaci gęstych granulek. W cristae i przestrzeni wewnętrznej mitochondriów znajdują się enzymy oddechowe, które utleniają produkty glikolizy – beztlenowego rozkładu glukozy, metabolitów kwasów tłuszczowych i aminokwasów. Uwolniona energia tych związków jest magazynowana w cząsteczkach kwasu adenozynotrifosforowego (ATP), które powstają w mitochondriach w wyniku fosforylacji cząsteczek kwasu adenozynodifosforowego (ADP).

Mitochondria mają własne DNA i RNA, a także rybosomy, na których syntetyzowana jest część białek. Okoliczność ta daje podstawy do nazywania mitochondriów organellami półautonomicznymi. Ich żywotność jest krótka i około połowa mitochondriów znajdujących się w komórce odnawia się co 10–12 dni: powstają nowe mitochondria, które zastępują te, które wyczerpały swoje zasoby i uległy rozpadowi.

Lizosomy to pęcherzyki o średnicy 250-500 nm ograniczone własną błoną, wewnątrz której zawierają różne proteolizy, tj. Enzymy rozkładające białka. Za pomocą tych enzymów duże cząsteczki białka są dzielone na małe, a nawet aminokwasy. Enzymy lizosomalne syntetyzowane są na rybosomach ER, następnie w pęcherzykach transportowych dostają się do aparatu Golgiego, gdzie często dodaje się do nich składnik węglowodanowy, przekształcając je w ten sposób w glikolipidy. Następnie enzymy są pakowane w błonę aparatu Golgiego i pączkują z niej, zamieniając się w ten sposób w lizosom. Enzymy hydrolityczne lizosomów usuwają z komórki zużyte lub zapadające się struktury cytoplazmatyczne i nadmiar błon, które stały się niepotrzebne. Zużyte lub uszkodzone organelle łączą się z lizosomami i są trawione przez enzymy lizosomalne.

Jak ważne jest to działanie, można ocenić po przejawach chorób, które prowadzą do nadmiernego gromadzenia się pewnych substancji w cytoplazmie dopiero wtedy, gdy przestają one być niszczone z powodu niedoboru choćby jednego z enzymów lizosomalnych. Na przykład w dziedzicznej chorobie Taya-Sachsa występuje niedobór heksozominidazy, enzymu rozkładającego galaktozydy w komórkach nerwowych. W rezultacie wszystkie lizosomy stają się gęsto upakowane niestrawionymi substancjami, a u takich pacjentów występują poważne zaburzenia neurologiczne. Enzymy lizosomalne potrafią rozkładać nie tylko substancje pochodzenia wewnętrznego, endogennego, ale także związki, które wnikają do komórki z zewnątrz poprzez fagocytozę lub pinocytozę.

Cytoszkielet

O kształcie komórki decyduje sieć włókienkowa, tj. białka włókniste, które mogą należeć do jednego z trzech typów: 1) mikrotubule; 2) neurofilamenty; 3) mikrofilamenty (ryc. 1.6). Białka włókniste składają się z powtarzających się identycznych jednostek - monomerów. Jeśli oznaczymy monomer literą M, wówczas strukturę białka włóknistego można uprościć jako M-M-M-M-M... Zatem mikrotubule składają się z cząsteczek tubuliny, mikrofilamenty z cząsteczek aktyny, a montaż i demontaż następuje w razie potrzeby. W komórkach nerwowych wiele, choć nie wszystkie, białek włóknistych jest zorientowanych wzdłuż procesów - aksonów lub dendrytów.

Mikrotubule są najgrubszymi elementami cytoszkieletu, mają kształt pustych cylindrów o średnicy 25-28 nm. Każdy cylinder jest utworzony z 13 podjednostek - protofilamentów, każdy protofilament jest złożony z cząsteczek tubuliny. Umiejscowienie mikrotubul w komórce w dużej mierze determinuje jej kształt. Mikrotubule pełnią rolę stacjonarnych szyn, po których poruszają się niektóre organelle: pęcherzyki wydzielnicze, mitochondria, lizosomy. Prędkość takiego ruchu w aksonie może przekraczać 15 mm/h, ten rodzaj transportu aksonalnego nazywa się szybkim.

Siłą napędową szybkiego transportu jest specjalne białko, kinezyna, które z jednej strony cząsteczki łączy się z transportowaną organellą, a z drugiej z mikrotubulą, wzdłuż której się ślizga, wykorzystując do ruchu energię ATP. Cząsteczki ATP są powiązane z mikrotubulami, a kinezyna ma aktywność ATPazy, enzymu rozkładającego ATP.

Neurofilamenty zbudowane są z nici monomerów skręconych parami. Dwa takie skręty owijają się wokół siebie, tworząc protofilament. Skręcenie dwóch protofibryli to protofibryle, a trzy spiralnie skręcone protofibryle to neurofilamenty, rodzaj liny o średnicy około 10 nm. Neurofilamenty występują w komórce częściej niż inne białka włókniste, a ich elastyczna, skręcona struktura tworzy główny szkielet cytoszkieletu.

Dobrze zachowują azotan srebra, za pomocą którego Golgi, a następnie Ramon y Cajal zabarwili tkankę nerwową, zbadali ją i położyli podwaliny pod teorię neuronalną. W niektórych zmianach zwyrodnieniowych mózgu, np. w chorobie Alzheimera, najczęstszej przyczynie otępienia starczego, kształt neurofilamentów ulega znaczącym zmianom, łącząc się w charakterystyczne dla choroby Alzheimera sploty.

Mikrofilamenty należą do najcieńszych elementów cytoszkieletu, ich średnica wynosi zaledwie 3-5 nm. Tworzą się z kulistych cząsteczek aktyny połączonych jak podwójny sznur paciorków. Każdy monomer aktyny zawiera cząsteczkę ATP, której energia zapewnia skurcz mikrofilamentów. Takie skurcze mogą zmienić kształt komórki, jej aksonu lub dendrytów.

Streszczenie

Podstawowa jednostka wszystkich żywych organizmów, komórka, jest ograniczona ze środowiska przez błonę plazmatyczną, która jest utworzona przez lipidy i kilka rodzajów białek, które decydują o indywidualności komórki.Przechodzenie różnych substancji przez błonę komórkową odbywa się przez kilka mechanizmów transportowych. Jądro komórkowe zawiera informację genetyczną zakodowaną przez sekwencję czterech nukleotydów DNA. Informacje te wykorzystywane są do tworzenia niezbędnych dla komórki białek przy udziale mRNA. Synteza białek zachodzi na rybosomach, dalsze przemiany cząsteczek białek zachodzą w ER. W aparacie Golgiego powstają granulki wydzielnicze, których zadaniem jest przekazywanie informacji do innych komórek. Mitochondria dostarczają komórce niezbędną ilość energii, natomiast lizosomy usuwają niepotrzebne składniki komórki. Białka cytoszkieletowe tworzą kształt komórki i uczestniczą w mechanizmach transportu wewnątrzkomórkowego.

Lizosomy są pęcherzykami oddzielonymi od aparatu Golgiego i zawieszonymi w cytoplazmie. Lizosomy tworzą wewnątrzkomórkowy układ trawienny, który umożliwia komórkom przetwarzanie: (1) uszkodzonych struktur komórkowych; (2) cząsteczki składników odżywczych wychwycone przez komórkę; (3) niepożądane elementy, takie jak bakterie. Lizosomy różnych komórek różnią się znacznie od siebie, ale ich średnica wynosi zwykle 250-750 nm.

Lizosom otoczony regularną dwuwarstwą lipidową i zawiera dużą liczbę małych granulek o średnicy od 5 do 8 nm. Zawartość granulek reprezentowana jest przez agregaty białkowe, które zawierają około 40 różnych hydrolaz (enzymów rozkładających). Enzymy hydrolityczne są zdolne do rozszczepienia substancji organicznych na dwa lub więcej fragmentów poprzez dodanie protonu do jednego z nich i jonu hydroksylowego do drugiego.
Tak, wiewiórki zmydlać się na aminokwasy, glikogen – na glukozę, tłuszcze – na glicerol i kwasy tłuszczowe.

Membrana lizosomy z reguły zapobiega przedostawaniu się enzymów bezpośrednio do cytoplazmy, zapobiegając w ten sposób samostrawieniu komórki. Jednak w niektórych przypadkach integralność błon lizosomalnych zostaje zakłócona, co umożliwia enzymom ucieczkę do cytozolu. Enzymy te rozkładają następnie znajdującą się w pobliżu materię organiczną na małe, łatwo dyfundujące monomery, takie jak aminokwasy i glukoza. Poniżej opisano niektóre specjalne funkcje lizosomów.

Peroksysomy przypominają lizosomy mają jednak dwie istotne różnice. Po pierwsze, uważa się, że powstają one nie z aparatu Golgiego, ale z retikulum endoplazmatycznego poprzez samokopiowanie lub pączkowanie. Po drugie, zawierają głównie oksydazy, a nie hydrolazy. Wiele oksydaz jest zdolnych do przekształcania tlenu i protonów powstających w reakcjach komórkowych w nadtlenek wodoru (H2O2).

Nadtlenek wodoru- silny utleniacz, który wraz z katalazą (jedną z oksydaz peroksysomalnych) jest wykorzystywany przez komórkę do utleniania wielu szkodliwych dla niej substancji. Zatem, korzystając z tego mechanizmu, peroksysomy komórek wątroby niszczą około połowy objętości alkoholu dostającego się do organizmu.

Jedną z ważnych funkcji wielu komórek jest wydzielanie pewnych substancji. Prawie wszystkie te substancje są wytwarzane za pomocą siateczki śródplazmatycznej i aparatu Golgiego, a następnie uwalniane przez ten ostatni do cytoplazmy w postaci osobliwych magazynów - pęcherzyków wydzielniczych lub granulek wydzielniczych. Pęcherzyki te przechowują proenzymy (enzymy w stanie nieaktywnym), które następnie są uwalniane przez błonę komórkową na zewnątrz i przedostają się do przewodu trzustkowego, a stamtąd do dwunastnicy, gdzie są aktywowane i wykorzystywane do trawienia pokarmu.

Ziarnistości wydzielnicze (pęcherzyki wydzielnicze) komórek groniastych trzustki.

Mitochondria komórkowe

Mitochondria w przenośni nazywane „stacjami energetycznymi” komórki, bez nich komórka nie byłaby w stanie pozyskiwać energii ze składników odżywczych i wykonywać swoich funkcji.

Mitochondria zlokalizowane są we wszystkich częściach cytoplazmy, jednak ich całkowita liczba zależy od potrzeb energetycznych danej komórki i waha się od kilkudziesięciu do kilku tysięcy sztuk. Ponadto gęstość rozmieszczenia mitochondriów w cytoplazmie jest najwyższa w regionie o najwyższej aktywności metabolicznej. Mitochondria mogą mieć różne kształty i rozmiary. Mogą być okrągłe (o średnicy zaledwie kilkuset nanometrów), wydłużone (o długości około 7 mikronów i średnicy powyżej 1 mikrona), a także rozgałęzione i nitkowate.

Podstawowe struktury mitochondria są reprezentowane przez dwie błony - zewnętrzną i wewnętrzną, z których każda składa się z dwuwarstwy lipidowej i białek. Liczne fałdy błony wewnętrznej tworzą wypustki zwane cristae, z którymi wiążą się enzymy oksydacyjne.

Poza tym odprawa mitochondria wypełniony matrycą zawierającą dużą ilość rozpuszczonych enzymów niezbędnych w procesach pozyskiwania energii z składników odżywczych. Enzymy te wraz z enzymami oksydacyjnymi, znajdującymi się również w cristae, sprzyjają utlenianiu składników odżywczych do dwutlenku węgla i wody, prowadząc do uwolnienia energii, która jest wykorzystywana do syntezy substancji wysokoenergetycznej – trifosforanu adenozyny (ATP). Powstały ATP przemieszcza się z mitochondriów do tego obszaru komórki, w którym istnieje zapotrzebowanie na energię do wykonywania dowolnej funkcji.

Mitochondria zaliczane są do struktur samoreprodukujących się. Oznacza to, że jedno mitochondrium, wraz ze wzrostem zapotrzebowania na energię ATP, może podzielić się na dwa, trzy itd. Podział następuje na skutek obecności w mitochondriach cząsteczek kwasu dezoksyrybonukleinowego – takich samych jak w jądrze komórkowym. W mitochondriach DNA pełni podobną funkcję, regulując ich samoreprodukcję.

Film edukacyjny: budowa mitochondriów i ich funkcje

Jeśli masz problemy z oglądaniem, pobierz film ze strony

Treść artykułu

KOMÓRKA, podstawowa jednostka istot żywych. Komórka jest oddzielona od innych komórek lub od środowiska zewnętrznego specjalną membraną i posiada jądro lub jego odpowiednik, w którym koncentruje się większość informacji chemicznej kontrolującej dziedziczność. Cytologia bada strukturę komórek, a fizjologia zajmuje się ich funkcjonowaniem. Nauka badająca tkanki zbudowane z komórek nazywa się histologią.

Istnieją organizmy jednokomórkowe, których całe ciało składa się z jednej komórki. Do tej grupy zaliczają się bakterie i protisty (pierwotniaki i glony jednokomórkowe). Czasami nazywane są również bezkomórkowymi, ale częściej używa się terminu jednokomórkowe. Prawdziwe zwierzęta wielokomórkowe (Metazoa) i rośliny (Metaphyta) zawierają wiele komórek.

Zdecydowana większość tkanek składa się z komórek, ale są pewne wyjątki. Na przykład ciało śluzowców (myxomycetes) składa się z jednorodnej substancji, która nie jest podzielona na komórki z licznymi jądrami. Niektóre tkanki zwierzęce, w szczególności mięsień sercowy, są zorganizowane w podobny sposób. Ciało wegetatywne (talus) grzybów jest utworzone przez mikroskopijne nici - strzępki, często podzielone na segmenty; każdy taki wątek można uznać za odpowiednik komórki, choć o nietypowym kształcie.

Niektóre struktury organizmu, które nie biorą udziału w metabolizmie, w szczególności muszle, perły lub mineralna podstawa kości, nie są tworzone przez komórki, ale przez produkty ich wydzielania. Inne, takie jak drewno, kora, rogi, sierść i zewnętrzna warstwa skóry, nie są pochodzenia wydzielniczego, ale powstają z martwych komórek.

Małe organizmy, takie jak wrotki, składają się z zaledwie kilkuset komórek. Dla porównania: w organizmie człowieka znajduje się ok. 10 14 komórek, co sekundę 3 miliony czerwonych krwinek umiera i są zastępowane nowymi, a to tylko jedna dziesięciomilionowa całkowitej liczby komórek ciała.

Zazwyczaj rozmiary komórek roślinnych i zwierzęcych mieszczą się w zakresie od 5 do 20 mikronów średnicy. Typowa komórka bakteryjna jest znacznie mniejsza – ok. 2 mikrony, a najmniejsza znana to 0,2 mikrona.

Niektóre wolno żyjące komórki, takie jak pierwotniaki, takie jak otwornice, mogą osiągnąć kilka centymetrów; zawsze mają wiele rdzeni. Komórki cienkich włókien roślinnych osiągają długość jednego metra, a procesy komórek nerwowych u dużych zwierząt sięgają kilku metrów. Przy takiej długości objętość tych komórek jest niewielka, ale powierzchnia jest bardzo duża.

Największe komórki to niezapłodnione jaja ptasie wypełnione żółtkiem. Największe jajo (a zatem największa komórka) należało do wymarłego ogromnego ptaka - apyornis ( Aepyornis). Prawdopodobnie jego żółtko ważyło ok. 3,5 kg. Największe jajo wśród żyjących gatunków należy do strusia, którego żółtko waży ok. 0,5 kg.

Z reguły komórki dużych zwierząt i roślin są tylko nieznacznie większe niż komórki małych organizmów. Słoń jest większy od myszy nie dlatego, że jego komórki są większe, ale głównie dlatego, że samych komórek jest znacznie więcej. Istnieją grupy zwierząt, takie jak wrotki i nicienie, u których liczba komórek w organizmie pozostaje stała. Tak więc, chociaż duże gatunki nicieni mają większą liczbę komórek niż małe, główna różnica w wielkości wynika w tym przypadku z większych rozmiarów komórek.

W obrębie danego typu komórek ich rozmiary zależą zwykle od ploidii, tj. na liczbę zestawów chromosomów obecnych w jądrze. Komórki tetraploidalne (z czterema zestawami chromosomów) mają dwukrotnie większą objętość niż komórki diploidalne (z dwoma zestawami chromosomów). Ploidię rośliny można zwiększyć wprowadzając do niej ziołowy lek kolchicynę. Ponieważ rośliny narażone na ten efekt mają większe komórki, same są większe. Jednak zjawisko to można zaobserwować tylko w poliploidach niedawnego pochodzenia. W ewolucyjnie starożytnych roślinach poliploidalnych rozmiary komórek podlegają „odwrotnej regulacji” w kierunku normalnych wartości pomimo wzrostu liczby chromosomów.

STRUKTURA KOMÓRKOWA

Kiedyś komórkę uważano za mniej lub bardziej jednorodną kroplę materii organicznej, którą nazywano protoplazmą lub substancją żywą. Termin ten stracił aktualność po odkryciu, że komórka składa się z wielu wyraźnie odrębnych struktur zwanych organellami komórkowymi („małymi organami”).

Skład chemiczny.

Zwykle 70–80% masy komórek stanowi woda, w której rozpuszczone są różne sole i związki organiczne o niskiej masie cząsteczkowej. Najbardziej charakterystycznymi składnikami komórki są białka i kwasy nukleinowe. Niektóre białka są składnikami strukturalnymi komórki, inne są enzymami, tj. katalizatory decydujące o szybkości i kierunku reakcji chemicznych zachodzących w komórkach. Kwasy nukleinowe służą jako nośniki informacji dziedzicznej, która realizowana jest w procesie wewnątrzkomórkowej syntezy białek.

Często komórki zawierają pewną ilość substancji magazynujących, które służą jako rezerwa pożywienia. Komórki roślinne przechowują głównie skrobię, polimerową formę węglowodanów. Inny polimer węglowodanowy, glikogen, jest magazynowany w komórkach wątroby i mięśni. Często przechowywana żywność zawiera również tłuszcz, chociaż niektóre tłuszcze pełnią inną funkcję, a mianowicie pełnią funkcję niezbędnych składników strukturalnych. Białka w komórkach (z wyjątkiem komórek nasiennych) zwykle nie są magazynowane.

Nie da się opisać typowego składu komórki, przede wszystkim ze względu na duże różnice w ilości przechowywanego pożywienia i wody. Komórki wątroby zawierają na przykład 70% wody, 17% białek, 5% tłuszczów, 2% węglowodanów i 0,1% kwasów nukleinowych; pozostałe 6% pochodzi z soli i związków organicznych o niskiej masie cząsteczkowej, w szczególności aminokwasów. Komórki roślinne zazwyczaj zawierają mniej białka, znacznie więcej węglowodanów i nieco więcej wody; wyjątkiem są komórki będące w stanie spoczynku. Komórka spoczynkowa ziarna pszenicy, która jest źródłem składników odżywczych dla zarodka, zawiera ok. 12% białka (głównie białko zmagazynowane), 2% tłuszczu i 72% węglowodanów. Ilość wody osiąga normalny poziom (70–80%) dopiero na początku kiełkowania ziarna.

Główne części komórki.

Niektóre komórki, głównie roślinne i bakteryjne, mają zewnętrzną ścianę komórkową. U roślin wyższych składa się z celulozy. Ściana otacza samą komórkę, chroniąc ją przed naprężeniami mechanicznymi. Komórki, szczególnie komórki bakteryjne, mogą również wydzielać substancje śluzowe, tworząc w ten sposób wokół siebie otoczkę, która podobnie jak ściana komórkowa pełni funkcję ochronną.

To właśnie z niszczeniem ścian komórkowych wiąże się śmierć wielu bakterii pod wpływem penicyliny. Faktem jest, że wewnątrz komórki bakteryjnej stężenie soli i związków drobnocząsteczkowych jest bardzo duże, dlatego w przypadku braku ściany wzmacniającej napływ wody do komórki pod wpływem ciśnienia osmotycznego może doprowadzić do jej rozerwania. Penicylina, która zapobiega tworzeniu się jej ściany podczas wzrostu komórek, prowadzi do rozerwania komórek (lizy).

Ściany komórkowe i kapsułki nie biorą udziału w metabolizmie i często można je oddzielić bez zabijania komórki. Można je zatem uznać za zewnętrzne pomocnicze części komórki. Komórkom zwierzęcym zwykle brakuje ścian komórkowych i torebek.

Sama komórka składa się z trzech głównych części. Poniżej ściany komórkowej, jeśli występuje, znajduje się błona komórkowa. Błona otacza heterogenny materiał zwany cytoplazmą. Okrągłe lub owalne jądro jest zanurzone w cytoplazmie. Poniżej przyjrzymy się bardziej szczegółowo strukturze i funkcjom tych części komórki.

BŁONA KOMÓRKOWA

Błona komórkowa jest bardzo ważną częścią komórki. Łączy wszystkie elementy komórkowe i wyznacza środowisko wewnętrzne i zewnętrzne. Ponadto zmodyfikowane fałdy błony komórkowej tworzą wiele organelli komórkowych.

Błona komórkowa to podwójna warstwa cząsteczek (warstwa dwucząsteczkowa lub dwuwarstwowa). Są to głównie cząsteczki fosfolipidów i innych substancji z nimi powiązanych. Cząsteczki lipidów mają dwoistą naturę, objawiającą się tym, jak zachowują się w stosunku do wody. Głowy cząsteczek są hydrofilowe, tj. mają powinowactwo do wody, a ich ogony węglowodorowe są hydrofobowe. Dlatego lipidy po zmieszaniu z wodą tworzą na swojej powierzchni film podobny do filmu olejowego; Co więcej, wszystkie ich cząsteczki są zorientowane w ten sam sposób: głowy cząsteczek znajdują się w wodzie, a ogony węglowodorowe znajdują się nad jej powierzchnią.

W błonie komórkowej występują dwie takie warstwy i w każdej z nich głowy cząsteczek są zwrócone na zewnątrz, a ogony skierowane do wnętrza błony, jedna w stronę drugiej, dzięki czemu nie mają kontaktu z wodą. Grubość takiej membrany wynosi ok. 7 nm. Oprócz głównych składników lipidowych zawiera duże cząsteczki białka, które potrafią „unosić się” w dwuwarstwie lipidowej i są ułożone tak, że jedna strona jest zwrócona do wnętrza komórki, a druga ma kontakt ze środowiskiem zewnętrznym. Niektóre białka znajdują się tylko na zewnętrznej lub tylko wewnętrznej powierzchni błony lub są tylko częściowo zanurzone w dwuwarstwie lipidowej.

Główną funkcją błony komórkowej jest regulacja transportu substancji do i z komórki. Ponieważ membrana fizycznie przypomina nieco olej, substancje rozpuszczalne w oleju lub rozpuszczalnikach organicznych, takich jak eter, łatwo przez nią przechodzą. To samo dotyczy gazów, takich jak tlen i dwutlenek węgla. Jednocześnie membrana jest praktycznie nieprzepuszczalna dla większości substancji rozpuszczalnych w wodzie, w szczególności cukrów i soli. Dzięki tym właściwościom jest w stanie utrzymać wewnątrz komórki środowisko chemiczne odmienne od tego na zewnątrz. Przykładowo we krwi stężenie jonów sodu jest wysokie, a jonów potasu niskie, natomiast w płynie wewnątrzkomórkowym jony te występują w odwrotnej proporcji. Podobna sytuacja jest typowa dla wielu innych związków chemicznych.

Wiadomo jednak, że komórki nie da się całkowicie odizolować od środowiska, gdyż musi ona otrzymać substancje niezbędne do metabolizmu i pozbyć się produktów końcowych. Ponadto dwuwarstwa lipidowa nie jest całkowicie nieprzepuszczalna nawet dla substancji rozpuszczalnych w wodzie i tzw. penetrujących ją. Białka „tworzące kanały” tworzą pory lub kanały, które mogą otwierać się i zamykać (w zależności od zmian w konformacji białka) oraz w stanie otwartym przewodzić pewne jony (Na +, K +, Ca 2+) wzdłuż gradientu stężeń . W konsekwencji różnica stężeń wewnątrz i na zewnątrz komórki nie może być utrzymana wyłącznie ze względu na niską przepuszczalność membrany. Tak naprawdę zawiera białka, które pełnią funkcję molekularnej „pompy”: transportują określone substancje zarówno do, jak i z komórki, działając wbrew gradientowi stężeń. W rezultacie, gdy stężenie np. aminokwasów wewnątrz komórki jest wysokie, a na zewnątrz niskie, aminokwasy mogą mimo wszystko przepływać ze środowiska zewnętrznego do wewnętrznego. Transfer ten nazywa się transportem aktywnym i wykorzystuje energię dostarczaną przez metabolizm. Pompy membranowe są bardzo specyficzne: każda z nich jest w stanie transportować albo tylko jony określonego metalu, albo aminokwas, albo cukier. Kanały jonowe błony są również specyficzne.

Taka selektywna przepuszczalność jest fizjologicznie bardzo ważna, a jej brak jest pierwszym dowodem śmierci komórki. Łatwo to zilustrować na przykładzie buraków. Jeśli żywy korzeń buraka zanurzy się w zimnej wodzie, zachowuje swój pigment; jeśli buraki zostaną ugotowane, komórki obumierają, stają się łatwo przepuszczalne i tracą pigment, co powoduje, że woda staje się czerwona.

Komórka może „połykać” duże cząsteczki, takie jak białka. Pod wpływem niektórych białek, jeśli są one obecne w płynie otaczającym komórkę, następuje inwazja w błonie komórkowej, która następnie zamyka się, tworząc pęcherzyk – małą wakuolę zawierającą cząsteczki wody i białka; Następnie błona wokół wakuoli pęka, a zawartość dostaje się do komórki. Proces ten nazywany jest pinocytozą (dosłownie „piciem komórki”) lub endocytozą.

Większe cząstki, np. cząstki jedzenia, można w podobny sposób wchłonąć podczas tzw. fagocytoza. Zazwyczaj wakuola powstająca podczas fagocytozy jest większa, a żywność jest trawiona przez enzymy lizosomalne wewnątrz wakuoli, zanim otaczająca błona pęknie. Ten sposób odżywiania jest typowy dla pierwotniaków, takich jak ameby, które zjadają bakterie. Jednak zdolność do fagocytozy jest charakterystyczna zarówno dla komórek jelitowych zwierząt niższych, jak i fagocytów, jednego z rodzajów białych krwinek (leukocytów) kręgowców. W tym drugim przypadku znaczenie tego procesu nie polega na odżywianiu samych fagocytów, ale na ich niszczeniu bakterii, wirusów i innych obcych materiałów szkodliwych dla organizmu.

Funkcje wakuoli mogą być różne. Na przykład pierwotniaki żyjące w słodkiej wodzie doświadczają stałego osmotycznego dopływu wody, ponieważ stężenie soli wewnątrz komórki jest znacznie wyższe niż na zewnątrz. Są w stanie wydzielać wodę do specjalnej wakuoli wydalniczej (kurczliwej), która okresowo wypycha jej zawartość.

Komórki roślinne często mają jedną dużą centralną wakuolę zajmującą prawie całą komórkę; cytoplazma tworzy tylko bardzo cienką warstwę pomiędzy ścianą komórkową a wakuolą. Jedną z funkcji takiej wakuoli jest gromadzenie wody, co pozwala komórce szybko zwiększać rozmiar. Zdolność ta jest szczególnie potrzebna w okresie wzrostu tkanek roślinnych i tworzenia struktur włóknistych.

W tkankach, w miejscach ścisłego połączenia komórek, w ich błonach znajdują się liczne pory utworzone przez przenikające przez błonę białka – tzw. połączenia. Pory sąsiednich komórek znajdują się naprzeciw siebie, dzięki czemu substancje niskocząsteczkowe mogą przechodzić z komórki do komórki - ten system komunikacji chemicznej koordynuje ich aktywność życiową. Przykładem takiej koordynacji jest obserwowany w wielu tkankach mniej lub bardziej synchroniczny podział sąsiadujących komórek.

CYTOPLAZMA

Cytoplazma zawiera błony wewnętrzne, które są podobne do błony zewnętrznej i tworzą różnego rodzaju organelle. Błony te można traktować jako fałdy błony zewnętrznej; czasami membrany wewnętrzne stanowią integralną część z zewnętrzną, ale często wewnętrzna fałda jest rozsznurowana i kontakt z membraną zewnętrzną zostaje przerwany. Jednakże, nawet jeśli kontakt zostanie utrzymany, membrana wewnętrzna i zewnętrzna nie zawsze są chemicznie identyczne. W szczególności skład białek błonowych różni się w różnych organellach komórkowych.

Siateczka endoplazmatyczna.

Sieć błon wewnętrznych składająca się z kanalików i pęcherzyków rozciąga się od powierzchni komórki do jądra. Sieć ta nazywa się retikulum endoplazmatycznym. Często zwracano uwagę, że kanaliki otwierają się na powierzchni komórki, a siateczka śródplazmatyczna pełni w ten sposób rolę aparatu mikrokrążenia, za pośrednictwem którego środowisko zewnętrzne może bezpośrednio oddziaływać z całą zawartością komórki. Interakcję tę stwierdzono w niektórych komórkach, zwłaszcza komórkach mięśniowych, lecz nie jest jeszcze jasne, czy jest ona powszechna. W każdym razie faktycznie zachodzi transport wielu substancji przez te kanaliki z jednej części komórki do drugiej.

Drobne ciałka zwane rybosomami pokrywają powierzchnię retikulum endoplazmatycznego, zwłaszcza w pobliżu jądra. Średnica rybosomu ok. 15 nm, składają się w połowie z białek i w połowie z kwasów rybonukleinowych. Ich główną funkcją jest synteza białek; informacyjny RNA i aminokwasy związane z transferowym RNA są przyłączone do ich powierzchni. Obszary siateczki pokryte rybosomami nazywane są szorstką siateczką śródplazmatyczną, a te bez nich nazywane są gładkimi. Oprócz rybosomów na retikulum endoplazmatycznym lub w inny sposób są do niego adsorbowane różne enzymy, w tym układy enzymatyczne, które zapewniają wykorzystanie tlenu do tworzenia steroli i neutralizacji niektórych trucizn. W niesprzyjających warunkach siateczka śródplazmatyczna szybko ulega degeneracji, dlatego jej stan służy jako czuły wskaźnik stanu zdrowia komórek.

Aparat Golgiego.

Aparat Golgiego (kompleks Golgiego) jest wyspecjalizowaną częścią retikulum endoplazmatycznego, składającą się z ułożonych w stos płaskich worków błonowych. Bierze udział w wydzielaniu białek przez komórkę (następuje w niej pakowanie wydzielanych białek w granulki) i dlatego jest szczególnie rozwinięty w komórkach pełniących funkcję wydzielniczą. Do ważnych funkcji aparatu Golgiego należy także przyłączanie grup węglowodanowych do białek i wykorzystanie tych białek do budowy błony komórkowej i błony lizosomów. U niektórych glonów włókna celulozowe są syntetyzowane w aparacie Golgiego.

Lizosomy

- Są to małe bąbelki otoczone pojedynczą membraną. Pączkują z aparatu Golgiego i prawdopodobnie z siateczki śródplazmatycznej. Lizosomy zawierają różnorodne enzymy rozkładające duże cząsteczki, w szczególności białka. Enzymy te, ze względu na swoje destrukcyjne działanie, są niejako „zamknięte” w lizosomach i uwalniane tylko w razie potrzeby. Zatem podczas trawienia wewnątrzkomórkowego enzymy są uwalniane z lizosomów do wakuoli trawiennych. Lizosomy są również niezbędne do niszczenia komórek; na przykład podczas przemiany kijanki w dorosłą żabę uwolnienie enzymów lizosomalnych zapewnia zniszczenie komórek ogona. W tym przypadku jest to normalne i korzystne dla organizmu, jednak czasami takie niszczenie komórek jest patologiczne. Na przykład wdychany pył azbestu może przedostać się do komórek płuc, w wyniku czego lizosomy pękają, następuje zniszczenie komórek i rozwija się choroba płuc.

Mitochondria i chloroplasty.

Mitochondria to stosunkowo duże struktury przypominające worki o dość złożonej strukturze. Składają się z matrycy otoczonej błoną wewnętrzną, przestrzeni międzybłonowej i błony zewnętrznej. Wewnętrzna membrana jest złożona w fałdy zwane cristae. Skupiska białek znajdują się na cristae. Wiele z nich to enzymy katalizujące utlenianie produktów rozkładu węglowodanów; inne katalizują reakcje syntezy i utleniania tłuszczów. Enzymy pomocnicze biorące udział w tych procesach są rozpuszczone w matrix mitochondrialnej.

W mitochondriach zachodzi utlenianie substancji organicznych połączone z syntezą adenozynotrójfosforanu (ATP). Rozkładowi ATP do difosforanu adenozyny (ADP) towarzyszy uwolnienie energii, która jest zużywana na różne procesy życiowe, na przykład syntezę białek i kwasów nukleinowych, transport substancji do i z komórki, transmisję impulsów nerwowych lub skurczów mięśni. Mitochondria są zatem stacjami energetycznymi, które przetwarzają „paliwo” – tłuszcze i węglowodany – w formę energii, która może zostać wykorzystana przez komórkę, a tym samym organizm jako całość.

Komórki roślinne również zawierają mitochondria, ale głównym źródłem energii dla ich komórek jest światło. Energia świetlna jest wykorzystywana przez te komórki do produkcji ATP i syntezy węglowodanów z dwutlenku węgla i wody. Chlorofil, pigment gromadzący energię świetlną, występuje w chloroplastach. Chloroplasty, podobnie jak mitochondria, mają błonę wewnętrzną i zewnętrzną. Z narośli błony wewnętrznej podczas rozwoju chloroplastów powstają tak zwane chloroplasty. błony tylakoidowe; te ostatnie tworzą spłaszczone worki, zebrane w stosy niczym kolumna monet; te stosy, zwane grana, zawierają chlorofil. Oprócz chlorofilu chloroplasty zawierają wszystkie inne składniki niezbędne do fotosyntezy.

Niektóre wyspecjalizowane chloroplasty nie przeprowadzają fotosyntezy, ale pełnią inne funkcje, takie jak przechowywanie skrobi lub pigmentów.

Względna autonomia.

Pod pewnymi względami mitochondria i chloroplasty zachowują się jak organizmy autonomiczne. Na przykład, podobnie jak same komórki, które powstają wyłącznie z komórek, mitochondria i chloroplasty powstają wyłącznie z wcześniej istniejących mitochondriów i chloroplastów. Wykazano to w doświadczeniach na komórkach roślinnych, w których tworzenie chloroplastów było hamowane przez antybiotyk streptomycynę, oraz na komórkach drożdży, gdzie tworzenie mitochondriów było hamowane przez inne leki. Po takich efektach komórki nigdy nie odtworzyły brakujących organelli. Powodem jest to, że mitochondria i chloroplasty zawierają pewną ilość własnego materiału genetycznego (DNA), który koduje część ich struktury. Jeśli DNA zostanie utracone, co ma miejsce, gdy tworzenie organelli zostanie zahamowane, struktura nie będzie mogła zostać odtworzona. Obydwa typy organelli mają swój własny system syntezy białek (rybosomy i przenoszące RNA), który różni się nieco od głównego układu syntezy białek w komórce; wiadomo na przykład, że układ organelli syntetyzujący białka można stłumić za pomocą antybiotyków, podczas gdy nie mają one wpływu na główny układ.

DNA organelli jest odpowiedzialne za większość dziedziczenia pozachromosomalnego, czyli cytoplazmatycznego. Dziedziczenie pozachromosomalne nie podlega prawom Mendla, ponieważ podczas podziału komórki DNA organelli jest przekazywane komórkom potomnym w inny sposób niż chromosomy. Badanie mutacji zachodzących w DNA organelli i DNA chromosomów wykazało, że DNA organelli jest odpowiedzialne tylko za niewielką część struktury organelli; większość ich białek jest kodowana w genach zlokalizowanych na chromosomach.

Częściowa autonomia genetyczna rozpatrywanych organelli oraz cechy ich systemów syntezy białek posłużyły za podstawę do założenia, że mitochondria i chloroplasty pochodzą od bakterii symbiotycznych, które zadomowiły się w komórkach 1–2 miliardy lat temu. Współczesnym przykładem takiej symbiozy są małe algi fotosyntetyzujące żyjące w komórkach niektórych koralowców i mięczaków. Glony dostarczają żywicielom tlen i pobierają od nich składniki odżywcze.

Struktury włókniste.

Cytoplazma komórki jest lepkim płynem, więc napięcie powierzchniowe powoduje, że można oczekiwać, że komórka będzie kulista, chyba że komórki będą ciasno upakowane. Jednak zwykle nie jest to przestrzegane. Wiele pierwotniaków ma gęste powłoki lub błony, które nadają komórce specyficzny, niekulisty kształt. Niemniej jednak nawet bez błony komórki mogą zachować kształt niekulisty ze względu na fakt, że cytoplazma jest zbudowana za pomocą licznych, raczej sztywnych, równoległych włókien. Te ostatnie są utworzone przez puste mikrotubule, które składają się z jednostek białkowych zorganizowanych w spiralę.

Niektóre pierwotniaki tworzą pseudopodia – długie, cienkie wypustki cytoplazmatyczne, którymi chwytają pożywienie. Pseudopodia zachowują swój kształt dzięki sztywności mikrotubul. Jeśli ciśnienie hydrostatyczne wzrośnie do około 100 atmosfer, mikrotubule rozpadają się, a komórka przyjmuje kształt kropli. Kiedy ciśnienie wraca do normy, mikrotubule ponownie się łączą, a komórka tworzy pseudopodia. Wiele innych komórek reaguje w podobny sposób na zmiany ciśnienia, co potwierdza udział mikrotubul w utrzymaniu kształtu komórki. Montaż i rozpad mikrotubul, niezbędny do szybkiej zmiany kształtu komórki, zachodzi nawet przy braku zmian ciśnienia.

Mikrotubule tworzą również struktury włókniste, które służą jako narządy ruchu komórek. Niektóre komórki mają biczowate wypustki zwane wiciami lub rzęskami – ich bicie zapewnia ruch komórki w wodzie. Jeśli komórka jest nieruchoma, struktury te wypychają wodę, cząsteczki jedzenia i inne cząstki w kierunku komórki lub od niej. Wici są stosunkowo duże i zwykle komórka ma tylko jedną, czasem kilka wici. Rzęski są znacznie mniejsze i pokrywają całą powierzchnię komórki. Chociaż struktury te są charakterystyczne głównie dla najprostszych, mogą występować również w formach wysoce zorganizowanych. W organizmie człowieka wszystkie drogi oddechowe są wyścielone rzęskami. Małe cząsteczki, które dostają się do nich, są zwykle wychwytywane przez śluz na powierzchni komórek, a rzęski wypychają je wraz ze śluzem, chroniąc w ten sposób płuca. Męskie komórki rozrodcze większości zwierząt i niektórych niższych roślin poruszają się za pomocą wici.

Istnieją inne rodzaje ruchu komórkowego. Jednym z nich jest ruch ameboidalny. Ameba, podobnie jak niektóre komórki organizmów wielokomórkowych, „przepływa” z miejsca na miejsce, tj. poruszać się pod wpływem przepływu zawartości komórki. Wewnątrz komórek roślinnych istnieje także stały prąd materii, jednak nie powoduje on ruchu komórki jako całości. Najbardziej zbadanym rodzajem ruchu komórkowego jest skurcz komórek mięśniowych; odbywa się to poprzez przesuwanie się względem siebie włókienek (nici białkowych), co prowadzi do skrócenia komórki.

RDZEŃ

Jądro otoczone jest podwójną błoną. Bardzo wąska (około 40 nm) przestrzeń pomiędzy dwiema błonami nazywana jest okołojądrową. Błony jądrowe przechodzą do błon retikulum endoplazmatycznego, a przestrzeń okołojądrowa otwiera się na przestrzeń siatkową. Zazwyczaj błona jądrowa ma bardzo wąskie pory. Najwyraźniej transportowane są przez nie duże cząsteczki, takie jak informacyjny RNA, który jest syntetyzowany na DNA, a następnie przedostaje się do cytoplazmy.

Większość materiału genetycznego zlokalizowana jest w chromosomach jądra komórkowego. Chromosomy składają się z długich łańcuchów dwuniciowego DNA, do którego przyłączone są zasadowe (tj. zasadowe) białka. Czasami chromosomy mają kilka identycznych nici DNA leżących obok siebie - takie chromosomy nazywane są polietylenem (wieloniciowym). Liczba chromosomów jest różna u różnych gatunków. Komórki diploidalne ludzkiego ciała zawierają 46 chromosomów, czyli 23 pary.

W komórce niedzielącej się chromosomy są przyczepione w jednym lub większej liczbie punktów do błony jądrowej. W normalnym stanie rozwiniętym chromosomy są tak cienkie, że nie są widoczne pod mikroskopem świetlnym. W określonych loci (odcinkach) jednego lub większej liczby chromosomów powstaje gęste ciało, które występuje w jądrach większości komórek – tzw. jąderko. W jąderkach zachodzi synteza i akumulacja RNA wykorzystywanego do budowy rybosomów, a także niektórych innych typów RNA.

PODZIAŁ KOMÓREK

Chociaż wszystkie komórki powstają w wyniku podziału poprzedniej komórki, nie wszystkie dzielą się dalej. Na przykład komórki nerwowe w mózgu po utworzeniu nie dzielą się. Ich liczba stopniowo maleje; Uszkodzona tkanka mózgowa nie jest w stanie zregenerować się poprzez regenerację. Jeśli komórki nadal się dzielą, charakteryzują się cyklem komórkowym składającym się z dwóch głównych etapów: interfazy i mitozy.

Sama interfaza składa się z trzech faz: G 1, S i G 2. Poniżej przedstawiono czas ich trwania, typowy dla komórek roślinnych i zwierzęcych.

G 1 (4–8 godzin). Faza ta rozpoczyna się natychmiast po narodzinach komórki. W fazie G 1 komórka, z wyjątkiem chromosomów (które się nie zmieniają), zwiększa swoją masę. Jeśli komórka nie dzieli się dalej, pozostaje w tej fazie.

S (6–9 godzin). Masa komórek stale rośnie i następuje podwojenie (duplikacja) chromosomalnego DNA. Jednakże chromosomy pozostają pojedyncze w strukturze, chociaż ich masa jest podwojona, ponieważ dwie kopie każdego chromosomu (chromatydy) są nadal połączone ze sobą na całej swojej długości.

G2. Masa komórki nadal rośnie, aż osiągnie w przybliżeniu dwukrotność masy pierwotnej, po czym następuje mitoza.

Po zduplikowaniu chromosomów każda z komórek potomnych powinna otrzymać pełny zestaw chromosomów. Prosty podział komórki nie jest w stanie tego osiągnąć – wynik ten osiąga się w procesie zwanym mitozą. Nie wchodząc w szczegóły, za początek tego procesu należy uznać ułożenie chromosomów w płaszczyźnie równikowej komórki. Następnie każdy chromosom dzieli się wzdłużnie na dwie chromatydy, które zaczynają się rozchodzić w przeciwnych kierunkach, stając się niezależnymi chromosomami. W rezultacie pełny zestaw chromosomów znajduje się na obu końcach komórki. Następnie komórka dzieli się na dwie części, a każda komórka potomna otrzymuje pełny zestaw chromosomów.

Poniżej znajduje się opis mitozy w typowej komórce zwierzęcej. Zwykle dzieli się go na cztery etapy.

I. Profaza. Specjalna struktura komórkowa - centriola - podwaja się (czasami to podwojenie następuje w okresie S interfazy), a dwie centriole zaczynają się rozchodzić w kierunku przeciwnych biegunów jądra. Błona jądrowa ulega zniszczeniu; jednocześnie specjalne białka łączą się (agregują), tworząc mikrotubule w postaci nici. Centriole, obecnie zlokalizowane na przeciwległych biegunach komórki, organizują mikrotubule, które w rezultacie ustawiają się promieniście, tworząc strukturę przypominającą wyglądem kwiat asteru („gwiazdę”). Pozostałe nici mikrotubul rozciągają się od jednej centrioli do drugiej, tworząc tzw. wrzeciono rozszczepialne. W tym czasie chromosomy są w stanie spiralnym, przypominającym sprężynę. Są wyraźnie widoczne w mikroskopie świetlnym, szczególnie po zabarwieniu. W profazie chromosomy ulegają podziałowi, ale chromatydy nadal pozostają połączone parami w strefie centromeru - organelli chromosomalnej podobnej pod względem funkcji do centrioli. Centromery mają również wpływ organizujący na włókna wrzeciona, które teraz rozciągają się od centrioli do centromerów i od nich do innej centrioli.

II. Metafaza. Chromosomy, dotychczas ułożone losowo, zaczynają się poruszać, jakby ciągnięte przez nitki wrzeciona przyczepione do ich centromerów, i stopniowo ustawiają się w tej samej płaszczyźnie, w określonym położeniu i w równej odległości od obu biegunów. Centromery leżące w tej samej płaszczyźnie wraz z chromosomami tworzą tzw. płyta równikowa. Centromery łączące pary chromatyd dzielą się, po czym chromosomy siostrzane są całkowicie rozdzielane.

III. Anafaza. Chromosomy każdej pary poruszają się w przeciwnych kierunkach w kierunku biegunów, jakby były ciągnięte przez nitki wrzeciona. W tym przypadku nici powstają również pomiędzy centromerami sparowanych chromosomów.

IV. Telofaza. Gdy tylko chromosomy zbliżą się do przeciwnych biegunów, sama komórka zaczyna się dzielić wzdłuż płaszczyzny, w której znajdowała się płyta równikowa. W rezultacie powstają dwie komórki. Nici wrzeciona ulegają zniszczeniu, chromosomy rozwijają się i stają się niewidoczne, a wokół nich tworzy się błona jądrowa. Komórki powracają do fazy interfazy G1. Cały proces mitozy trwa około godziny.

Szczegóły mitozy różnią się nieco w zależności od typu komórek. Typowa komórka roślinna tworzy wrzeciono, ale brakuje mu centrioli. U grzybów mitoza zachodzi wewnątrz jądra, bez wcześniejszego rozpadu błony jądrowej.

Sam podział komórki, zwany cytokinezą, nie ma ścisłego związku z mitozą. Czasami zachodzi jedna lub więcej mitoz bez podziału komórki; W rezultacie powstają komórki wielojądrowe, często spotykane w algach. Jeśli jądro zostanie usunięte z jaja jeżowca poprzez mikromanipulację, wrzeciono nadal się tworzy, a jajo nadal się dzieli. To pokazuje, że obecność chromosomów nie jest warunkiem koniecznym podziału komórki.

Rozmnażanie przez mitozę nazywa się rozmnażaniem bezpłciowym, rozmnażaniem wegetatywnym lub klonowaniem. Jego najważniejszym aspektem jest genetyka: przy takiej reprodukcji nie ma rozbieżności czynników dziedzicznych u potomstwa. Powstałe komórki potomne są genetycznie dokładnie takie same jak komórka macierzysta. Mitoza to jedyny sposób samoreprodukcji u gatunków, które nie rozmnażają się płciowo, takich jak wiele organizmów jednokomórkowych. Jednak nawet u gatunków rozmnażających się płciowo komórki organizmu dzielą się w drodze mitozy i pochodzą z pojedynczej komórki, zapłodnionego jaja, a zatem wszystkie są genetycznie identyczne. Rośliny wyższe mogą rozmnażać się bezpłciowo (poprzez mitozę) przez sadzonki i wąsy (dobrze znanym przykładem są truskawki).

Rozmnażanie płciowe organizmów odbywa się za pomocą wyspecjalizowanych komórek, tzw. gamety - oocyty (jaja) i plemniki (plemniki). Gamety łączą się, tworząc jedną komórkę – zygotę. Każda gameta jest haploidalna, tj. ma jeden zestaw chromosomów. W zestawie wszystkie chromosomy są różne, ale każdy chromosom komórki jajowej odpowiada jednemu z chromosomów plemnika. Dlatego zygota zawiera już parę odpowiadających sobie chromosomów, które nazywa się homologicznymi. Chromosomy homologiczne są podobne, ponieważ mają te same geny lub ich warianty (allele), które determinują specyficzne cechy. Na przykład jeden ze sparowanych chromosomów może mieć gen kodujący grupę krwi A, a drugi może mieć wariant kodujący grupę krwi B. Chromosomy zygoty pochodzące z komórki jajowej są matczyne, a te pochodzące z plemnika są ojcowskie.

W wyniku powtarzających się podziałów mitotycznych z powstałej zygoty powstaje organizm wielokomórkowy lub liczne wolno żyjące komórki, jak to ma miejsce w przypadku pierwotniaków rozmnażających się płciowo i w glonach jednokomórkowych.

Podczas tworzenia gamet diploidalny zestaw chromosomów obecny w zygocie musi zostać zmniejszony o połowę. Gdyby tak się nie stało, w każdym pokoleniu fuzja gamet doprowadziłaby do podwojenia zestawu chromosomów. Redukcja do haploidalnej liczby chromosomów następuje w wyniku podziału redukcyjnego – tzw. mejoza, która jest odmianą mitozy.

Rozszczepienie i rekombinacja.

Osobliwością mejozy jest to, że podczas podziału komórki płytka równikowa jest tworzona przez pary homologicznych chromosomów, a nie przez zduplikowane pojedyncze chromosomy, jak w przypadku mitozy. Sparowane chromosomy, z których każdy pozostaje pojedynczy, rozchodzą się do przeciwnych biegunów komórki, komórka dzieli się, w wyniku czego komórki potomne otrzymują połowę zestawu chromosomów w porównaniu z zygotą.

Załóżmy na przykład, że zestaw haploidalny składa się z dwóch chromosomów. W zygocie (a zatem we wszystkich komórkach organizmu wytwarzających gamety) obecne są chromosomy matczyne A i B oraz chromosomy ojcowskie A” i B”. Podczas mejozy dzielą się w następujący sposób:

Najważniejszą rzeczą w tym przykładzie jest fakt, że gdy chromosomy się rozchodzą, niekoniecznie powstaje pierwotny zestaw matczyny i ojcowski, ale możliwa jest rekombinacja genów, jak w przypadku gamet AB” i A”B na powyższym schemacie.

Załóżmy teraz, że para chromosomów AA" zawiera dwa allele - A I B– gen określający grupy krwi A i B. Podobnie para chromosomów „BB” zawiera allele M I N inny gen determinujący grupy krwi M i N. Rozdzielenie tych alleli może przebiegać w następujący sposób:

Oczywiście powstałe gamety mogą zawierać dowolną z następujących kombinacji alleli dwóch genów: jestem, miliard, bm Lub jakiś.

Jeśli chromosomów jest więcej, pary alleli będą segregować niezależnie według tej samej zasady. Oznacza to, że te same zygoty mogą wytwarzać gamety z różnymi kombinacjami alleli genów i dawać początek różnym genotypom u potomstwa.

Podział mejotyczny.

Obydwa przykłady ilustrują zasadę mejozy. W rzeczywistości mejoza jest procesem znacznie bardziej złożonym, ponieważ obejmuje dwa kolejne podziały. Najważniejsze w mejozie jest to, że chromosomy podwajają się tylko raz, podczas gdy komórka dzieli się dwukrotnie, w wyniku czego liczba chromosomów zmniejsza się, a zestaw diploidalny zamienia się w haploidalny.

Podczas profazy pierwszego podziału chromosomy homologiczne ulegają koniugacji, czyli łączą się w pary. W wyniku tego bardzo precyzyjnego procesu każdy gen kończy się naprzeciw swojego homologu na innym chromosomie. Następnie oba chromosomy podwajają się, ale chromatydy pozostają połączone ze sobą wspólnym centromerem.

W metafazie cztery połączone chromatydy ustawiają się w jednej linii, tworząc płytkę równikową, jakby były jednym zduplikowanym chromosomem. W przeciwieństwie do tego, co dzieje się podczas mitozy, centromery nie dzielą się. W rezultacie każda komórka potomna otrzymuje parę chromatyd nadal połączonych centromerem. Podczas drugiego podziału chromosomy, już pojedyncze, ponownie ustawiają się w szeregu, tworząc niczym w przypadku mitozy płytkę równikową, ale podczas tego podziału nie następuje ich podwojenie. Centromery następnie dzielą się i każda komórka potomna otrzymuje jedną chromatydę.

Podział cytoplazmatyczny.

W wyniku dwóch podziałów mejotycznych komórki diploidalnej powstają cztery komórki. Kiedy tworzą się męskie komórki rozrodcze, otrzymuje się cztery plemniki mniej więcej tej samej wielkości. Kiedy powstają jaja, podział cytoplazmy zachodzi bardzo nierównomiernie: jedna komórka pozostaje duża, a pozostałe trzy są tak małe, że prawie w całości są zajęte przez jądro. Te małe komórki, tzw. ciała polarne służą jedynie do przyjmowania nadmiaru chromosomów powstałych w wyniku mejozy. Większość cytoplazmy niezbędnej dla zygoty pozostaje w jednej komórce - jaju.

Koniugacja i krzyżowanie.

Podczas koniugacji chromatydy homologicznych chromosomów mogą się rozbić, a następnie połączyć w nowym porządku, wymieniając sekcje w następujący sposób:

Ta wymiana odcinków homologicznych chromosomów nazywana jest krzyżowaniem. Jak pokazano powyżej, krzyżowanie prowadzi do pojawienia się nowych kombinacji alleli połączonych genów. Tak więc, jeśli oryginalne chromosomy miały kombinacje AB I ok, to po przekroczeniu będą zawierać Ab I aB. Ten mechanizm powstawania nowych kombinacji genów uzupełnia efekt niezależnego sortowania chromosomów, który zachodzi podczas mejozy. Różnica polega na tym, że krzyżowanie oddziela geny na tym samym chromosomie, podczas gdy sortowanie niezależne oddziela tylko geny na różnych chromosomach.

PRZEMIENNE POKOLENIA

PRYMITYWNE KOMÓRKI: PROKARYOTY

Wszystko to dotyczy komórek roślin, zwierząt, pierwotniaków i jednokomórkowych glonów, zwanych łącznie eukariontami. Eukarionty wyewoluowały z prostszej formy, prokariotów, które są obecnie reprezentowane przez bakterie, w tym archebakterie i cyjanobakterie (te ostatnie zwane wcześniej niebiesko-zielonymi algami). W porównaniu z komórkami eukariotycznymi komórki prokariotyczne są mniejsze i mają mniej organelli komórkowych. Mają błonę komórkową, ale brakuje im retikulum endoplazmatycznego, a rybosomy swobodnie unoszą się w cytoplazmie. Mitochondria są nieobecne, ale enzymy utleniające są zwykle przyłączone do błony komórkowej, która w ten sposób staje się odpowiednikiem mitochondriów. Prokariotom brakuje również chloroplastów, a chlorofil, jeśli jest obecny, występuje w postaci bardzo małych granulek.

Prokarioty nie mają jądra otoczonego błoną, chociaż lokalizację DNA można zidentyfikować na podstawie jego gęstości optycznej. Odpowiednikiem chromosomu jest nić DNA, zwykle okrągła, do której przyłączonych jest znacznie mniej białek. Łańcuch DNA jest przyłączony do błony komórkowej w jednym punkcie. U prokariotów nie ma mitozy. Zastępuje go następujący proces: DNA podwaja się, po czym błona komórkowa zaczyna rosnąć pomiędzy sąsiadującymi punktami połączenia dwóch kopii cząsteczki DNA, które w rezultacie stopniowo się rozchodzą. Komórka ostatecznie dzieli się pomiędzy punktami przyłączenia cząsteczek DNA, tworząc dwie komórki, każda z własną kopią DNA.

RÓŻNICOWANIE KOMÓREK

Rośliny i zwierzęta wielokomórkowe wyewoluowały z organizmów jednokomórkowych, których komórki po podziale pozostały razem, tworząc kolonię. Początkowo wszystkie komórki były identyczne, jednak dalsza ewolucja doprowadziła do zróżnicowania. Przede wszystkim różnicowały się komórki somatyczne (tj. komórki organizmu) i komórki rozrodcze. Dalsze różnicowanie stało się bardziej skomplikowane – powstawało coraz więcej różnych typów komórek. Ontogeneza – indywidualny rozwój organizmu wielokomórkowego – powtarza w ogólnym ujęciu ten proces ewolucyjny (filogeneza).

Fizjologicznie komórki różnicują się częściowo poprzez wzmocnienie jednej lub drugiej cechy wspólnej dla wszystkich komórek. Na przykład funkcja skurczowa ulega wzmocnieniu w komórkach mięśniowych, co może być wynikiem ulepszenia mechanizmu wykonującego ruch ameboidalny lub inne rodzaje ruchu w mniej wyspecjalizowanych komórkach. Podobnym przykładem są cienkościenne komórki korzeniowe wraz z ich wyrostkami, tzw. włośniki, które służą do wchłaniania soli i wody; w takim czy innym stopniu funkcja ta jest nieodłączna dla wszystkich komórek. Czasem specjalizacja wiąże się z nabyciem nowych struktur i funkcji – przykładem jest rozwój narządu ruchu (wici) w plemniku.

Szczegółowo zbadano różnicowanie na poziomie komórkowym lub tkankowym. Wiemy na przykład, że czasami zachodzi to autonomicznie, tj. jeden typ komórki może przekształcić się w inny, niezależnie od rodzaju komórek sąsiednich komórek. Jednak tzw Indukcja embrionalna to zjawisko, w którym jeden rodzaj tkanki stymuluje komórki innego typu do różnicowania się w określonym kierunku.

W ogólnym przypadku różnicowanie jest nieodwracalne, tj. wysoce zróżnicowane komórki nie mogą przekształcić się w inny typ komórek. Jednak nie zawsze tak jest, szczególnie w komórkach roślinnych.

Różnice w strukturze i funkcji ostatecznie zależą od rodzaju białek syntetyzowanych w komórce. Ponieważ synteza białek jest kontrolowana przez geny, a zestaw genów jest taki sam we wszystkich komórkach organizmu, różnicowanie musi zależeć od aktywacji lub inaktywacji pewnych genów w różnych typach komórek. Regulacja aktywności genów zachodzi na poziomie transkrypcji, tj. tworzenie informacyjnego RNA przy użyciu DNA jako matrycy. Tylko transkrybowane geny wytwarzają białka. Syntetyzowane białka mogą blokować transkrypcję, ale czasami także ją aktywują. Ponadto, ponieważ białka są produktami genów, niektóre geny mogą kontrolować transkrypcję innych genów. W regulacji transkrypcji biorą także udział hormony, w szczególności steroidy. Bardzo aktywne geny można powielać (podwajać) wiele razy, aby wytworzyć więcej informacyjnego RNA.

Rozwój nowotworów złośliwych często uważa się za szczególny przypadek różnicowania komórkowego. Jednak pojawienie się komórek złośliwych jest wynikiem zmian w strukturze DNA (mutacji), a nie procesów transkrypcji i translacji na białko normalnego DNA.

METODY BADANIA KOMÓREK

Mikroskop świetlny.

Pierwszym narzędziem do badania formy i struktury komórek był mikroskop świetlny. Jego zdolność rozdzielcza jest ograniczona wymiarami porównywalnymi z długością fali światła (0,4–0,7 μm dla światła widzialnego). Jednak wiele elementów struktury komórkowej ma znacznie mniejsze rozmiary.

Inną trudnością jest to, że większość składników komórkowych jest przezroczysta i ma współczynnik załamania światła prawie taki sam jak woda. Aby poprawić widoczność, często stosuje się barwniki, które mają różne powinowactwo do różnych składników komórkowych. Barwienie służy również do badania chemii komórki. Na przykład niektóre barwniki wiążą się preferencyjnie z kwasami nukleinowymi i w ten sposób ujawniają ich lokalizację w komórce. Niewielką część barwników — zwanych barwnikami przyżyciowymi — można zastosować do barwienia żywych komórek, ale zazwyczaj komórki należy najpierw utrwalić (przy użyciu substancji koagulujących białka), zanim będzie można je zabarwić. Cm. HISTOLOGIA.

Przed badaniem komórki lub kawałki tkanki są zwykle zatapiane w parafinie lub plastiku, a następnie cięte na bardzo cienkie skrawki za pomocą mikrotomu. Metoda ta jest szeroko stosowana w laboratoriach klinicznych do identyfikacji komórek nowotworowych. Oprócz konwencjonalnej mikroskopii świetlnej opracowano inne optyczne metody badania komórek: mikroskopię fluorescencyjną, mikroskopię z kontrastem fazowym, spektroskopię i analizę dyfrakcji promieni rentgenowskich.

Mikroskop elektronowy.

Mikroskop elektronowy ma rozdzielczość ok. 1–2 nm. To wystarczy do badania dużych cząsteczek białka. Zwykle konieczne jest pokolorowanie i kontrastowanie obiektu solami metali lub metalami. Z tego powodu, a także dlatego, że obiekty bada się w próżni, za pomocą mikroskopu elektronowego można badać jedynie martwe komórki.

Autoriografia.

Jeśli do pożywki zostanie dodany izotop promieniotwórczy, który jest absorbowany przez komórki podczas metabolizmu, można następnie wykryć jego wewnątrzkomórkową lokalizację za pomocą autoradiografii. Dzięki tej metodzie cienkie skrawki komórek umieszcza się na folii. Film ciemnieje pod miejscami, w których znajdują się izotopy promieniotwórcze.

Wirowanie.

Do badań biochemicznych składników komórkowych komórki muszą zostać zniszczone – mechanicznie, chemicznie lub ultradźwiękowo. Uwolnione składniki zawieszone są w cieczy i można je wyizolować i oczyścić poprzez wirowanie (najczęściej w gradiencie gęstości). Zazwyczaj takie oczyszczone składniki zachowują wysoką aktywność biochemiczną.

Hodowle komórkowe.

Niektóre tkanki można podzielić na pojedyncze komórki, dzięki czemu komórki pozostają żywe i często są w stanie się rozmnażać. Fakt ten definitywnie potwierdza ideę komórki jako żywej jednostki. Gąbkę, prymitywny organizm wielokomórkowy, można rozdzielić na komórki poprzez przetarcie jej przez sito. Po pewnym czasie komórki te łączą się ponownie i tworzą gąbkę. Tkanki embrionalne zwierząt można doprowadzić do dysocjacji za pomocą enzymów lub innych środków osłabiających wiązania między komórkami.

Amerykański embriolog R. Harrison (1879–1959) jako pierwszy wykazał, że komórki embrionalne, a nawet niektóre dojrzałe, w odpowiednim środowisku mogą rosnąć i rozmnażać się poza organizmem. Technikę tę, zwaną hodowlą komórkową, udoskonalił francuski biolog A. Carrel (1873–1959). Komórki roślinne można również hodować w hodowli, ale w porównaniu z komórkami zwierzęcymi tworzą one większe skupiska i są mocniej ze sobą połączone, dlatego w miarę wzrostu kultury tworzą się tkanki, a nie pojedyncze komórki. W hodowli komórkowej z pojedynczej komórki można wyhodować całą dorosłą roślinę, np. marchewkę.

Mikrochirurgia.

Za pomocą mikromanipulatora można usunąć, dodać lub w jakiś sposób zmodyfikować poszczególne części komórki. Dużą komórkę ameby można podzielić na trzy główne elementy – błonę komórkową, cytoplazmę i jądro, a następnie elementy te można ponownie złożyć, tworząc żywą komórkę. W ten sposób można uzyskać sztuczne komórki składające się ze składników różnych typów ameb.

Jeśli weźmiemy pod uwagę, że sztuczna synteza niektórych składników komórkowych wydaje się możliwa, to eksperymenty ze składaniem sztucznych komórek mogą być pierwszym krokiem w kierunku stworzenia nowych form życia w laboratorium. Ponieważ każdy organizm rozwija się z pojedynczej komórki, metoda wytwarzania sztucznych komórek w zasadzie pozwala na konstruowanie organizmów danego typu, jeśli jednocześnie użyje się komponentów nieco różniących się od tych, które znajdują się w istniejących komórkach. W rzeczywistości jednak nie jest wymagana pełna synteza wszystkich składników komórkowych. Strukturę większości, jeśli nie wszystkich, składników komórki określają kwasy nukleinowe. Zatem problem powstawania nowych organizmów sprowadza się do syntezy nowych typów kwasów nukleinowych i zastąpienia ich naturalnymi kwasami nukleinowymi w określonych komórkach.

Fuzja komórkowa.

Inny rodzaj sztucznych komórek można otrzymać poprzez fuzję komórek tego samego lub różnych gatunków. Aby osiągnąć fuzję, komórki poddaje się działaniu enzymów wirusowych; w tym przypadku zewnętrzne powierzchnie dwóch komórek są sklejane ze sobą, a błona między nimi ulega zniszczeniu i powstaje komórka, w której dwa zestawy chromosomów są zamknięte w jednym jądrze. Możliwe jest łączenie komórek różnych typów lub znajdujących się na różnych etapach podziału. Metodą tą udało się uzyskać komórki hybrydowe myszy i kurczaka, człowieka i myszy oraz człowieka i ropuchy. Komórki takie tylko początkowo są hybrydowe, a po licznych podziałach komórkowych tracą większość chromosomów jednego lub drugiego typu. Produktem końcowym staje się na przykład zasadniczo komórka myszy, która nie zawiera żadnych ludzkich genów lub zawiera je tylko w śladowych ilościach. Szczególnie interesująca jest fuzja komórek normalnych i złośliwych. W niektórych przypadkach hybrydy stają się złośliwe, w innych nie, tj. obie właściwości mogą objawiać się zarówno jako dominujące, jak i recesywne. Wynik ten nie jest nieoczekiwany, ponieważ nowotwór złośliwy może być spowodowany różnymi czynnikami i ma złożony mechanizm.

Literatura:

Ham A., Cormack D. Histologia, t. 1. M., 1982
Alberts B., Bray D., Lewis J., Raff M., Roberts K., Watson J. Biologia molekularna komórki, t. 1. M., 1994

Masa mózgu w stosunku do masy ciała wynosi około 2%, ale jednocześnie zużywa on z całkowitego budżetu organizmu 12-17% glukozy i do 20% tlenu, przy czym żadna z tych wartości nie jest magazynowana do przyszłego wykorzystania, ale jest natychmiast zużywana.Utlenianie glukozy zachodzi w mitochondriach, które służą jako stacje energetyczne komórki. Im intensywniejsza aktywność komórki, tym więcej zawiera mitochondriów, które w komórkach nerwowych są w miarę równomiernie rozmieszczone w cytoplazmie, mogą się jednak tam przemieszczać i zmieniać swój kształt.