Podstawowe typy komórek. Charakterystyka struktur komórkowych

Podstawowe typy komórek. Charakterystyka struktur komórkowych

Komórka to podstawowa jednostka strukturalna i funkcjonalna każdego organizmu.

Oznacza to, że każdy organizm może składać się z jednej lub wielu komórek oraz że każda komórka wykonuje wszystkie podstawowe czynności życiowe, takie jak odżywianie, oddychanie czy rozmnażanie.

Kształt komórki może być bardzo różny. Pierwotnie kształt ten jest zbliżony do kuli, ale komórki wyspecjalizowane, wchodzące w skład tkanek mają bardzo różnorodne kształty, co wiąże się z pełnioną przez nie funkcją.

Wielkość komórek waha się najczęściej w granicach od kilku do kilkudziesięciu μm. Najmniejsze komórki to komórki bakterii (0,2 μm), największe to u roślin włókna indyjskiej rośliny rami (do 50 cm), a u zwierząt komórka strusiego jaja o średnicy 30 cm. Komórki nerwowe u dużych zwierząt mogą osiągać długość 1 m.

Budowa komórki

Komórka:

Wśród komórek eukariotycznych wyróżnia się dwa zasadnicze typy:

- komórkę roślinną

- komórkę zwierzęcą

Tabela: Porównanie budowy różnych komórek

Poszczególne struktury występujące w obrębie komórki i spełniające określone funkcje nazywane są organellami (l.poj. organellum).

Błona komórkowa

Zewnętrzna błona otaczająca komórkę ma za zadanie oddzielać ją od otoczenia, ale równocześnie umożliwić jej kontakt ze środowiskiem.

Budowa błony komórkowej

Błona komórkowa ma budowę białkowo-lipidową. Podstawowym składnikiem z grupy lipidów są fosfolipidy. Cząsteczki te tworzą dwie warstwy charakterystycznie ułożone „główkami” na zewnątrz i „ogonkami” do środka.

Pomiędzy fosfolipidami znajdują się białka, których rola może być różna, np.:

- są elementem budulcowym błony

- uczestniczą w transporcie substancji do i z komórki (białka transportowe)

- odbierają sygnały ze środowiska (białka receptorowe).

Błona jest strukturą dynamiczną. Białka wchodzące w skład błony nieustająco zmieniają swoje położenie, dlatego jej budowę najlepiej ilustruje model płynnej mozaiki.

Przechodzenie substancji przez błonę komórkową

Błona komórkowa jest półprzepuszczalna. Oznacza to, że niektóre substancje mogą przez nią przenikać, a inne nie. W transporcie błonowym biorą też udział białka, pomagając większym cząsteczkom w przejściu na drugą stronę.

Sposoby przechodzenia substancji przez błonę komórkową:

1. Dyfuzja prosta to swobodne przenikanie substancji przez błonę, w którym wykorzystywana jest naturalna dążność cząsteczek do wyrównania stężeń. Odbywa się zawsze w kierunku od wyższego stężenia do niższego (zgodnie z gradientem stężeń). Dotyczy cząsteczek na tyle małych, że mogą zmieścić się w porach pomiędzy cząsteczkami lipidów (np. tlen, dwutlenek węgla) lub cząsteczek rozpuszczalnych w tłuszczach.

2. Dyfuzja wspomagana dotyczy cząsteczek większych, które nie mieszczą się w porach błony komórkowej, np. glukozy czy aminokwasów. Do przejścia na drugą stronę wykorzystują one odpowiednie białka transportowe. Kierunek transportu jest zgodny z gradientem stężeń, więc proces ten nie wymaga nakładu energii.

3. Transport aktywny polega na przenoszeniu cząsteczek wbrew gradientowi stężeń, czyli od niższego stężenia do wyższego. Transport taki przebiega wbrew naturalnym prawom dyfuzji i dlatego wymaga sporych nakładów energii i obecności białek transportowych.

Dyfuzja nigdy nie wymaga nakładów energii, gdyż odbywa się zgodnie z gradientem stężeń.

W dyfuzji wspomaganej biorą udział białka transportowe.

Transport aktywny wymaga nakładów energii i obecności białek transportowych, gdyż zachodzi wbrew gradientowi stężeń.

Omówione wyżej sposoby dotyczą przenikania substancji rozpuszczonych w wodzie. Natomiast sama woda może swobodnie przenikać przez błonę w procesie zwanym osmozą.

Osmoza jest szczególnym rodzajem dyfuzji polegającym na przenikaniu przez błonę półprzepuszczalną cząsteczek rozpuszczalnika.

Kierunek przepływu wody będzie zależał od stężenia rozpuszczonych substancji w środowisku komórki:

- jeśli stężenie substancji jest wyższe na zewnątrz komórki niż w jej wnętrzu, mówimy, że komórka znajduje się w roztworze hipertonicznym. Woda, dążąc do wyrównania stężeń, będzie wypływać z komórki i komórka będzie się kurczyć.

- jeśli stężenie substancji na zewnątrz jest niższe niż we wnętrzu komórki, to roztwór taki nazywamy hipotonicznym. Woda będzie wnikać do środka, a komórka będzie pęcznieć

- jeśli stężenie jest jednakowe na zewnątrz i we wnętrzu, mówimy, że komórka jest w roztworze izotonicznym. Ilość wody wpływającej do komórki jest równa ilości wody wypływającej i stan komórki nie zmienia się.

Jedynym właściwym środowiskiem dla komórki jest roztwór izotoniczny. Przebywanie przez dłuższy czas w roztworze hipertonicznym lub hipotonicznym jest niebezpieczne dla jej życia, często kończy się śmiercią. Dla komórek ludzkiego ciała roztwór izotoniczny to roztwór 0,9% NaCl, nazywany jest płynem fizjologicznym i stosowany przy podawaniu leków w postaci zastrzyków lub kroplówek.

Potencjał komórki

Błona komórkowa jest spolaryzowana. Oznacza to nierównomierne rozmieszczenie ładunków jonowych na powierzchni błony. Na zewnętrznej jej powierzchni gromadzą się ładunki dodatnie, a na wewnętrznej ładunki ujemne. Za stan polaryzacji odpowiadają nierównomiernie rozmieszczone jony sodu i potasu, które transportowane są przez błonę przy udziale specjalnego białka tzw. pompy sodowo-potasowej. Inne białka błonowe, nazywane kanałami jonowymi są w tym czasie zamknięte. Spolaryzowanie błony komórkowej utrzymuje komórkę w stanie ciągłego oczekiwania na bodziec. Zadziałanie bodźca ze środowiska powoduje otwarcie kanałów jonowych i wyrównanie rozmieszczenia ładunków. Nazywane jest to depolaryzacją błony komórkowej. Depolaryzacja, niczym fala, rozchodzi się po powierzchni komórki wyzwalając jej reakcję.

Potencjał spoczynkowy to stan gotowości komórki do zareagowania na bodziec.

Stan ten utrzymywany jest dzięki polaryzacji błony komórkowej, natomiast sama reakcja zachodzi na skutek jej depolaryzacji i nazywana jest potencjałem czynnościowym.

Błony białkowo-lipidowe o właściwościach podobnych do omówionej błony komórkowej, występują również we wnętrzu komórki. Otaczają organella komórkowe, takie jak jądro, mitochondria, czy chloroplasty, tworzą liczne pęcherzyki wypełnione różnymi substancjami oraz całą sieć kanalików nazwanych siateczką wewnątrzplazmatyczną.

Wszystkie błony występujące w komórce mają budowę białkowo-lipidową i są półprzepuszczalne. Błony takie nazywamy błonami biologicznymi.

Siateczka wewnątrzplazmatyczna

To system kanalików przecinających wnętrze komórki, połączonych z błoną komórkową oraz z błoną jądrową. Rozróżniamy w komórce dwa typy siateczki:

- gładką - na jej powierzchni nie występują żadne struktury, bierze ona udział w produkcji lipidów

- szorstką - do jej powierzchni przyczepione są liczne rybosomy, które uczestniczą w syntezie białka

Niezależnie od rodzaju siateczki pełni ona też inne funkcje:

- dzieli komórkę na przedziały, dzięki temu obok siebie mogą zachodzić różne, czasem przeciwstawne reakcje biochemiczne

- ułatwia transport wewnątrzkomórkowy - duże cząsteczki (np. białka) są przesyłane kanalikami siateczki

Lizosomy

Powstają jako jeden z rodzajów pęcherzyków w aparacie Golgiego i wypełnione są enzymami trawiennymi. Odgrywają dużą rolę w komórkach zwierzęcych pobierających pokarm wymagający strawienia (np. komórki pierwotniaków). Biorą też udział w niszczeniu starych, zużytych lub uszkodzonych organelli komórkowych, co umożliwia regenerację i przebudowę organizmu. Enzymy muszą być zamknięte w lizosomach, gdyż uwolnienie ich spowodowałoby samostrawienie komórki. Taki proces zachodzi po śmierci organizmów. Błona otaczająca lizosom po jakimś czasie ulega uszkodzeniu, enzymy wydostają się do cytoplazmy i rozpoczyna się proces rozkładu.

Jądro komórkowe

Rola jądra komórkowego wynika z faktu, że zawiera ono materiał genetyczny komórki (DNA). Tu zaczyna się proces realizacji informacji genetycznej, tym samym jądro steruje wszystkimi procesami metabolicznymi komórki. W czasie podziału komórki jądro odpowiada za precyzyjne rozdzielenie materiału genetycznego do komórek potomnych.

Budowa jądra komórkowego

Jądro otoczone jest podwójną błoną białkowo-lipidową, w której znajdują się otworki zwane porami. Dzięki nim kontaktuje się ono z cytoplazmą. Wewnątrz jądro wypełnione jest substancją podobną do cytoplazmy, nazywaną sokiem jądrowym albo kariolimfą. Znajdują się w niej m.in. enzymy odpowiedzialne za syntezę DNA i RNA. W soku jądrowym zawieszona jest chromatyna. Jest to wielokrotnie zwinięta nić DNA połączona z białkami. W czasie podziału komórki chromatyna układa się w widoczne pod mikroskopem świetlnym wydłużone struktury zwane chromosomami. W obrębie chromatyny można wyróżnić jedną do kilku kulistych struktur, nazywanych jąderkami. Zadaniem jąderka jest synteza składników rybosomów.

Jądro komórkowe jest elementem niezbędnym do życia. Komórka eukariotyczna nie jest zdolna do samodzielnego istnienia bez jądra. W organizmie człowieka czerwone ciałka krwi, w wyniku specjalizacji tracą jądro komórkowe, dlatego czas ich życia ograniczony jest do 3 miesięcy.

W organizmie człowieka jedynymi komórkami nieposiadającymi jądra są erytrocyty.

Zdarzają się też komórki, które mają wiele jąder komórkowych. W komórkach mięśni szkieletowych podczas ich rozwoju zanika błona oddzielająca od siebie sąsiednie komórki. Efektem tego jest powstanie jednej długiej komórki zawierającej wiele jąder komórkowych. Komórka taka nazywana jest syncytium.

Mitochondria

Mitochondria są miejscem przebiegu najważniejszych etapów oddychania komórkowego. Otoczone są podwójną błoną białkowo-lipidową, przy czym błona zewnętrzna jest gładka, natomiast wewnętrzna mocno pofałdowana i tworzy tzw. grzebienie mitochondrialne.

Wewnątrz mitochondrium występuje substancja przypominająca cytoplazmę, nazywana matrix. Mitochondrium zawiera też własną cząsteczkę

DNA i własne rybosomy, co czyni je strukturą niezależną od jądra komórkowego.

Mitochondria są autonomicznymi (niezależnymi od jądra) organellami komórkowymi.

Etapy oddychania komórkowego, zachodzące w mitochondriach, wymagają obecności tlenu i dostarczają komórce znacznych ilości energii. Enzymy katalizujące te reakcje znajdują się w matrix i na grzebieniach mitochondrialnych. Pofałdowanie wewnętrznej błony znacznie zwiększa powierzchnię, na której mogą znajdować się enzymy, co z kolei zwiększa intensywność zachodzących przemian.

Im więcej energii potrzebuje komórka, tym więcej ma mitochondriów i więcej grzebieni w ich wnętrzu.

Cytoplazma (cytozol)

Cytoplazma jest półpłynną, galaretowatą substancją wypełniającą wnętrze komórki. Składa się głównie z wody, w której rozproszone są cząsteczki białek i innych związków organicznych. Cytoplazma jest roztworem koloidalnym. Może przyjmować postać bardziej płynną (tzw. zol), lub bardziej stałą (tzw. żel). Przechodzenie jednego stanu w drugi jest naturalnym procesem wykorzystywanym przez niektóre komórki np. do wykonywania ruchów pełzakowatych.

Wśród białek występujących w cytoplazmie szczególną rolę odgrywają:

- białka enzymatyczne: ich obecność wiąże się z faktem, że w cytoplazmie zachodzą liczne reakcje biochemiczne wymagające udziału wielu enzymów. Przykładem może tu być początkowy etap oddychania komórkowego (glikoliza), czy też proces biosyntezy białka;

- białka cytoszkieletu: to białka tworzące wewnętrzne elastyczne rusztowanie w komórce, umożliwiające ruch cytoplazmy i organelli w jej wnętrzu, ruch całej komórki oraz nadające jej określony kształt. Włókienka białkowe wchodzące w skład cytoszkieletu dzielimy na mikrofilamenty (czyli mikropałeczki), mikrotubule (inaczej mikrorureczki) i filamenty pośrednie.

Rybosomy

Rybosomy są strukturami, w których zachodzi proces biosyntezy białka. Są małymi ziarnistościami rozproszonymi luźno w obrębie cytoplazmy lub związanymi z błonami siateczki wewnatrzplazmatycznej i zewnętrzną błoną jądrową. Składają się z cząsteczek kwasu rybonukleinowego (tzw. rybosomalny RNA, w skrócie rRNA) i białek. Rybosomy zbudowane są z dwóch podjednostek (mniejszej i większej), które mogą się łączyć i rozdzielać. Tylko rybosomy, w których zachodzi w danym momencie synteza białka są złożone, natomiast podjednostki nieczynnych rybosomów występują oddzielnie.

Wodniczki (wakuole)

Są to struktury otoczone błoną i wypełnione w środku wodą z rozpuszczonymi w niej różnymi substancjami. Pełnią zupełnie inne funkcje w komórkach zwierzęcych i roślinnych, stąd zwyczajowo używa się terminu wodniczka w odniesieniu do komórki zwierzęcej, a wakuola do roślinnej.

Wodniczki komórki zwierzęcej

Dla komórki zwierzęcej charakterystyczna jest duża ilość drobnych wodniczek. Występują one w dwóch rodzajach:

wodniczka pokarmowa

Tworzy się w komórkach pochłaniających większe cząstki pokarmu wymagające strawienia. Powstaje w procesie fagocytozy. Polega on na tym, że błona komórkowa wpukla się do wnętrza komórki wraz z cząstką pokarmu (może to być nawet inna, mniejsza komórka). Gdy wpuklenie jest dostatecznie głębokie, błona komórkowa zamyka się nad nim i powstaje banieczka z zawartością w środku. Jest to właśnie wodniczka pokarmowa, do której dołącza się lizosom z enzymami trawiennymi i zawartość wodniczki zostaje strawiona. Wodniczki takie spotykane są głównie w świecie pierwotniaków lub bardzo prostych bezkręgowców. W organizmie człowieka występują w komórkach układu odpornościowego (makrofagi).

wodniczka tętniąca

Jej nazwa pochodzi od nieustannego kurczenia się, spowodowanego wyrzucaniem poza obręb komórki nadmiaru wody oraz rozpuszczonych w niej produktów przemiany materii, służy więc ona osmoregulacji i wydalaniu. Wodniczki tętniące spotykane są u pierwotniaków słodkowodnych.

Wici i rzęski

Stanowią aparat ruchu w komórkach, stąd spotykane są głównie u pierwotniaków. W organizmie człowieka tylko plemniki posiadają wić. Rzęski natomiast spotykane są na zewnętrznej powierzchni nabłonków, a ich ruch służy np. usuwaniu zanieczyszczeń z dróg oddechowych.

Wici i rzęski różnią się jedynie długością i ilością w jakiej występują. W budowie wewnętrznej nie ma między nimi różnicy. Podstawowym elementem budowy są włókienka białkowe - mikrotubule, rozmieszczone zawsze według takiego samego schematu: 1 para mikrotubuli znajduje się w środku, a 9 par na obwodzie. Wić (lub rzęska) otoczona jest z zewnątrz błoną komórkową.

Elementy typowe dla komórki roślinnej

Chloroplasty

Są organellami występującymi wyłącznie w komórkach roślinnych. W ich wnętrzu przebiegają reakcje składające się na proces fotosyntezy. Otoczone są podwójną błoną białkowo-lipidową, przy czym błona wewnętrzna tworzy skomplikowany system pofałdowań. Pofałdowania te układają się w specyficzne struktury zwane granami, w których znajduje się chlorofil. Całe wnętrze chloroplastu wypełnione jest substancją przypominającą cytoplazmę, zwaną stromą. Wewnątrz chloroplastu znajduje się cząsteczka DNA i rybosomy, a więc, podobnie jak mitochondrium, chloroplast jest autonomicznym organellum komórkowym.

Chloroplasty są jednym z rodzajów plastydów. Wszystkie ich rodzaje spotykamy wyłącznie w komórkach roślinnych. Poza chloroplastami do plastydów należą chromoplasty, które nadają żółtoczerwone zabarwienie owocom lub jesiennym liściom oraz bezbarwne leukoplasty, w których gromadzona jest skrobia.

Wakuola w komórce roślinnej

Dla komórki roślinnej charakterystyczna jest jedna duża wakuola (rzadziej 2-3), wypełniająca prawie całe wnętrze komórki. Błona otaczająca wakuolę nazywana jest tonoplastem, a wypełniający ją roztwór sokiem komórkowym.

Funkcje wakuoli roślinnej:

- jest rezerwuarem wody i utrzymuje komórkę w odpowiednim stanie uwodnienia (odpowiada za turgor komórki)

- jest zbiornikiem różnych zbędnych produktów przemiany materii (komórki roślinne ze względu na obecność ściany komórkowej nie mogą ich wydalać)

- magazynuje substancje odżywcze (np. białka)

- odkładane są w niej substancje specyficzne dla określonego gatunku rośliny, na przykład:

alkaloidy - substancje silnie oddziaływające na organizm człowieka, często będące truciznami lub wykorzystywane jako leki, np. morfina, kodeina, kofeina, nikotyna, strychnina;

glikozydy - stosowane przez człowieka jako leki nasercowe, np. digitalina, strofantyna;

garbniki.

Ściana komórkowa

Ściana komórkowa występuje w komórkach roślin, grzybów i bakterii. Jest najbardziej zewnętrzną częścią komórki i tam gdzie występuje, pełni podobne funkcje: nadaje komórkom kształt, usztywnia je i stanowi dodatkową warstwę ochronną (dość skuteczną - np. komórki roślin w porównaniu ze zwierzęcymi znacznie trudniej ulegają infekcji wirusowej). U poszczególnych organizmów ściana różni się budową: u roślin zbudowana jest z celulozy, u grzybów z chityny, a u bakterii z substancji białkowo-węglowodanowej.

Zestawienie elementów komórki i ich najważniejszych funkcji