Biologia dla liceum/Budowa komórek człowieka

Komórka jest podstawowym składnikiem budulcowym organizmów żywych, w tym również człowieka. Ważną cechą komórek człowieka jest występowanie w nich jądra komórkowego i charakterystycznych organelli (struktur komórkowych). Te wszystkie cechy udowadniają, że człowiek należy do eukariontów. Komórki mogą mieć różne kształty i funkcje, ale zawierają mniej więcej ten sam zestaw organelli (patrz grafika nr.1).

Błona komórkowa

Błona komórkowa (plazmolemma) jest półpłynną, elastyczną błoną plazmatyczną oddzielającą komórkę od środowiska zewnętrznego. Jest ona bardzo cienka (7-10 nm) i pozwala komórkom na odkształcanie się i zmianę kształtu. Błona ta składa się z fosfolipidów i zanurzonych w niej białek. Fosfolipidy zawsze są skierowane łańcuchami węglowodorowymi do siebie, tworząc podwójną warstwę (patrz grafika nr.2). Znajdujące się w błonie komórkowej białka mogą pełnić różne funkcje, m.in. wzmacniające, receptorowe lub transportowe.

Jedną z ważnych funkcji błony komórkowej jest selektywny transport substancji między wnętrzem komórki a środowiskiem pozakomórkowym, co pozwala na utrzymanie względnej homeostazy. Na drodze dyfuzji przez błonę mogą jedynie przedostać się małe substancje rozpuszczalne w tłuszczach oraz woda. Substancje rozpuszczalne w wodzie słabo przez nią przenikają, natomiast duże cząsteczki (jak np. białka) potrzebują specjalnej "pomocy". Przydają się tutaj specjalne białka transportowe zanurzone w błonie. Niektóre wspomagają proces dyfuzji (tzw. dyfuzja wspomagana) a inne funkcjonują jak specyficzne pompy transportując substancje wbrew różnicy stężeń w procesie transportu aktywnego, wymagając jednak dostarczenia energii.

Wszystkie błony plazmatyczne znajdujące się w komórkach charakteryzują się białkowo-lipidową strukturą.

Cytoplazma

Cytoplazma składa się z cytozolu i znajdującym się w nim organelli komórkowych. Cytozol to płynny, złożony koloid wodny. Prócz wody składają się na niego zawieszone lub rozpuszczone różne związki organiczne i nieorganiczne: białka, lipidy, aminokwasy, kwasy tłuszczowe i sole mineralne. W cytozolu znajduje się również system mikrorureczek (tubul) i włókienek białkowych tworzący skomplikowany cytoszkielet (patrz grafika nr 3). Cytoszkielet odpowiada m.in. za nadanie odpowiedniego kształtu komórkom (i jego zmianę) oraz ich zdolność do poruszania się. Utrzymuje także pozostałe struktury komórkowe w odpowiednim miejscu.

W cytoplazmie odbywają się liczne reakcje biochemiczne związane z metabolizmem komórki.

System błon plazmatycznych

Błony plazmatyczne w komórce to - siateczka śródplazmatyczna (szorstka i gładka), aparat Golgiego i lizosomy. Wszystkie te błony mają białkowo-lipidową budowę.

Siateczka śródplazmatyczna (retikulum endoplazmatyczne) to nieregularny system pęcherzyków i kanalików dzielący cytoplazmę na przedziały. Siateczka, na której znajdują się rybosomy jest określana mianem siateczki śródplazmatycznej szorstkiej i bierze udział w syntezie białek. Gładka siateczka śródplazmatyczna nie zawiera rybosomów i jest miejscem syntezy tłuszczów, bierze także udział w niszczeniu substancji toksycznych. Retikulum endoplazmatyczne pomaga także w transporcie różnych substancji i łączy wnętrze komórki z błoną komórkową.

Aparaty Golgiego to organelle składające się ze spłaszczonych cystern i odchodzących od nich pęcherzyków. Ich głównym zadaniem jest modyfikacja i segregowanie białek i innych substancji oraz ich transport w obrębie komórki lub poza nią. Są liczne w komórkach wydzielniczych.

Lizosomy to niewielkie, błoniaste pęcherzyki zawierające liczne enzymy mogące rozłożyć m.in. białka, tłuszcze i kwasy nukleinowe. Zajmują się trawieniem wewnątrzkomórkowym wchłoniętych lub niepotrzebnych substancji. Dzięki lizosomom komórki żerne naszego układu odpornościowego mogą strawić wchłonięte bakterie.

Mitochondria

Mitochondria to cylindryczne organelle wielkości 2-8μm otoczone dwiema błonami plazmatycznymi. Ich głównym zadaniem jest wytwarzanie energii w procesach utleniania związków organicznych. Zewnętrzna błona mitochondrium jest gładka, natomiast wewnętrzna jest silnie pofałdowana, tworząc tzw. grzebienie mitochondrialne. Wnętrze organelli wypełnia koloid zwany macierzą mitochondrialną (matriks). Znajduje się w niej wiele enzymów i substancji biorących udział w procesach utleniania a także mitochondrialne DNA i rybosomy. Mitochondria występują licznie w komórkach wymagających dużego zużycia energii, np. w mięśniach. Procesy oddychania komórkowego zachodzące w mitochondriach prowadzą do powstania energii cieplnej oraz chemicznej, zawartej w ATP (adenozynotrifosforanie).

Oddychanie komórkowe

Oddychanie komórkowe to skomplikowany proces polegający na utlenianiu związków organicznych - węglowodanów, tłuszczów i białek. Liczne reakcje chemiczne tego procesu prowadzą do powstania cząsteczek ATP, w którego wysokoenergetycznych wiązaniach jest zakumulowana energia. Można wyróżnić trzy charakterystyczne procesy oddychania wewnątrzkomórkowego - glikolizę, cykl Krebsa i oddychanie końcowe.

Glikoliza zachodzi w cytoplazmie i polega na stopniowym rozkładzie glukozy do postaci kwasu pirogronowego. Z jednej cząsteczki glukozy powstają dwie cząsteczki pirogronianu. Reakcje glikolizy prowadzą także do powstania niewielkiej liczby cząstek ATP i przechwycenia wodoru przez związek nazywany przenośnikiem wodoru. Powstały kwas pirogronowy wędruje do wnętrza mitochondrium gdzie ulega przekształceniu w związek o nazwie acetylo-koenzym A (acetylo-CoA). Do powstania tego związku może prowadzić również utlenianie kwasów tłuszczowych. Proces ten noszący nazwę β-oksydacja zachodzi w macierzy mitochondrium i również prowadzi do powstania zredukowanych przenośników wodoru (zawierających przechwycony wodór). Acetylo-koenzym A bierze udział w kolejnym procesie zwanym cyklem Krebsa (cyklem kwasu cytrynowego). Liczne przemiany chemiczne tego procesu prowadzą do uwolnienia dwutlenku węgla, syntezy pojedynczych cząstek ATP i zebrania atomów wodoru przez przenośniki. Końcowy i najbardziej wydajny proces - oddychanie końcowe - zachodzi na grzebieniach mitochondrialnych z udziałem tlenu cząsteczkowego. W ich błonę wbudowane są specjalne białka, które zbierają atomy wodoru z przenośników i korzystają z ich energii syntetyzując liczne cząstki ATP. Procesem końcowym tego etapu jest także wytworzenie wody. W następujący sposób możemy przedstawić proces utlenienia jednej cząsteczki glukozy:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 36ADP + 36Pi → 6CO₂ + 6H₂O + ~33ATP

Komórka może także wytworzyć energię bez udziału tlenu. W takim wypadku zahamowaniu ulegają wszelkie procesy oddychania końcowego, a ATP jest syntetyzowane jedynie w procesie glikolizy. Kwas pirogronowy ulega wtedy przekształceniu w kwas mlekowy w procesie fermentacji mlekowej. Proces oddychania wewnątrzkomórkowego bez udziału tlenu jest mniej wydajny i można go przedstawić w następujący sposób:

C₆H₁₂O₆ + 2ADP + 2Pi → 2C₃H₆O₃ + 2ATP

Węglowodany i kwasy tłuszczowe nie są jedynymi związkami, które mogą ulec utlenianiu. Gdy organizm jest w stanie długiego głodzenia, może użyć także aminokwasów do wytworzenia energii.

Rybosomy

Rybosomy to niewielkie, dwuczęściowe struktury zbudowane z białek i rRNA (rybosomalnego kwasu rybonukleinowego). Każdy rybosom składa się z dwóch podjednostek - mniejszej i większej (grafika nr 7). Na rybosomach zachodzi proces biosyntezy białek w procesie translacji, podczas którego informacja zawarta w RNA zostaje "przetłumaczona" na sekwencję aminokwasów, z których składa się białko. Mogą znajdować się luzem w cytoplazmie lub być przyczepione do siateczki śródplazmatycznej szorstkiej. Znajdują się również w mitochondriach.

Jądro komórkowe

Jądro komórkowe to najczęściej kulista struktura zawierająca materiał genetyczny komórki. Właśnie posiadanie jądra komórkowego jest charakterystyczne dla eukariontów, do których zalicza się także człowiek. Większość komórek ustroju ludzkiego posiada z reguły jedno, kuliste jądro komórkowe, chociaż zdarzają się także wyjątki. Włókna mięśniowe szkieletowe posiadają liczne owalne jądra, natomiast erytrocyty nie mają ich wcale.

Jądro komórkowe jest otoczone dwiema błonami plazmatycznymi tworzącymi otoczkę jądrową. Na błonie zewnętrznej znajdują się liczne rybosomy i przechodzi ona w retikulum endoplazmatyczne szorstkie, natomiast wewnętrzna jest gładka. Wnętrze organelli jest wypełnione kariolimfą (sokiem jądrowym), koloidalnym płynem zawierającym m.in. białka enzymatyczne biorące udział w syntezie DNA i RNA. Otoczka jądrowa jest poprzebijana licznymi porami jądrowymi pozwalającymi na kontakt i wymianę substancji z cytoplazmą.

W kariolimfie zanurzony jest również materiał genetyczny komórki w postaci chromatyny. Jest to długa plątanina cienkich i długich fibryli (włókien). Każde włókno chromatyny składa się z DNA nawiniętego na specjalne białka zwane histonami. W trakcie podziału chromatyna koncentruje się coraz bardziej, formując struktury zwane chromosomami.

Z mocno skoncentrowanych fibryli chromatyny zbudowane jest także jąderko. Ta struktura odpowiada za syntezę rRNA i powstawanie rybosomów. Duże jąderka znajdują się zwłaszcza w komórkach aktywnych metabolicznie.

Podział komórki

Powstawanie chromosomów

Chromosomy są skoncentrowaną, gotową do podziału formą chromatyny. Każda komórka somatyczna człowieka zawiera komplet 46 chromosomów, natomiast gamety - 23. Pojedynczy zestaw chromosomów znajdujący się w gametach określamy mianem haploidalnego (pojedynczego, n). Cała reszta komórek naszego organizmu zawiera podwójny, czyli diploidalny zestaw chromosomów. Chromosomy składają się z dwóch ramion zwanych chromatydami połączonych ze sobą centromerem. Każda chromatyda zawiera pojedynczą nić DNA. Chromosomy stają się widoczne dopiero podczas podziału komórki, gdy materiał genetyczny ulega podwojeniu i coraz większej koncentracji (grafika nr 9). Wyróżniamy dwa zasadnicze typy podziału komórek - mitozę i mejozę.

Mitoza

Mitoza jest podziałem, w którym z jednej komórki macierzystej powstają dwie komórki potomne o tej samej liczbie chromosomów. Mitoza jest częścią tak zwanego cyklu komórkowego, do którego należy także interfaza. Interfaza jest najdłuższą fazą cyklu komórkowego. Komórka szykuje się w nim do podziału podwajając liczbę DNA i syntetyzując białka wymagane do podziału. Zdarza się także, że podczas interfazy nie dochodzi do replikacji DNA i komórka przestaje się szykować do podziału, ulegając specjalizacji.

Mitoza składa się z czterech faz: profazy, metafazy, anafazy i telofazy.

Podczas profazy zaczynają się formować chromosomy - każdy z nich ma wtedy dwie chromatydy, czyli podwojoną liczbę materiału genetycznego. W końcu dochodzi także do zaniku jąderka i pęknięcia otoczki jądrowej. Tym samym komórka przechodzi do metafazy. Do centromerów każdego z chromosomów przyczepia się wrzeciono kariokinetyczne (podziałowe) i chromosomy są układane w środkowej części komórki. Wtedy wrzeciono zaczyna się kurczyć prowadząc do rozerwania chromatyd, w wyniku czego powstają chromosomy potomne (zawierające pojedynczą chromatydę). Gdy wszystkie chromosomy ulegną już rozerwaniu zaczyna się anafaza. Chromosomy potomne są odciągane do przeciwległych biegunów komórki, rozdzielając także pozostałe organelle. Podczas telofazy odtwarzana jest otoczka jądrowa, a chromosomy wracają do postaci chromatyny. Podział cytoplazmy, czyli cytokineza zachodzi w anafazie lub w telofazie. Tym samym powstają dwie komórki potomne o identycznym materiale genetycznym co komórka macierzysta. Mitoza pozwala na ciągły wzrost i regenerację organizmu.

Mejoza

Mejoza to podział redukcyjny (oznaczany R!), który zmniejsza liczbę chromosomów o połowę (z 2n do n). W organizmie człowieka ten typ podziału prowadzi do powstania komórek rozrodczych (gamet). Każda gameta ma wtedy podstawowy, pojedynczy zestaw chromosomów. Zasadniczą różnicą w stosunku do mitozy są aż dwa podziały komórkowe i powstawanie czterech komórek potomnych. Podczas mejozy dochodzi także do losowego podziału materiału genetycznego i jego wymieszania się. Mejozę dzielimy na dwa etapy - pierwszy podział mejotyczny (zwany redukcyjnym) i drugi podział mejotyczny (zwany zachowawczym).

Pierwszy podział mejotyczny

Podobnie jak podczas mitozy, podział mejotyczny poprzedza interfaza i replikacja materiału genetycznego. W profazie I podobne do siebie chromosomy zwane homologicznymi dobierają się parami formując tzw. biwalenty. Ważne jest to, że chromosomy w biwalentach wymieniają się niektórymi odcinkami (tzw. crossing-over). Tworzy się także wrzeciono kariokinetyczne i przyłącza się do biwalentów. Podczas metafazy I chromosomy są układane na środku komórki. Podczas anafazy I kurczące się wrzeciono podziałowe rozrywa biwalenty i ciągnie w kierunku przeciwległych biegunów komórki. W telofazie I odtwarza się otoczka jądrowa i chromosomy ulegają częściowej despiralizacji. Powstają dwie komórki potomne o zredukowanej liczbie chromosomów.

Drugi podział mejotyczny

Drugi etap mejozy zaczyna się od profazy II. Ponownie formują się chromosomy, pęka otoczka jądrowa i powstaje wrzeciono podziałowe. Podczas metafazy II włókna wrzeciona przyłączają się do centromerów chromosomów i układają je w centralnej części komórki. Kurczące się w anafazie II wrzeciono rozrywa chromosomy na chromatydy potomne i przeciąga w przeciwległe bieguny komórki. W telofazie II odtwarza się otoczka jądrowa, chromosomy ulegają despiralizacji do postaci chromatyny i następuje podział cytoplazmy. Efektem są cztery komórki o dwa razy mniejszej liczbie chromosomów niż komórka macierzysta. Połączenie gamet doprowadzi do odtworzenia pierwotnej liczby chromosomów, poza tym komórka potomna będzie miała wymieszany, losowy zestaw genów pochodzący od obojga rodziców.

Podsumowanie

1.Ciało człowieka (a także innych organizmów żywych) jest zbudowane z komórek. 2.Komórki zawierające jądro komórkowe są określane mianem eukariotycznych. Tym samym, człowiek zalicza się do eukariontów. 3.Komórki mogą się różnić w zależności od lokalizacji i pełnionych funkcji, lecz z reguły zawierają ten sam zestaw struktur komórkowych: błonę komórkową, cytoplazmę, system wewnętrznych błon plazmatycznych, mitochondria, rybosomy i jądro komórkowe. 4.Błona komórkowa oddziela komórkę od środowiska zewnętrznego, a także stanowi wybiórczą barierę dla substancji. 5.Cytoplazma składa się z płynnego cytozolu i zawieszonym w nich organelli. Stanowi środowisko wielu reakcji biochemicznych zachodzących w komórkach. Zanurzony w niej cytoszkielet nadaje również kształt komórce, pozwala na jego zmianę i umożliwia ruch. 6. System błon plazmatycznych to: retikulum endoplazmatyczne gładkie i szorstkie, aparat Golgiego i lizosomy. 7.Retikulum endoplazmatyczne dzieli cytoplazmę na przedziały (komponenty). Na siateczce śródplazmatycznej znajdują się rybosomy i jest ona miejscem syntezy białek. Siateczka gładka jest pozbawiona rybosomów i jest miejscem syntezy lipidów. Bierze także udział w detoksykacji. Aparat Golgiego zajmuje się segregowaniem, modyfikacją i transportem substancji w komórce i na eksport. Lizosomy zawierają białka enzymatyczne i zajmują się trawieniem wewnątrzkomórkowym. 8.Mitochondria to organelle odpowiadające za dostarczanie energii w procesie oddychania komórkowego. Składają się z dwóch błon - zewnętrznej i wewnętrznej oraz wypełniającej je macierzy (matriks). 9. Oddychanie komórkowe to skomplikowany proces utleniania związków organicznych (białek, tłuszczów i aminokwasów) powodujących wytworzenie energii cieplnej i chemicznej zmagazynowanej w ATP. 10. Rybosomy to dwuczęściowe, niewielkie struktury zbudowane z białek i kwasów nukleinowych. Są miejscem translacji, czyli syntezy białek. 11. Jądro komórkowe zawiera materiał genetyczny komórki w postaci chromatyny. Chromatyna może ulec spiralizacji tworząc chromosomy. 12. Komórka może dzielić się w procesach mitozy i mejozy. Mitoza prowadzi do powstania dwóch komórek potomnych o niezmienionej liczbie chromosomów i zachodzi w komórkach somatycznych (komórkach ciała). Mejoza (R!) prowadzi do redukcji materiału genetycznego o połowę i najczęściej zachodzi w komórkach generatywnych (gametach).

Polecenia kontrolne

Wyjaśnij dlaczego człowiek zalicza się do eukariontów.
Narysuj i opisz schemat przykładowej komórki człowieka.
Sporządź tabelkę, w której wypiszesz wszystkie poznane organelle komórkowe. Tabelka powinna zawierać informacje na temat budowy i funkcji danej struktury.
Wyjaśnij na czym polega dyfuzja wspomagana i transport aktywny.
Sporządź schemat procesu oddychania komórkowego.
Sporządź schemat podziału mitotycznego i mejotycznego przykładowej komórki (2n = 6 chromosomów).
Wyjaśnij znaczenie zjawiska mejozy dla zmienności genetycznej.

Powrót do spisu treści