To zadziwiające, jak niewielki organizm jednokomórkowy, czyli składający się tylko z jednej komórkikomórkakomórki, np. pantofelek czy euglena, może żyć i rozwijać się samodzielnie. Pełni on podstawowe funkcje życiowe, takie jak: odżywianie, oddychanie, wydzielanie, wydalanie, transport i rozmnażanie, a także potrafi się poruszać, dzięki specjalnym strukturom znajdującym się w jego wnętrzu. Jest to możliwe dzięki:

• wysokiej specjalizacji poszczególnych składników komórki i ścisłemu ich powiązaniu z pełnioną funkcją;

• wyodrębnieniu się różnorodnych obszarów w komórce z równoczesnym zachowaniem jej jednolitości;

• sprawności przeprowadzania przemian energetycznych.

Taka właściwość komórek sprawiła, że istnieją również organizmy wielokomórkowe, składające się z ogromnej liczby komórek, które stale się ze sobą komunikują. Komórki są podstawową jednostką strukturalną i funkcjonalną tych organizmów.

Przywołajmy ponownie obraz przedsiębiorstwa jako modelu komórki. Kształt i wielkość zakładu produkcyjnego zależą od wielu czynników – historycznych, kulturowych, rodzaju produkowanego w nim asortymentu, zasobów materialnych właściciela, a także pomysłowości architekta. Podobnie komórki, w zależności od pełnionych funkcji, otaczającego środowiska, współdziałania z innymi komórkami, przybierają różnorodne kształty i osiągają różne wielkości. Ich ewolucyjna forma wyjściowa prawdopodobnie była zbliżona do kuli, a dalsza specjalizacja funkcji doprowadziła do całego bogactwa innych kształtów. Można je zaobserwować jedynie pod mikroskopem.

Obecnie większość komórek ma kształt owalny (np. komórka jajowa) lub zbliżony do sześcianu. Jednakże istnieją również komórki z licznymi wypustkami (komórki nerwowe), o kształcie dwuwklęsłych dysków (erytrocyty człowieka) lub np. wrzecionowate (komórki mięśniowe). Kształt komórki jest wyrazem jej przystosowania do pełnienia określonej funkcji w organizmie.

Komórki różnią się także wielkością. W ciele zwierząt mogą występować zarówno mikroskopijne komórki, o rozmiarach 5–6 μmum (mikrometrów; np. komórki móżdżku), jak i znacznie większe, takie jak: jajo strusia – osiągające wysokość 16 cm, oraz komórki mięśni szkieletowych i komórki nerwowe – osiągające kilkadziesiąt centymetrów długości. Największą komórką ludzkiego organizmu jest komórka jajowa, o średnicy ok. 0,12 mm.

Tak jak różne przedsiębiorstwa używają różnych surowców i w odmienny sposób je przetwarzają, tak samo komórki pełniące różne funkcje potrzebują do pracy odmiennych składników. Dostarczane są one ze środowiska zewnętrznego. Od nieustannej wymiany materii (jonów, gazów, związków organicznych i nieorganicznych) oraz energii z otaczającym środowiskiem zależy prawidłowe funkcjonowanie komórek.

Życie powstało w wodzie i nadal skupia się wokół niej. Położenie pierwszych osad ludzkich zależało od swobodnego dostępu do wody. Również późniejsze miasta powstawały nad brzegami rzek, które zaopatrywały w wodę m.in. zakłady produkcyjne. Jednym z nich była piekarnia – aby mógł powstać chleb, woda jest niezbędna.

Tę zależność od wody ponownie można odnieść do funkcjonowania komórek. W większości z nich głównym składnikiem ilościowym, stanowiącym średnio ok. 80% masy, jest właśnie woda. Ten szczególny związek nieorganiczny decyduje o bardzo wielu właściwościach komórki, gdyż jest konieczny do przebiegu prawie wszystkich reakcji chemicznych, stanowiąc ich środowisko (jako rozpuszczalnik reagujących związków chemicznych). Równocześnie dla niektórych z nich woda jest substratem (np. w procesie fotosyntezy) lub produktem (np. w procesie oddychania komórkowego).

Powstała w wyniku reakcji chemicznych komórki woda to woda metaboliczna, która wraz z wodą pobieraną ze środowiska zewnętrznego i rozpuszczonymi solami mineralnymi umożliwia utrzymanie równowagi osmotycznejosmozaosmotycznej, czyli najbardziej korzystnego stężenia płynów komórki. Woda metaboliczna współdziała w utrzymaniu równowagi termicznej, czyli chłodzi, ogrzewa i opóźnia zamarzanie. Przy jej udziale odbywa się także transport substancji między częściami komórki.

Często funkcje wewnątrzkomórkowe wody, np. osmoregulacyjna, zależą od rodzaju i ilości rozpuszczonych w niej związków nieorganicznych − w postaci kationów, np. NaIndeks górny +⁺, KIndeks górny +⁺, CaIndeks górny 2+²⁺, MgIndeks górny 2+²⁺, oraz anionów, np. ClIndeks górny −⁻ i HCOIndeks górny 3−³⁻. Pod względem chemicznym woda we wszystkich komórkach jest identyczna, choć może być jej mniej lub więcej, natomiast budujące komórkę związki organiczne występują nie tylko w różnych ilościach, ale i rodzajach. Komórki różnią się więc między sobą zawartością i typami białek, tłuszczowców (lipidów), cukrowców (sacharydów, węglowodanów) oraz kwasów nukleinowych.

Ściany budynku, w którym mieści się np. piekarnia, oddzielają wewnętrzne pomieszczenia od świata zewnętrznego, jednak znajdują się w nich również drzwi (przez które wchodzą czy wychodzą ludzie i którymi dostarczana jest mąka, a wywożony upieczony chleb) oraz okna (których otwieranie i zamykanie reguluje temperaturę i świeżość powietrza). Podobnie błona komórkowa jest barierą pomiędzy żywym wnętrzem komórki (cytoplazmą i znajdującymi się w niej organellamiorganellaorganellami) a jej otoczeniem. Równocześnie jednak musi ona umożliwiać komórce, zgodnie z jej aktualnymi potrzebami, wymianę substancji, informacji i sygnałów ze środowiskiem. Taką barierę, od której pracy zależy pomyślne życie komórki, nazywamy dynamiczną, a jej działanie jest jednym z najważniejszych mechanizmów umożliwiających utrzymanie homeostazy, czyli równowagi wewnętrznej.

Błona komórkowa zbudowana jest głównie z białek i lipidów. Ich cząsteczki tworzą swoistą mozaikę, której elementy mogą poruszać się względem siebie, co nadaje całości półpłynny charakter, a tym samym elastyczność i dużą łatwość tworzenia połączeń. Połączenia te powstają między błoną komórkową i innymi, podobnie zbudowanymi błonami położonymi w cytoplazmie. Analogicznie zewnętrzne mury firmy produkcyjnej łączą się z wewnętrznymi ścianami działowymi.

Błona komórkowa przepuszcza swobodnie wodę, czyli rozpuszczalnik, a zatrzymuje substancje w niej rozpuszczone (z wyjątkiem gazów), dlatego określa się ją jako półprzepuszczalną. Błona komórkowa jest nie tylko półprzepuszczalna, lecz także selektywna, czyli wybiórcza (selektywna) − decyduje o tym, co i w jakich ilościach wnika do komórki oraz wydostaje się z niej. Małe niepolarne cząsteczki łatwo się rozpuszczają w dwuwarstwie lipidowej i dlatego szybko przez nią dyfundują (np. tlen, dwutlenek węgla). Nienaładowane cząsteczki polarne też dyfundują przez dwuwarstwę, jeśli są dostatecznie małe: woda czy etanol szybko przechodzą przez błony biologiczne, natomiast aminokwasy i glukoza nie przenikają przez nie. Dwuwarstwy lipidowe są nieprzepuszczalne dla jonów i cząsteczek obdarzonych ładunkiem.

Większe substancje, które nie są przepuszczane przez błonę komórkową, ale są potrzebne komórce, dostają się do jej wnętrza na drodze endocytozy, która polega na wpukleniu błony do wewnątrz, utworzeniu się pęcherzyka oraz transporcie pęcherzyka w głąb cytoplazmy. Wyróżnia się fagocytozę (transport bez ubytków błony biologicznej) oraz pinocytozę (transport z ubytkami błony). Na drodze fagocytozy komórka pochłania duże cząstki, a na drodze pinocytozy – małe cząsteczki.

R7xmIRP2APtKH

Schemat przedstawia dwie warstwy fosfolipidów. Tworzą one razem kształt prostopadłościanu, fragment błony komórkowej. W górnej i dolnej warstwie widoczny jest szereg kulistych form, które mają do środka ułożone podłużne ogonki.

Każdy zakład produkcyjny ma swojego szefa. Od jego decyzji zależy sprawność funkcjonowania przedsiębiorstwa: wewnętrzna organizacja, wydajność produkcyjna, liczba i jakość nawiązywanych kontaktów. Analogiczną funkcję pełni w komórce – położone w jej centralnej części – jądro, czyli „szef” komórki.

Tak jak w gabinecie szefa znajdują się dokumenty zawierające cenne dane niezbędne do prawidłowego działania firmy, tak w przypadku komórki zasadnicze dla jej funkcjonowania informacje zapisane są w DNA, który łącząc się z białkami, tworzy wypełniającą jądro chromatynę. W czasie podziałów komórkowych chromatyna skręca się i tworzy chromosomy, zgodnie z zasadą: jedna cząsteczka DNA to jeden chromosom. Chromosomy zawierają cały konieczny do życia i reprodukcji zestaw informacji genetycznej.

Zawartość jądra komórkowego – chromatyna – wymaga szczególnej ochrony. Otoczka jądrowa zbudowana jest z dwóch błon, według schematu półpłynnej mozaiki. Tylko wtedy, gdy DNA komórki jest otoczony błonami, można powiedzieć, że komórka zawiera jądro. Taka komórka nosi nazwę komórki eukariotycznej. Tam gdzie materiał genetyczny nie jest obłoniony (np. u bakterii), mamy do czynienia z komórkami prokariotycznymi.

Rlup74royQhSW

Zdjęcie mikroskopowe przedstawia jądro komórkowe o kształcie nieregularnego koła. W jego środku znajduje się ciemniejsza struktura, jąderko. Na zewnątrz błony jądrowej rozmieszczonych jest kilka małych ciemnych, kulistych struktur. Ich tłem są podłużne, blisko siebie ułożone formy.

W otoczce jądrowej komórek eukariotycznych występują otwory zwane porami, przez które wnętrze jądra kontaktuje się z pozostałymi elementami komórki (np. wysyłając mRNA do rybosomów) – tak jak szef firmy, za pośrednictwem telefonu czy e‑maili, wymienia informacje i wydaje dyspozycje. Jądro komórkowe ma nawet „asystenta”, którym jest jąderko, zbudowane z białek i RNA. Poprzez syntezę rRNA budującego rybosomy wspomaga ono jądro w odczytywaniu informacji wysyłanych przez nie do pozostałych części komórki.

Funkcjonowanie współczesnego zakładu produkcyjnego nie jest możliwe bez energii elektrycznej. W komórce również wykorzystywana jest energia. Centrami energetycznymi komórki („elektrowniami”) są mitochondria, w których energia uwalnia się w procesie oddychania komórkowego z cząsteczek związków chemicznych (glukozy) i przekształcana w ATPATP (adenozyno‑5′-trifosforan)ATP. ATP jest formą energii, niezbędną w wielu procesach zachodzących w komórce – związek ten można porównać do prądu, koniecznego do funkcjonowania urządzeń elektrycznych.

Mitochondria otoczone są – podobnie jak jądro komórkowe – podwójną błoną białkowo‑lipidową. Błona zewnętrzna mitochondrium jest gładka, a wewnętrzna – pofałdowana i tworzy wpuklenia skierowane do środka mitochondrium. Ze względu na charakterystyczny kształt nazywane są one grzebieniami mitochondrialnymi. To właśnie w nich oraz w roztworze wypełniającym mitochondria, zwanym macierzą (matriks), zachodzi najważniejszy dla komórki proces – oddychanie komórkowe, uzależnione od obecności tlenu. W mitochondriach uwalnia się także ciepło, które umożliwia utrzymanie temperatury warunkującej aktywność enzymów.

R1YuNfWvu8UVY

Zdjęcie mikroskopowe przedstawia dwie kuliste struktury – mitochondria. Wewnątrz mitochondriów znajdują się regularnie ułożone pofałdowane linie.

ATP jest uwalniany w czasie oddychania komórkowego nie tylko w mitochondrium, ale również w cytoplazmie, gdzie rozpoczyna się cały proces. Jego substratem jest cząsteczka cukru prostego – glukoza.

Podobnie jak pracownicy zakładu spożywają posiłek w czasie przerwy, aby mieć energię do pracy, tak wszystkie żywe komórki w celu uwolnienia energii niezbędnej do życia muszą oddychać i wykorzystują do tego glukozę. Jednak źródła energii w komórce mogą być różne. Organizmy cudzożywne (heterotroficzne) zdane są na to, co wyprodukują autotrofy: rośliny, niektóre protisty i niektóre bakterie. Natomiast komórki roślinne są niezależne od występowania glukozy w środowisku, gdyż mogą ją wyprodukować. Analogicznie piekarnia może być niezależna w żywieniu swoich pracowników, ponieważ chleb do kanapek to wyrób własny. Hali produkcyjnej, gdzie wypieka się pieczywo, odpowiadają w komórce samożywnej chloroplasty – organelle, w których zachodzi fotosynteza i powstają związki organiczne, m.in. aldehyd fosfoglicerynowy, z którego w dalszych przemianach może powstać glukoza.

RsJA8iv7Pb1gX

Zdjęcie mikroskopowe przedstawia ściśle ułożone, podłużne komórki. Mają cylindryczne kształty. Ułożone są ściśle obok siebie. W ich wnętrzu widoczne są liczne skupiska ziarnistych form o zielonym zabarwieniu. Zawierają zielone barwniki chlorofile, biorące udział w fotosyntezie.

Pod względem planu budowy i pochodzenia ewolucyjnego chloroplasty są podobne do mitochondriów. Otaczają je dwie błony, z których zewnętrzna jest gładka, a wewnętrzna pofałdowana i tworzy pęcherzyki (tylakoidy), układające się w stosy zwane granami (forma w mianowniku l. poj. to: granum). Wnętrze wypełnione jest płynem − stromą – w której, podobnie jak w mitochondrium, znajdują się drobne rybosomy i kolista cząsteczka DNA. Istnieją też jednak różnice – najważniejsza z nich polega na tym, że w błonach wewnętrznych chloroplastów (granach) zakotwiczone są, niewystępujące w mitochondriach, cząsteczki zielonego barwnika – chlorofilu – niezbędnego do przebiegu fotosyntezy, zachodzącej w chloroplastach. Fotosynteza jest procesem anabolicznym polegającym na syntezie związków organicznych i tlenu (OIndeks dolny 2₂) z dwutlenku węgla (COIndeks dolny 2₂) i prostych substancji nieorganicznych, np. wody, przy udziale energii słonecznej (świetlnej).

Ściany tworzące sieć korytarzy w budynku firmy dzielą go na szereg pomieszczeń o różnym przeznaczeniu. Równocześnie korytarze łączą poszczególne części budynku, umożliwiając sprawną komunikację wewnętrzną. Na podobnej zasadzie działa w komórce eukariotycznej system zawieszonych w cytoplazmie pojedynczych błon wewnątrzkomórkowych, czyli błon siateczki śródplazmatycznej (retikulum endoplazmatycznego).

Siateczka śródplazmatyczna rozdziela komórkę na odrębne obszary, w których mogą zachodzić obok siebie tak przeciwstawne procesy metaboliczne jak np. synteza i rozkład tego samego związku. Równocześnie siateczka śródplazmatyczna łączy ze sobą większość struktur błoniastych komórki, stanowiąc tym samym sieć szlaków transportu wewnątrzkomórkowego. W niektórych miejscach do jej powierzchni przyczepione są przypominające granulki rybosomy – miejsca syntezy białek. Fragmenty błon z rybosomami to siateczka śródplazmatyczna szorstka (retikulum endoplazmatyczne granularne). Pozostałe powierzchnie błon, niezawierające rybosomów, to siateczka śródplazmatyczna gładka (retikulum endoplazmatyczne agranularne). Jej zadaniem jest dodatkowo produkowanie lipidów dla różnych typów błon w komórce.

Z hal produkcyjnych (analogicznych do komórkowych miejsc syntezy) towar trafia do kolejnej sali, gdzie przechodzi proces konfekcjonowaniakonfekcjonowanie towarukonfekcjonowania. Tutaj produkty są przygotowywane do opuszczenia piekarni: bochenki chleba czy bułki opakowuje się i układa w skrzynkach przeznaczonych do transportu.

Podobnie rzecz się ma z wieloma substancjami zsyntetyzowanymi w komórce w procesach metabolicznych, np. powstałymi w rybosomach cząsteczkami białek. W przypadku komórki funkcję sali konfekcyjnej pełni występujący u eukariontów aparat Golgiego. Jest to system pęcherzyków i cystern otoczonych pojedynczymi błonami, powiązany funkcjonalnie z siateczką śródplazmatyczną.

W aparacie Golgiego następuje chemiczna modyfikacja, kondensacja i opakowywanie w błony produktów komórkowych: białek, lipidów, glikoprotein i glikolipidów. Zachodzi tam także synteza polisacharydów, np. w komórkach roślinnych syntetyzowane są związki będące składnikiem celulozy, tworzącej ścianę komórkową. Produkty komórkowe opakowane w błony stanowią stabilne pęcherzyki i mogą być łatwo transportowane, zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz komórki.

Do prawidłowej pracy aparatu Golgiego niezbędne są m.in.: białka, lipidy, glukoza, ATP, reszty fosforanowe.

Jeśli zakład produkcyjny otoczony jest przez pas zieleni w postaci wysokich drzew, może to chronić pracowników przed hałasem ruchu miejskiego. Podobnie funkcję ochronną w wielu typach komórek pełni ściana komórkowa. Choć może być ona zbudowana z różnych związków – np. u roślin z celulozy, u grzybów z chityny – to zawsze jej rola polega przede wszystkim na mechanicznej ochronie komórki pokrytej delikatną błoną. Ściana komórkowa wpływa na kształt komórki, nierzadko też na jej właściwości.

Ta sztywna i twarda bariera nie tylko dzieli sąsiednie komórki, lecz także dzięki specjalnym otworom stwarza im możliwość kontaktowania się. Pozwala to na bezpośrednią wymianę substancji pomiędzy nimi. Dzieje się tak wtedy, gdy przez otwory przebiegają pasma cytoplazmy, łączące sąsiadujące komórki. Przez te mikrokanały zachodzi transport jonów i związków małocząsteczkowych.

Gdybyśmy chcieli również w tym przypadku znaleźć podobieństwo między komórką a piekarnią, musielibyśmy powiedzieć, że pracownicy i urządzenia firmy pływają w wypełniającej cały budynek galaretowatej substancji. Taką właśnie konsystencję ma bowiem cytozol. Należy on do dużej grupy roztworów koloidalnychroztwór koloidalnyroztworów koloidalnych, podobnie jak dobrze znane nam mleko czy kisiel.

Cytozol składa się z tzw. fazy rozpraszającej (woda) i fazy rozproszonej (białka, lipidy, cukrowce). Wiele białek rozproszonych w cytozolu to enzymy. Dzięki ich obecności mogą tu zachodzić ważne dla komórki procesy chemiczne, jak chociażby wspólna dla oddychania tlenowego i beztlenowego glikoliza. W cytoplazmie przebiegają również reakcje ważne dla chemosyntezychemosyntezachemosyntezy.

Komórka jest układem termodynamicznym, gdyż stanowi zespół wzajemnie powiązanych organelli, które mogą wymieniać między sobą energię lub materię. Jednocześnie to układ otwarty, gdyż komórka zdolna jest zarówno do pobierania energii i materii z otaczającego ją środowiska, jak i do przekazywania ich poza komórkę.

W chloroplastach komórki roślinnej energia świetlna ulega przemianie w energię wiązań związku organicznego podczas procesu fotosyntezy. Do jej przebiegu niezbędna jest obecność energii świetlnej, dwutlenku węgla i wody, a w jej wyniku powstają tlen i glukoza. W mitochondriach zaś zachodzi proces tlenowego oddychania komórkowego, które polega na utlenianiu związków organicznych (np. pochodzących z pokarmu) do wody i dwutlenku węgla przy jednoczesnym wytworzeniu energii w postaci ATP i ciepła. Do wytworzenia ATP w procesie oddychania komórka potrzebuje substratów oddechowych. Najczęściej są to glukoza i tlen, pozyskiwane w procesie fotosyntezy (u organizmów samożywnych) lub pochodzące z pokarmu (u organizmów cudzożywnych).

Energia ATP wykorzystywana jest też do transportu aktywnego przez błony cytoplazmatyczne, a także do skurczu komórek mięśniowych oraz do procesów syntezy zachodzących w organellach komórki. Związki organiczne powstałe w komórkach roślinnych stanowią pokarm i źródło energii chemicznej dla organizmów cudzożywnych. Energia cieplna umożliwia podniesienie temperatury lub (u wielu organizmów) utrzymanie stałej temperatury ciała.

Skutkiem procesów metabolicznych są zbędne i uboczne produkty przemiany materii, które komórka może magazynować (np. kryształy szczawianu wapnia w wakuolach komórek roślinnych), wykorzystywać do innych procesów (jak dwutlenek węgla powstały w oddychaniu komórkowym do procesu fotosyntezy), rozkładać lub usuwać na zewnątrz.

Słownik