Wstęp. Podstawowe pojęcia w biologii komórki

Wstęp

Na zdjęciu: prekambryjskije stromatolity, które powstały w wyniku osadzania się komórek prokariotycznych i wysalania ich solami mineralnymi i są dowodem, że w erze prekambryjskiej (od 4,6 mld lat do 542 mln lat temu) istniały już komórki.

Biologia komórki to dział biologii zajmujący się badaniem komórek, które są podstawowymi jednostkami funkcjonalnymi organizmów żywych, zdolnymi do samodzielnego przeprowadzania wszystkich procesów życiowych. W odróżnieniu od całych komórek, żadna z ich poszczególnych części składowych nie jest zdolna do samodzielnego życia. Wiedza o budowie i funkcjonowaniu komórki jest fundamentalna w naukach biologicznych. W szczególności dziedzina ta obejmuje zagadnienia związane z budową komórki, jej funkcją, fizjologią, cyklem życiowym, podziałami oraz śmiercią.

Komórki mogą różnić się między sobą poziomem złożoności swojej budowy, jednakże każda z nich dysponuje wszystkimi składnikami zarówno chemicznymi jak i fizycznymi, które niezbędne są do wzrostu i podziału, a więc niezbędne są do życia. Komórki różnych organizmów wykazują znaczne różnice, zarówno morfologiczne jak i biochemiczne. Mogą one stanowić samodzielny organizm jednokomórkowy (jedna komórka spełnia wszystkie czynności życiowe) lub być elementem składowym organizmu wielokomórkowego (poszczególne komórki przystosowane do określonych czynności). Budowy komórkowej nie mają wirusy (cząsteczki organiczne zbudowane z białek i kwasów nukleinowych) i w związku z tym nie wykazują oznak życia poza komórkami żywicieli (i zgodnie z obecnymi poglądami systematycznymi nie są klasyfikowane, jako organizmy żywe).

W sensie termodynamicznym komórka jest układem otwartym, który może wymieniać z otoczeniem zarówno materię jak i energię. Z drugiej zaś strony jest homeostatem, gdyż potrafi utrzymać równowagę funkcjonalną (homeostazę) nawet w mało sprzyjających warunkach.

Komórki (a faktycznie pozostałości komórek) zostały zaobserwowane po raz pierwszy w 1665 roku przez Roberta Hooke’a (1635-1703, angielski przyrodnik), dzięki zastosowaniu prymitywnego mikroskopu, który sam udoskonalił. Wprowadził on pojęcie komórka, opisując podobną do plastra pszczelego strukturę korka z dębu korkowego i innych tkanek roślinnych. To co zaobserwował było jednak ścianami komórkowymi martwych komórek (a nie samymi komórkami).

Ciekawostka:

nie wiadomo jak naprawdę wyglądał Robert Hooke z powodu konfliktu jaki
zaistniał pomiędzy nim, a Isaakiem Newtonem. Newton, gdy został
prezesem Towarzystwa Królewskiego, zniszczył jedyny jego portret oraz
większość instrumentów, które Hooke wynalazł i wykonał.

Mimo dużej rozmaitości znanych nam organizmów żywych (bakterii, roślin czy zwierząt) ich niezwykłe podobieństwo na poziomie komórkowym jest świadectwem jedności świata żywego. Dostarcza nam to dowodu świadczącego o wspólnym pochodzeniu żyjących na Ziemi organizmów.

Według jednej z teorii pochodzenia życia na Ziemi pierwsze komórki powstały ponad 4 mld lat temu najprawdopodobniej w wyniku połączenia się ze sobą związków organicznych. Zanim jednak do tego doszło musiały powstać podobne agregaty, które nie wykazywały w ogóle (proteinoidy) albo wykazywały tylko niektóre cechy istot żywych (protobionty). Uważa się, że tzw. prakomórki (pierwsze twory z możliwością samopowielania), pojawiły się około 4 miliardy lat temu w okresie archaiku (najstarszy eon w dziejach Ziemi). Z drugiej strony teoria panspermii (mniej popularna koncepcja powstania życia na Ziemi) zakłada, że komórki zostały przyniesione z pyłem kosmicznym z innej planety w postaci przetrwalników prokariontów.

Mimo że sposób powstania pierwszych komórek nie jest jednoznacznie ustalony, pewnym jest, że pierwsze komórki były komórkami bezjądrowców (Procaryota). Wiek najstarszych skamieniałości takich komórek datuje się na 3,1-3,4 miliarda lat. Nieznana jest także dokładna droga ewolucji procesów wewnątrzkomórkowych. Nie wiadomo, czy pierwsze było dziedziczenie, czy metabolizm, jednakże z pewnością te procesy były przejściem między materią nieożywioną, a życiem.

Lista kryteriów definiujących życie na poziomie strukturalnym

Komórkowa struktura korka (R. Hooke. "Micrographia", 1664).

1. rozmnażanie,
2. wzrost (zwiększanie ilości komórek danego organizmu, na skutek podziałów mitotycznych i zwiększanie się ich rozmiarów lub tylko zwiększanie się rozmiarów),
3. metabolizm (całokształt reakcji chemicznych i związanych z nimi przemian energii zachodzących w żywych komórkach, stanowiący podstawę wszelkich zjawisk biologicznych),
4. budowa komórkowa (z rybosomami i innymi organellami),
5. materiał genetyczny przechowywany w postaci kwasów nukleinowych oraz
6. występowanie białek i kwasów nukleinowych.

Główne cechy organizmów żywych odróżniające je od organizmów martwych to: przemiana materii i energii (metabolizm — w każdej komórce) oraz zdolność rozmnażania (nie wszystkich — np. komórki nerwowe i czerwone krwinki nie wykazują zdolności podziału). Najbardziej widocznym przejawem życia jest ruch (lecz nie jest cechą wszystkich komórek). Ameba porusza się ruchem pełzakowatym wypuszczając protoplazmy w postaci nibynóżek, za którymi podąża pozostała protoplazma (ruch w postaci „przelewania się”). U organizmów złożonych komórki specjalizują się czynnościowo — wykonują określone, zazwyczaj nieliczne funkcje. Przykładem mogą być komórki mięśniowe, które specjalizują się w zmianie swojej długości w czasie skurczu i rozkurczu lub komórki nerwowe przewodzące impulsy.

Komórki mogą przyjmować różne kształty, np. kuliste (zawieszone w krwi czy limfie), owalne, sześcienne, wrzecionowate lub gwieździste itp. Ich wielkość waha się od około 4 mikrometrów do kilku centymetrów (niektóre komórki mięśni szkieletowych)

Teoria komórkowa

U właściwych podstaw rozwoju biologii komórki leży powstanie teorii komórkowej. Stanowi ona najszersze i najbardziej podstawowe uogólnienie w naukach biologicznych. W swej obecnej postaci teoria ta stwierdza, że wszystkie istoty żywe zbudowane są z komórek i ich wytworów. Podstaw do tej teorii dostarczyły liczne badania rozpoczęte z początkiem XIX wieku (Mirbel, 1802; Oken, 1805; Lamarck, 1809; Dutrochet, 1824; Turpin, 1826), a rozwinięte później przez botanika Schleidena (1838) i zoologa Schwanna (1839), którzy dopiero teorię komórkową ostatecznie sformułowali. Teoria komórkowa zaważyła na badaniach podejmowanych we wszystkich dziedzinach nauk biologicznych. Jej bezpośrednią konsekwencją było stwierdzenie, że każda komórka powstaje przez podział innej komórki.

W roku 1839, kiedy to dwóch niemieckich naukowców: botanik Matthias Schleiden oraz zoolog Teodor Schwann wykazali, że wszystkie organizmy żywe zbudowane są z komórek, została ogłoszona teoria komórkowa.

1. Komórka (cellula) — to jednostka podstawowa organizmów żywych, zdolna do samoregulacji (powracania do stanu równowagi — homeostazy), rozmnażania, funkcjonowania oraz rozwoju. Komórka jest najprostsza strukturalną i funkcjonalną jednostką życia. Nie ma mniejszych jednostek, które są żywe (!)
2. Komórki organizmów żywych mają podobną budowę, skład chemiczny i procesy życiowe. Ślady życia pochodzą od pierwszych istniejących komórek, dlatego też komórki wszystkich gatunków są podobne pod względem składu chemicznego i mechanizmów.
3. Komórki posiadają materiał genetyczny, który dziedziczony jest w kolejnych pokoleniach. Komórki pochodzą (powstają) jedynie z innych żywych komórek. „Tam gdzie powstaje komórka, musi istnieć komórka poprzednia” (doktryna komórkowa Rudolfa Virchowa). A zatem, komórki nie powstają spontanicznie z materii nieożywionej. Według Weissmana (1880) istotną konsekwencją tego stwierdzenia jest to że wszystkie żywe komórki wywodzą się od przodków, którzy żyli w zamierzchłych czasach.
4. W organizmach wielokomórkowych komórki tworzą tkanki (textum), które budują narządy (organum) i ich układy powiązane substancją międzykomórkową (extracellular matrix) oraz nerwowymi i funkcjonalnymi powiązaniami.

Równocześnie dokonano dalszych odkryć o bardziej ogólnym znaczeniu biologicznym; Brown (1831) wykazał, że jądro jest podstawowym i stałym składnikiem komórki, a Wagner (1832) odkrył jąderko. Badacze zaczęli poświęcać uwagę opisowi zawartości komórki, nazwanej protoplazmą. Zaczął następować niezwykle szybki rozwój wiedzy o komórce — szczególną uwagę przyciągały zmiany zachodzące w jądrze podczas każdego podziału komórki (zjawiska amitozy — podziału bezpośredniego, oraz podziału pośredniego zostały odkryte u zwierząt przez Flemminga). Schleicher (1878) nazwał podział pośredni kariokinezą, zaś Flemming (1880) — mitozą. Waldeyer (1890) uznał, że podstawowym procesem w mitozie jest powstawanie włókienek jądrowych nazwanych chomosomami i ich równomierne rozdzielenie pomiędzy jądra komórek potomnych. Altmann i Benda odkryli zapłodnienie jaja oraz zlewanie się dwóch przedjąder mitochondriów i struktury siateczkowej (Golgi). Zwracano coraz większą uwagę na komórkę jako na podstawową jednostkę życia. W 1892 roku Hertwing wydał rozprawę pt. "Die Zelle und das Gewebe" (Komórka i tkanka), w której podjął próbę ogólnej syntezy zjawisk biologicznych, opartą na właściwościach komórki, jej strukturze i funkcji. Autor uznał, że rozwiązania problemów biologicznych należy szukać w procesach komórkowych. W ten oto sposób przyczynił się do wydzielania cytologii jako odrębnej gałęzi nauk biologicznych.

Podstawowe cechy wspólne komórek

Schematyczna ilustracja błony komórkowej komórki zwierzęcej.

1. Utrzymywanie zawartości razem (w odseparowaniu od środowiska zewnętrznego), gromadzenie materiałów i magazynowanie energii, wymiana składników z otoczeniem w sposób kontrolowany. Tutaj: błona komórkowa (cytolemma, plasmolemma) jako selektywna bariera.
2. Zdolność przekształcania energii w formę nadającą się do życia — reakcje chemiczne, dzięki którym jedna energia przekształca się w drugą są takie same we wszystkich komórkach (zwykle związek ATP — Adenozynotrifosforan).
3. Zdolność sterowania swoimi czynnościami oraz zdolność determinacji budowy i funkcji swoich struktur (niezbędna informacja zawarta jest w DNA — kwasie deoksyrybonukleinowym; kwas rybonukeinowy RNA — odpowiedzialny za kodowanie białek).
4. Zdolność do powielania się — informacja zawarta w DNA musi być zreprodukowana i przekazana do dwóch komórek potomnych (replikacja — proces endoenergetyczny, w którym podwójna nić DNA — podwójna helisa — ulega skopiowaniu).

Teoria komórkowa zaważyła na badaniach podejmowanych we wszystkich dziedzinach nauk biologicznych. Jej bezpośrednią konsekwencją było stwierdzenie, że każda komórka powstaje przez podział innej komórki. Znacznie później postęp biochemii umożliwił wykazanie istnienia podstawowego podobieństwa składu chemicznego i aktywności metabolicznej wszystkich komórek. Zaczęto też traktować funkcje całego organizmu jako sumaryczny wynik aktywności i współdziałania jednostek, jakimi są komórki.

Główne wydarzenia w rozwoju wiedzy na temat biologii komórki

Fragment struktury DNA.

Plik:Dollyscotland (crop).jpg

Owca Dolly w Royal Museum of Scotland.

• (XVII wiek) Francesco Redi odrzuca abiogenezę (hipotezę zakładająca powstawanie organizmów żywych z materii nieożywionej). Udowadnia, że robaki obserwowane w gnijącym mięsie nie powstają samoistnie. Redi zamykał kawałki mięsa w klatkach z gęstej drucianej siatki uniemożliwiając muchom złożenie jaj.
• (1665) Robert Hook obserwuje komórkę korka dębu. Posługując się ulepszonym przez siebie mikroskopem, oglądał przekroje korka z dębu korkowego (podłużny i poprzeczny); to co widział nie było samymi komórkami, lecz ścianami komórkowymi martwych komórek (celuloza wysycona suberyną). Obraz przypominał mu przylegające do siebie klasztorne cele, w których mieszkają mnisi, stąd wzięła się nazwa komórki (ang. cells)
• (1674) Antonie van Leeuwenhoek opisuje pierwotniaki i odkrywa bakterie. Pierwszy mikroskop został wykonany przez niego około roku 1677. Obserwował pod mikroskopem (powiększającym maksymalnie 270x) naczynia włosowate, krwinki czerwone, bakterie, plankton stawowy i jako pierwszy człowiek opisał ludzki plemnik (który jako pierwszy zobaczył student holenderski Jan Ham). Opisał różne rodzaje bakterii i pierwotniaków oraz określił ich wielkość

Czyli jednokomórkowe organizmy eukariotyczne; jednokomórkowce lub zespoły komórek o budowie prokariotycznej.

• (1831) Robert Brown opisuje jądro komórkowe.

Organellum znajdujące się w każdej komórce eukariotycznej.

• (1839) Matthias Jacob Schleiden i Theodor Schwann proponują teorię komórkową.
• (1855) Rudolf Virchow stwierdza, że nowe komórki powstają z już istniejących.
• (1857) Albert von Kolliker opisuje mitochondria.

Organellum komórki eukariotycznej, w którym zachodzą procesy będące głównym źródłem energii — w postaci ATP — dla komórki.

• (1868) Miescher wyizolował z komórek wydzieliny ropnej substancję bogatą w fosfor, którą nazwał nukleiną. W 1871 Kossel wyodrębnił ten sam związek z komórek grasicy thymus i wykazał jego kwasowy charakter, nazwał go więc kwasem tymonukleinowym (grasicowym). Potem kwas tymonukleinowy nazwano kwasem dezoksyrybonukleinowym DNA.
• (1879) Flemming opisuje zachowanie chromosomów w trakcie mitozy.
• (1883) Stwierdzenie, że komórki rozrodcze są haploidalne.

Mają tylko po jednym chromosomie homologicznym z każdej pary, tj. zawierająca połowę diploidalnej liczby chromosomów.

• (1898) Camillo Golgi opisuje aparat Golgiego.
• (1926) Theodor Svedberg konstruuje ultrawirówkę.

Wirówka jest zdolna do osiągania kilkudziesięciu tysięcy i więcej obrotów na minutę. W biologii molekularnej wirowanie frakcjonujące służy do rozdzielania poszczególnych organelli komórkowych, DNA, błon komórkowych zależnie od preparatu i celu separacji.

• (1939) skontruowanie pierwszego mikroskopu transmisyjnego.
• (1941) Coons zastosowuje przeciwciał znakowanych fluorescencyjne do detekcji antygenów.
• (1952) Gey i wsp. uzyskuje stabilną linię komórek ludzkich.
• (1953) Crick, Wilkins i Watson określają strukturę DNA.

Ich model podwójnej spirali ma dwa włókna DNA. Ta struktura pokazywała, że informacja genetyczna istnieje w sekwencji nukleotydów na każdym włóknie DNA i sugerowała łatwą metodę dla duplikacji: jeśli włókna są oddzielone nowe włókna mogą być zrekonstruowane na podstawie sekwencji starych włókien.

• (1955) Eagle określa warunki hodowli dla komórek zwierzęcych.
• (1957) Wyizolowanie kwasu nukleinowego.
• (1965) Wyprodukowanie mikroskopu skaningowego.
• (1981) Wyprodukowanie transgenicznych myszy i muszek owocowych.

Ze zmienionym kodem genetycznym.

• (1998) Sklonowanie myszy z dojrzałych komórek somatycznych.
• (2000) Określono genom DNA człowieka.

materiał genetyczny zawarty w podstawowym zespole chromosomów.