Struktura komórki

Tło

Komórki reprezentują najbardziej podstawowe jednostki biologiczne wszystkich organizmów, niezależnie od tego, czy są to proste, jednokomórkowe organizmy, takie jak bakterie, czy duże, wielokomórkowe organizmy, takie jak słonie i gigantyczne sekwoje. W połowie XIX wieku zaproponowano teorię komórki, aby zdefiniować komórkę, która stwierdza:

• Każdy żywy organizm składa się z jednej lub więcej komórek.
• Komórki są jednostkami funkcjonalnymi wszystkich organizmów.
• Wszystkie komórki powstają z wcześniej istniejących komórek.

Wszystkie komórki mają wspólne cechy, takie jak błona plazmatyczna, cytoplazma, DNA i rybosomy. Błona plazmatyczna to dwuwarstwa fosfolipidowa, która otacza komórkę. Ta cienka i płynna warstwa wokół komórek służy do izolowania zawartości komórki od jej otoczenia i reguluje wymianę materiału z otoczeniem, jednocześnie ułatwiając interakcje z innymi komórkami. Wewnątrz błony plazmatycznej komórka jest wypełniona żelowym płynem zwanym cytoplazmą, który zawiera cząsteczki organiczne, sole i inne materiały, które są niezbędne dla funkcji komórki. Dlatego w cytoplazmie zachodzą reakcje biochemiczne podtrzymujące życie, które są znane jako procesy metaboliczne. Rodzaje procesów metabolicznych, które komórka może wykonać, zależą od jej informacji genetycznej. Wszystkie komórki wykorzystują DNA jako materiał genetyczny, który jest dziedzicznym planem budowy struktur komórkowych i produktów. Wreszcie, wszystkie komórki używają rybosomów do syntezy swoich produktów białkowych.

Istnieją dwa typy komórek w zależności od lokalizacji ich materiału genetycznego: prokariotyczny, co oznacza "przed jądrem" i eukariotyczne, co oznacza "prawdziwe jądro". Dlatego, podczas gdy oba typy organizmów mają DNA, prokariota, takie jak bakterie, mają nukleoidy lub składniki "podobne do jądra" zamiast jądra, podczas gdy eukarionty mają prawdziwe, związane z błoną jądra, które zawierają ich DNA. Co więcej, prokariota są stosunkowo małe, około 0,1–5,0 mikrometrów (μm), w porównaniu do eukariontów, które zwykle mogą mieć wielkość od 10 do 100 μm. Niewielkie rozmiary prokariontów pozwalają na szybkie i bezproblemowe rozprowadzenie materiałów w komórce oraz realizację procesów metabolicznych, a także szybkie usuwanie odpadów lub innych produktów z komórki. W związku z tym komórki eukariotyczne posiadają wyspecjalizowane struktury zwane organellami, takie jak mitochondria lub aparat Golgiego, które umożliwiają wykonywanie funkcji życiowych.

Komórka eukariotyczna

Komórka eukariotyczna jest wspólną cechą pochodną wszystkich eukariontów, co oznacza, że miała jedno pochodzenie, które od tego czasu zostało odziedziczone przez wszystkie eukarionty. Najwcześniejsze komórki eukariotyczne są widoczne w skamieniałościach sprzed około 2,4 miliarda lat i są rozpoznawalne, ponieważ są większe niż komórki prokariotyczne¹. Pochodzenie tego typu komórek wynikało ze zdarzenia endosymbiotycznego, w którym jedna komórka podobna do ameby pochłonęła bakterię mikrokokową i utworzyła stabilne współistnienie². Pochłonięte bakterie przekształciły się w pierwsze organelle wytwarzające energię, mitochondria, które są organellami metabolizmu tlenowego w komórce. Mitochondria mają swój własny oddzielny genom i są podobne wielkością do prokariontów. Zawierają dwie warstwy membran, które obejmują dwa odrębne przedziały. Niektóre z reakcji, które rozkładają wysokoenergetyczne biomolekuły, zachodzą w wewnętrznym przedziale, podczas gdy w zewnętrznym przedziale mieszczą się reakcje, które przechwytują energię uwolnioną z tych związków do cząsteczek adenozynotrifosforanu (ATP), które mają być wykorzystane jako waluta energetyczna komórki.

Jądra i mitochondria nie są jedynymi wspólnymi strukturami komórek eukariotycznych. Inne wszechobecne organelle eukariotyczne to gładka i szorstka retikulum endoplazmatyczne (ER), aparat Golgiego, lizosomy i wakuole. Retikulum endoplazmatyczne oznacza po prostu "sieć wewnątrz plazmy" i jak sama nazwa wskazuje, jest to duża sieć błon wewnątrz komórki, zwłaszcza wokół jądra. Części szorstkiego ER rozciągają się od błony jądrowej i odróżniają się od gładkiego ER szorstkim wyglądem ze względu na liczne rybosomy na ich powierzchni. Szorstki ER jest miejscem syntezy białek, takich jak białka osadzone w błonie plazmatycznej lub białka wydzielane z komórki. W przeciwieństwie do tego, gładki ER wytwarza produkty na bazie lipidów, ale zawiera również enzymy do detoksykacji szkodliwych substancji chemicznych. Stąd komórki wątroby zawierają obfite gładkie ER. Ponadto komórki mięśniowe zawierają znaczne ilości gładkiego ER ze względu na funkcję magazynowania wapnia przez tę organellę, która jest niezbędna do skurczu mięśni. Aparat Golgiego sortuje, modyfikuje i pakuje produkty komórkowe do pęcherzyków, które łączą się z błoną plazmatyczną, aby uwolnić produkty. Niektóre z białek, które są wytwarzane w szorstkim ER, to wewnątrzkomórkowe enzymy trawienne. Enzymy te są upakowane w aparacie Golgiego w specjalnych pęcherzykach zwanych lizosomami. Główną funkcją lizosomów jest trawienie cząstek pokarmu pochłoniętych przez komórkę, a także starych części komórek. Wakuole to woreczki błony komórkowej, które służą jako jednostki magazynujące w komórkach. Mogą służyć do magazynowania wody w celu regulacji zawartości wody w komórce, a także do przechowywania produktów przemiany materii, a nawet trujących cząsteczek, w zależności od typu komórki i organizmu.

Organelle specyficzne dla królestwa

Komórki eukariotyczne rozwinęły również odrębne organelle, specyficzne dla każdego królestwa. Na przykład królestwo Plantae i Animalia są eukariotyczne, jednak organelle komórek roślinnych i zwierzęcych różnią się pod względem kluczowym, który pozwala im prowadzić swoje życie odpowiednio jako producenci i konsumenci. Rośliny lądowe muszą rosnąć wysoko i mieć sztywne łodygi do podtrzymywania liści, których używają do fotosyntezy. Muszą również być w stanie zatrzymać wodę pobieraną przez korzenie. Ich komórki odzwierciedlają te specyficzne potrzeby. W przeciwieństwie do komórek zwierzęcych, komórki roślinne mają chloroplasty, które są wykorzystywane do fotosyntezy i często zawierają zielony pigment chlorofil. Dodatkowo są otoczone ścianami komórkowymi, które są sztywnymi warstwami zewnętrznymi wykonanymi z celulozy, które wspomagają wzrost i zatrzymywanie wody. Ponieważ muszą przechowywać duże ilości wody, aby utrzymać ciśnienie wody w komórce, mają większe wakuole niż komórki zwierzęce. Ponadto komórki roślinne mają również inny rodzaj wyspecjalizowanych organelli magazynujących zwanych plastydami, które zawierają pigmenty, a także produkty fotosyntezy, takie jak skrobia. Różnice te są zauważalne i odróżniają komórki roślinne od komórek zwierzęcych: komórki roślinne mają na ogół regularny, prostokątny kształt ze względu na sztywne ściany komórkowe, podczas gdy komórki zwierzęce są zaokrąglone i bardziej nieregularne.

Mikroskopia

Niektóre komórki, takie jak oocyty żaby, są wystarczająco duże, aby można je było zobaczyć gołym okiem, ale większości komórek nie można zobaczyć bez pomocy wizualnej. Dlatego naukowcy wykorzystują techniki mikroskopowe do badania struktur komórkowych i odróżniania typów komórek od siebie. Podczas gdy mikroskopy są w stanie powiększyć obiekty, które są trudne lub niemożliwe do zobaczenia ludzkim okiem, większość tkanek naturalnie nie ma pigmentacji. Dlatego stworzono rozwiązania, które mogą selektywnie barwić komórki na podstawie ich składu molekularnego. Pozwala to naukowcom rozróżnić organelle w komórce, typy tkanek w łodydze rośliny i warstwy tłuszczu u zwierząt, żeby wymienić tylko kilka przykładów. Barwnik błękitu metylenowego barwi kwasy nukleinowe martwych komórek, wiążąc się z ujemnie naładowanym DNA. Roztwór safraniny to kolejny biologiczny barwnik, który barwi jądra komórkowe na czerwono. Komórki muszą znajdować się w roztworach barwiących tylko przez krótki czas i mogą być zamontowane natychmiast po etapie barwienia. Powszechnie stosowanymi technikami montażu są montaż na mokro i zanurzenie w oleju. Mocowanie na mokro tworzy się poprzez pobranie próbki i umieszczenie jej na szkiełku podstawowym z płynem między szkiełkiem podstawowym a szkiełkiem nakrywkowym. Próbki komórek są zawieszone w cieczach, takich jak woda lub glicerol. Glicerol lepiej nadaje się do stosowania z żywymi kulturami, ponieważ zapobiega namnażaniu się bakterii³. Olejek immersyjny można dodać na wierzch szkiełka nakrywkowego, aby poprawić widoczność próbki przy dużym powiększeniu. Dzieje się tak, ponieważ olej ma taki sam współczynnik załamania światła jak szkło, co oznacza, że przepuszcza przez niego światło tak samo dobrze, jak szkło. Interfejs szkło-powietrze rozprasza światło bardziej niż olej lub szkło, więc klarowność obrazu jest zaburzona, gdy próbki są montowane "na sucho" lub bez oleju. Po wybarwieniu i zamontowaniu komórek są one gotowe do zbadania pod mikroskopem.

Istnieją różne techniki mikroskopowe, od technologii skanowania elektronowego, która umożliwiła naukowcom oglądanie obiektów na poziomie atomowym, po fluorescencyjne obrazowanie żywych komórek, które umożliwia monitorowanie ruchu cząsteczek w czasie rzeczywistym w poszczególnych komórkach⁴. Mikroskopia jasnego pola jest najprostszą techniką mikroskopową, wymagającą jedynie źródła światła halogenowego, soczewki kondensatora do skupienia światła, soczewki okularowej do oglądania obrazu i soczewki obiektywowej do powiększenia obrazu. W przypadku każdej techniki mikroskopowej ważne jest, aby zrozumieć części mikroskopu przed jego użyciem. Ogólnie rzecz biorąc, mikroskopy złożone używane do obrazowania w jasnym polu mają okular w górnej części lunety, który jest przymocowany do głowy i obiektywów. Okular ma powiększenie 10X, a soczewki obiektywowe są ustawione na określone powiększenie w zakresie 4X-100X. W standardowym mikroskopie znajduje się od trzech do pięciu obiektywów. Cele wskazują w dół na scenę, w której umieszcza się okaz do oglądania. Scena często składa się z części mechanicznych i klipsów scenicznych do trzymania slajdu i przesuwania go podczas oglądania. Przysłona to otwór w scenie, przez który przechodzi światło. Światło to jest kontrolowane przez regulowaną soczewkę kondensatora nad oświetlaczem lub źródłem światła. Aby kontrolować powiększenie stolika dla oglądanego obiektu, mikroskopy są wyposażone w pokrętła regulacji ostrości zgrubnej i precyzyjnej. Pokrętło zgrubnego ustawiania ostrości porusza się w większej skali niż precyzyjne ustawianie ostrości, ale znajdują się one na tej samej osi. Precyzyjna ostrość jest przydatna, gdy obiekt na stole montażowym zbliżył się do celów. Ważne jest, aby obiektyw nie dotykał obiektu na stoliku, ponieważ może to porysować soczewkę. Obiekty powinny być zawsze najpierw oglądane na obiektywie o najmniejszym powiększeniu i wyraźnie ostre przed przełączeniem na obiektywy o wyższym powiększeniu.

Mikroskopia jest ważnym narzędziem w wielu aspektach dziedziny medycyny, w tym w badaniach, diagnozie i leczeniu. Ma to zastosowanie w medycynie, jako nowej metody leczenia w miejsce bardziej inwazyjnej chirurgii⁵. Chirurdzy korzystają również z mikroskopów, z których niektóre zostały zmodyfikowane tak, aby można je było zamontować na głowie chirurga i są obsługiwane za pomocą pedałów nożnych. Mają one znacznie mniejsze powiększenie niż stosowane obecnie mikroskopy świetlne, ale ułatwiają bezpieczne wykonywanie delikatnych zabiegów, takich jak chirurgia optyczna i neurochirurgiczna.

Odwołania

1. Bengtson S, Rasmussen B, Ivarsson M, Muhling J, Broman C, Marone F, Stampanoni M, Bekker A. Grzybopodobne skamieniałości grzybni w pęcherzykowym bazalcie sprzed 2,4 miliarda lat. Natura, ekologia i ewolucja. 2017, Vol. 1, Numer artykułu: 0141.
2. Vellai T, Vida G. Pochodzenie eukariontów: różnica między komórkami prokariotycznymi i eukariotycznymi. Proc. R. Soc. Lond. B. 1999, Vol. 266, 1571-1577.
3. Gouet V, Roger G, Fonty C, Andre P. Wpływ glicerolu na wzrost, adhezję i aktywność celulolityczną bakterii celulolitycznych żwacza i grzybów beztlenowych. Aktualna mikrobiologia. 24, 1992, tom 4, 197-201.
4. Cognet L, Leduc C, Lounis B. Postępy w śledzeniu pojedynczych cząstek w żywych komórkach i dynamicznym obrazowaniu w superrozdzielczości. Curr opin chem biol. 2014, czerwiec; 20:78-85.
5. Asiyanbola B, Soboyejo W. Dla chirurga: wprowadzenie do nanotechnologii. J Surg Educ. 2008, tom 65, 2 (155-61).