Biologia Komórki/Różnorodność kształtu i struktury

Z Brain-wiki

PROKARIONTY

Porównanie rozmiarów prokariontów, eukariontów, wirusów, białek i atomów.

Komórki żywych organizmów można podzielić na dwa typy:

  1. prokariotyczne — charakteryzują takie organizmy jak: bakterie oraz sinice, natomiast drugie — stanowią podstawę budowy roślin, grzybów oraz zwierząt. Cechą, po której od razu można odróżnić oba typy komórek jest obecność lub brak jądra komórkowego,
  2. eukariotyczne — posiadają jądro komórkowe wyraźne odgraniczone od reszty organelli komórkowych przez tzw. błonkę jądrową, która je otacza.

Początkowo do prokariontów zaliczano bakterie oraz archeowce. Okazało się jednak, że odkryte w latach 70 (XX wieku) archeowce są równie odległe od bakterii, jak od eukariontów. Co więcej, niektóre z nich pod pewnym względami są bliższe tym ostatnim (np. intron — część sekwencji genu — dłuższa od egzonu — która nie koduje sekwencji polipeptydu, a jedynie rozdziela kodujące egzony. Introny występują w genach organizmów eukariotycznych, natomiast u prokariotów rzadko, jedynie w genach kodujących tRNA i rRNA). Zakłada się że archeowce i eukarionty posiadały wspólnego przodka.

Spowodowało to zaproponowanie "systematyki trzech domen", według której "bakterie właściwe" stanowią jedną z domen, obok archeanów i eukariontów. W takim ujęciu słowo "bakteria" powinno odnosić się do podkrólestwa Eubacteria, równoważnego z domeną Bacteria. Należy jednak zaznaczyć, iż niektórzy uważają termin bakterie za właściwy używania także wobec archeanów. Z tego względu w niniejszym opracowaniu wspomniane zostaną pokrótce również te organizmy.

Inne nazwy: prokarioty, akariobionty, akariota, organizmy akariotyczne, anukleobionty, bezjądrowce, bezjądrowe, prokariota, protokarionty, przedjądrowce. Nazwa pochodzi od greckich słów pros (przed) i karyon (jądro).

Są to mikroorganizmy jednokomórkowe (w większości), których komórka nie zawiera jądra komórkowego oraz organelli komórkowych charakterystycznych dla eukariotów (patrz kolejny rozdział).

Systematyka

  • Archeony — inne nazwy archebakterie, archeobakterie lub archeowce; drobne, pierwotnie bezjądrowe, zwykle ekstremofilne jednokomórkowce, tradycyjnie (!) zaliczane wraz z eubakteriami do prokariotów,
  • eubakterie — bakterie właściwe —wszystkie organizmy prokariotyczne nie będące archeanami,
    • sinice (Cyanobacteria),
    • promieniowce (Actinomycetes),
    • krętki (Spirochaetae),
    • Firmicutes,
    • protobakterie (Proteobacteria),


Budowa

Budowa komórki prokarioty: 1—Kapsuła, 2—Ściana komórkowa, 3—Błona komórkowa, 4—Cytoplazma, 5—Rybosomy, 6—Mezosom, 7—DNA, 8—Wić
  • Zazwyczaj znacznie mniejsza od komórki eukariotycznej — około 1/1000 części komórki eukariotycznej, a jej długość jest w przybliżeniu 10x mniejsza.
  • Większość to jednokomórkowce, choć mogą tworzyć kolonie lub fi lamenty zawierające wyspecjalizowane komórki.
  • Nie zawierają struktur charakterystycznych dla eukariontów: jądra, wakuoli, siateczki endoplazmatycznej, aparatu Golgiego, centrioli, wrzeciona podziałowego, mitochondriów i chloroplastów.
  • Cytoplazma zawiera mezosomy, rybosomy, a u form fotosyntetyzujących dodatkowo jeszcze chromatofory lub tylakoidy, plazmidy.
  • Materiał genetyczny tych komórek zawarty jest w pojedynczej kolistej cząsteczce DNA; kwas dezoksyrybonukleinowy nie jest połączony z histonami i występuje w postaci długiej podwójnej nici zwanej genoforem (tzw. pojedynczy chromosomu), splątanej w kłębek w obszarze jądrowym (nukleoid), który nie jest ograniczony i oddzielony od cytoplazmy błoną jądrową.
  • Powłoki komórek bakteryjnych mogą posiadać rzęski i fimbrie o budowie odmiennej niż eukariotyczne wici.
  • U większości występuje mureinowa ściana komórkowa, zazwyczaj otoczona z zewnątrz warstwą śluzu; stanowi rusztowanie, które utrzymuje komórkę, nadaje jej kształt i zabezpiecza przed pęknięciem spowodowanym ciśnieniem osmotycznym.
  • Różnice pomiędzy bakteriami a archeowcami ujawniają się w składzie biochemicznym, w rybosomowym RNA, lipidach oraz w specyficznych enzymach.
Formy morfologiczne bakterii

Bakterie

  1. Ziarenkowce (coccus z łac. coccinus zapożyczone z gr. kokkos (jagoda), l. mn. cocci) — komórki bakteryjne mające kulisty kształt. Bakterie te mogą się grupować w:
    • pary (dwoinki) np. Streptococcus pneumoniae,
    • łańcuszki,
    • skupiska,
    • paciorkowce,
    • gronkowce,
      • czworaczki (tetrady),
      • pakiety sześcienne (sześciaki),
      • nieregularne zgrupowania.
  2. Formy cylindryczne,
  3. inne (patrz rysunek).

Archeony

Niektóre żyją jako pojedyncze komórki, inne tworzą nitki lub agregaty (kolonie). Średnica waha się 0,1 µm do ponad 15 µm, a włókna nawet osiągają do 200 µm. Przybierane kształty:

  • sferyczne,
  • pałeczkowate,
  • spiralne,
  • płatowate,

Metabolizm

  • Procesy biochemiczne związane z utlenianiem związków organicznych przebiegają w cytoplazmie oraz na błonach komórkowych.
  • Aeroby — komórki prokariontyczne mogą uzyskiwać energię przydatną metabolicznie poprzez oddychanie z udziałem tlenu lub innych substancji takich jak związki azotu, siarki czy żelaza. Produktami reakcji oddychania komórkowego u tych organizmów są woda i dwutlenek węgla. Oddychanie tlenowe jest obecnie najbardziej efektywną formą otrzymywania energii chemicznej u organizmów (kilkunastokrotnie wydajniejszy, jeśli chodzi o syntezę ATP niż proces oddychania beztlenowego).
  • Anaeroby — niektóre, żyjące w warunkach beztlenowych (stale — beztlenowce bezwzględne — tzw. obligatoryjne lub okresowo — beztlenowce względne — tzw. fakultatywne) produkują ATP jedynie na drodze fermentacji.
  • Diazotrofia — zdolność organizmów do wiązania azotu cząsteczkowego występującego w powietrzu i przekształcania go do postaci użytecznych biologicznie; prokarionty — jak wszystkie organizmy — potrzebują azotu, gdyż wchodzi w skład m.in. aminokwasów i nukleotydów. Mimo że atmosfera ziemska jest bardzo bogatym rezerwuarem azotu, jest on nieprzyswajalny dla większości organizmów, zarówno eukariotycznych, jak i prokariotycznych. Zdolność diazotrofii posiada kilka grup bakterii i archeanów, tzw. bakterie azotowe (m.in. bakterie glebowe tlenowe, np. Azotobacter, beztlenowe, np. Clostridium, symbionty roślin, np. Rhizobium i liczne wodne sinice). Chemicznie reakcję wiązania azotu można przedstawić równaniem:
N2 + 6H + energia → 2NH3 lub bardziej szczegółowo:
8H+ + N2 + 8e- + 16 MgATP → 2NH3 + H2 + 16MgADP + 16Pi
gdzie ATP to adenozynotrifosforan (tu związany z magnezem), ADP — adenozynodifosforan, Pi — nieorganiczny fosforan, a reakcja jest katalizowana przez nitrogenazę.
  • Są przeważnie heterotrofami, które uzyskują związki organiczne z innych organizmów.

Występowanie

  • Wszelkie środowiska — wszelkiego typu wody, gleba, ciała wyższych organizmów (mogą być symbiontami, komensalami bądź pasożytami — tu np. bakterie umożliwiające trawienie celulozy żyjąc w żwaczu przeżuwaczy, bądź w jelicie termitów).
  • Biorą udział w krążeniu materii w ekosystemach, a także w obiegu pierwiastków w całej biosferze (np. węgla, azotu, wodoru, tlenu, siarki, fosforu i innych).
  • Występując u człowieka wywołują choroby takie jak: dur brzuszny, gruźlica, zapalenie płuc, kiła, rzeżączka, błonica, tężec, trąd, cholera, dżuma.

EUKARIONTY

Przykłady organizmów jądrowych (od góry: murarki ogrodowe, grzyb, zielenica, szympans, jaskier, orzęska)

Inne nazwy: eukarionty, eukariota, eukarioty, organizmy eukariotyczne, jądrowce, jądrowe, organizmy jądrowe, karioty, kariota. Nazwa naukowa pochodzi od greckich słów ευ ("dobry", "prawdziwy") i κάρυον ("orzech").

Komórki eukariotyczne są zazwyczaj znacznie większe od prokariotycznych. Choć zmienność rozmiarów i jednych i drugich jest bardzo duża (najmniejsze mają rozmiar < niż 1µm).

Do eukariotów zalicza się wszystkie organizmy komórkowe, z wyjątkiem bakterii i archeowców, a więc prokariotów. Wszystkie gatunki tworzą duży kompleks organizmów eukariotycznych, w tym zwierząt, roślin i grzybów, choć większość gatunków eukariotycznych stanowią mikroorganizmy.

Eukarionty stanowią znikomy procent wszystkich żywych istot, nawet ciele człowieka jest dziesięć razy więcej bakterii niż ludzkich komórek.

Są to organizmy zbudowane z komórek posiadających jądro komórkowe z chromosomami, odgraniczone od cytoplazmy podwójną błoną białkowo–lipidową. Komórka eukariotyczna zawiera wielokrotnie więcej materiału genetycznego niż prokariotyczna, dzięki czemu jest w stanie produkować więcej typów białek i ma potencjalnie nieograniczone możliwości regulacji.

Większość komórek eukariotycznych zawiera również inne związane z błoną organelle, takie jak mitochondria, chloroplasty czy aparat Golgiego. Podział komórki w komórkach eukariotycznych jest inny niż w organizmach bez jądra (Prokaryota). Polega on na oddzieleniu zduplikowanych chromosomów, poprzez ruch mikrotubuli. Istnieją dwa rodzaje procesów podziału. W procesie mitozy jedna komórka dzieli się na dwie identyczne genetycznie komórki. Istota mejozy polega na zredukowaniu o połowę ilości materiału genetycznego — w jej wyniku każda z komórek potomnych będzie zawierała o połowę mniej chromosomów niż komórka macierzysta. Jedna z diploidalnych komórek (mają 2n chromosomów). Proces redukcji ilości chromosomów zachodzi u wszystkich organizmów rozmnażających się w sposób płciowy, w różnych momentach ich cyklu życiowego. Przebieg tego procesu jest jednak bardziej złożony, niż w przypadku mitozy i zostanie omówiony szczegółowo w późniejszych rozdziałach.

Opisthokonta

Grzyby
Zwierzęta, wielokomórkowce
  • Fungi (grzyby) — wielokomórkowe lub komórczakowe organizmy cudzożywne, o ścianach komórkowych zbudowanych z chityny. Rozmnażają się wegetatywnie (podział, pączkowanie, fragmentacja plechy), płciowo (izogamia, anizogamia, oogamia, gametoangiogamia, somatogamia) lub przez zarodniki (zoospory, aplanospory, endospory, egzospory). Istnienie grzybów zaobserwowano we wszystkich strefach klimatycznych, przede wszystkim na lądach, rzadziej w wodach. Do tej pory opisano ok. 120 tysięcy gatunków grzybów. Szacuje się, że co roku charakteryzuje się średnio 1700 nowych gatunków grzybów.
Wiciowiec kołnierzykowaty: Monosiga brevicollis
Kolonia wiciowców kołnierzykowatych
    • Basidiomycota (podstawczaki),
    • Uredinomycetes (rdzaki),
    • Ustilaginomycetes (Ustilaginomycotina|głownie),
    • Ascomycota (workowce),
    • Microsporidia (mikrosporydia),
    • Glomeromycota (grzyby mikoryzowe),
    • Zygomycota (sprzężniowce),
    • Chytridiomycetes (skoczkowce),
  • Metazoa (zwierzęta, wielokomórkowce)
    • Porifera (gąbki),
    • Trichoplax (płaskowce),
    • Mesozoa (wielokomórkowce pośrednie),
    • Animalia (zwierzęta),
  • Choanoflagellata (wiciowce kołnierzykowe) — wodne, wolno żyjące organizmy eukariotyczne wyposażone w pojedynczą, długą wić otoczoną podobnym do choanocytu gąbek wysokim kołnierzykiem z wypustek cytoplazmatycznych (tworzącym rodzaj aparatu filtrującego). Są cudzożywne, rozmnażają się bezpłciowo, żyją pojedynczo lub kolonijnie w słonych i słodkich wodach. Odżywiają się bakteriami. Charakterystyczną cechą budowy komórki tych wiciowców jest obecność dodatkowego ciałka podstawowego leżącego w pobliżu ciałka podstawowego wici.
  • Ichthyosporea (inna nazwa: Mesomycetozoa),
  • Filasterea.

Amoebozoa

Amoebozoa

Ameby i kilka gatunków bez mitochondriów — poruszają się za pomocą wewnętrznego przepływu cytoplazmy. Najczęściej są jednokomórkowe, występują powszechnie w glebie i wodnych środowiskach, mogą być też symbiontami innych organizmów. Różnią się znacznie pod względem wielkości. Wiele z nich ma jedynie 10—20 mikrometrów, choć występują także większe (słynny Amoeba Proteus — patrz film poniżej — osiąga 800 mikrometrów długości, Ameby Multinucleate takie jak Chaos i Pelomyxa maja nawet milimetrów długości, a niektóre śluzowce obejmują kilka metrów kwadratowych). Podstawowym sposobem żywienia jest fagocytoza.

  • Tubulinea,
  • Flabellinea,
  • Stereomyxida,
  • Acanthamoebidae,
  • Entamoebidae,
  • Mastigamoebidae,
  • Pelomyxa,
  • Eumycetozoa.

Excavata

Excavates: Giardia lamblia

Jednokomórkowe, w większości heterotroficzne wiciowce, także chorobotwórcze. Niektórzy jej przedstawiciele drogą wtórnej endosymbiozy zdobyli chloroplasty. Inni mają silnie zmodyfikowane mitochondria i żyją w środowiskach beztlenowych. Niektóre tworzą agregacje komórek przypominające śluzowce.

  • Fornicata ,
  • Malawimonas,
  • Parabasalia,
  • Preaxostyla,
  • Jakobida,
  • Heterolobosea,
  • Euglenozoa,

Rhizaria

Otwornice: na górze, od lewej: Ammonia beccarii, Elphidium excavatum clavatum; na dole, od lewej: Eggerella advena, Buccella frigida
Różne gatunki promienic
  • Foraminifera (otwornice) — posiadają pancerzyki zbudowane z węglanu wapnia (CaCO3), lub ze zlepionych ziarenek piasku (otwornice aglutynujące) — skorupka jedno- lub wielokomorowa (posiada co najmniej jedną aperturę — ujście), komory łączą się ze sobą poprzez wewnętrzne otwory — foramen. Pod względem trybu życia wyróżnia się otwornice planktoniczne oraz bentoniczne. W pancerzykach znajdują się małe otworki (apertura), przez które otwornice mogą wypuszczać nibynóżki — retikulopodia odpowiadające za lokomocję, oddychanie, gromadzenie pożywienia i udział w budowaniu skorupki. Są heterotrofami odżywiającymi się na drodze fagocytozy. Mogą być roślinożercami, drapieżnikami lub wszystkożercami. Występują we wszystkich środowiskach morskich od biegunów po równik.
  • Radiolaria (promienice) — żyją wyłącznie w planktonie mórz o pełnym zasoleniu, zasiedlając wszystkie warstwy wód do głębokości 5 tysięcy metrów. Nieliczne gatunki są nagie, pozostałe zaś posiadają szkielet — zbudowany z krzemionkowych igiełek. Są cudzożywne i drapieżne. Mają wielkość około 0,2 mm. Wykazują właściwości fluoresencyjne. Tworzą odmiany fenotypowe (takie które odzwierciedlają wpływ środowiska na budowę szkieletu).
  • Cercozoa,
  • Haplosporidia,
  • Gromia.


Archaeplastida — rośliny

Glaukocystofity
Krasnorosty: Laurencia
Chloroplastida: Pediastrum duplex

Są to samożywne organizmy, które wykorzystują energię promieniowania słonecznego za sprawą barwników asymilacyjnych (choć i tu zdarzają się także organizmy cudzożywne — pasożytnicze)

  • Glaucophyta (glaukocystofity) — rozmnażają się bezpłciowo przez podział (formy bez ściany komórkowej) lub za pomocą pływek (formy kapsalne i kokoidalne); ściana komórkowa zbudowana jest z celulozy, a materiałem zapasowym jest skrobia. Jednak brak u nich właściwych chloroplastów. Obecność chlorofilu a i fikobilin w chloroplastach sugeruje, że organelle te powstały przez endosymbiotyczne połączenie sinic i pozbawionych plastydów jednokomórkowych przodków roślin. Żyją głównie w wodach jako składniki bentosu i planktonu (niektóre pływają aktywnie, inne unoszą się biernie w wodzie lub żyją na powierzchni roślin zanurzonych w wodzie). Są rozpowszechnione w wodach słodkich, lecz zawsze rozproszone.
  • Rhodophyceae (krasnorosty) — liczy około 5 tysięcy gatunków; oprócz chlorofilu (a i d) zawierają także inne barwniki (czerwoną fikoerytrynę i niebieską fikocyjaninę); stadium wiciowego, odróżniający je od większości glonów. Większość z nich to glony morskie, bentosowe (choć zdarzają się też pasożyty). Materiałem zapasowym krasnorostów jest skrobia krasnorostowa, florydozydy i substancje lipidowe. Ściana komórkowa zbudowana jest z celulozy lub ksylanu i amorficznego śluzu zawierającego agar. Plastydy krasnorostów zawierają pojedyncze tylakoidy. Rozmnażają się na drodze oogamii, poprzez nieruchome gamety męskie (spermacja) i nieruchome gamety żeńskie (kaprogonia). Żyją w środowisku wodnym.
  • Chloroplastida (rośliny zielone) — zielenice i rośliny telomowe; wspólną cechą tej grupy roślin jest obecność zielonego barwnika — chlorofilu i podobna budowa komórki (złożonej ze ściany komórkowej zbudowanej z celulozy, błony komórkowej, jądra, cytoplazmy i chloroplastów).
    • Chlorophyta,
    • Chlorodendrales,
    • Prasinophytae (prazynofity),
    • Mesostigma,
    • Charophyta (ramienice wraz z roślinami telomowymi),

Chromalveolata

Chromalveolata: Gephyrocapsa oceanica

W przeciwieństwie do innych grup przedstawiciele tej, nie mają zbyt wiele wspólnych cech morfologicznych. Każda z tych głównych podgrup ma pewne unikalne funkcje, które nie są obecne w innych. Jedynymi cechami wspólnymi są: wspólne pochodzenie chloroplastów oraz obecność błonnika w większości ścian komórkowych.

  • Cryptophyceae (kryptomonady),
  • Haptophyta (haptofity),
  • Stramenopiles (m.in. złotowiciowce, rafidofity, różnowiciowce, brunatnice, okrzemki),
  • Alveolata (m.in. dinofity, apikompleksy, orzęski).

PODOBIEŃSTWA I RÓŻNICE POMIĘDZY PROKARYOTA I EUKARYOTA


Cecha wspólna Prokarionty i Eukarionty
skład chemiczny zbudowane są z takich samych klas związków chemicznych
funkcje życiowe przeprowadzają te same funkcje życiowe: odżywiają się, oddychają, rozmnażają, poruszają
ogólna budowa mają podobny plan budowy
informacja genetyczna jest zapisana w ten sam sposób


Cecha różniąca Prokarionty Eukarionty
Wielkość komórek Rozmiary komórek prokariotycznych są kilkukrotnie mniejsze od rozmiarów komórek eukariotycznych. Wynoszą one zwykle od 0,5 μm do 10 μm. Komórki eukariotyczne są większe od prokariotycznych — średnio ich długość mieści się w granicach 10-100 μm.. Stosunek powierzchni "typowej" komórki akariotycznej do komórki tkankowej ma się mniej więcej jak 1:1500.
Jądro komórkowe zamiast jądra mają nukleoid, który nie jest wyraźnie odgraniczony od cytoplazmy. W obrębie nukleoidu znajduje się genofor złożony z pojedynczej cząsteczki DNA. prawdziwe jądro komórkowe, oddzielone od cytoplazmy podwójną błoną białkowo-lipidową i zawierające charakterystyczną dla gatunku liczbę cząsteczek DNA, które są materiałem genetycznym komórki
Struktura DNA cząsteczka DNA — bez białek histonowych; DNA komórki nie jest, w przeciwieństwie do Eucaryota, osłonięty błoną i pływa dość swobodnie w cytoplazmie DNA, nawinięte na rdzenie histonowe, tworzy chromatynę
Ściana komórkowa obecna u większości komórek w komórkach zwierzęcych nie występuje, obecna w komórkach roślinnych (celuloza) i komórkach grzybów niższych (celuloza) oraz wyższych (chityna)
Cytoplazma gęsta, bez cytoszkieletu, nie wykazuje ruchu bardziej płynna, obecny cytoszkielet umożliwiający ruch cytoplazmy, a czasami całej komórki
Mitochondria brak, w komórkach oddychających tlenowo ich funkcje spełniają wpuklenia błony komórkowej bogate w enzymy wspomagające oddychanie komórkowe (mezosomy) zwykle obecne w komórkach oddychających tlenowo
Plastydy (np. chloroplasty) brak, w komórkach samożywnych bakterii zielonych, purpurowych i sinic ich funkcje spełniają wpuklenia błony komórkowej bogate w barwniki fotosyntetyczne (chromatofory lub tylakoidy) Obecne w eukariotycznej komórce roślinnej, nieobecne w zwierzęcej — występują w komórkach roślinnych przeprowadzających fotosyntezę.
Reticulum endoplazmatyczne brak występują w komórkach roślinnych przeprowadzających fotosyntezę
Rybosomy pływają swobodnie w cytoplazmie, są to tzw. rybosomy małe. Współczynnik sedymentacji całego rybosomu wynosi 70S występują na zewnętrznej powierzchni siateczki śródplazmatycznej szorstkiej. W cytoplazmie znajdują się także rybosomy wolne — nie związane z błonami. Z grubsza można przyjąć, że rybosomy z siateczki śródplazmatycznej produkują polipeptydy wydzielane na zewnątrz lub wbudowywane w błonę komórkową, zaś rybosomy wolne syntezują białka nieopuszczające komórki. Rybosomy w komórkach jądrowców występuję także w mitochondriach i plastydach. Rybosomy związane z reticulum endoplazmatycznym, tzw. rybosomy duże. Współczynnik sedymentacji całego rybosomu wynosi 80S
Wici i rzęski obecne obecne, ale bardzo rzadko
Wakuole brak w przypadku komórek roślinnych zazwyczaj jest to jedna, duża centralnie położona wodniczka, w komórkach zwierzęcych występuje wiele, wodniczek o mniejszych rozmiarach
Układ Golgiego brak obecny
Lizosomy brak obecne
Centriole brak w przypadku komórek roślinnych są obecne z wyjątkiem roślin wyższych, w komórce zwierzęcej — obecne