Jądro, mitochondria, plastydy i ściana komórkowa - Biologia na czasie 1 (ZR)

1.Cytoplazma i komórczaki

Cytoplazma to cytozol wraz z organellami (poza jądrem). Większość komórek ma jedno jądro, ale są też komórki wielojądrowe - komórczaki: cenocyty (wielokrotne podziały jądra bez podziałów cytoplazmy, np. strzępki niektórych grzybów) i syncytia (zlanie się wielu komórek jednojądrowych, np. włókna mięśni szkieletowych człowieka).

2.Budowa jądra komórkowego

Jądro oddziela od cytoplazmy otoczka jądrowa z dwóch błon jądrowych, w której są pory jądrowe - białkowe kompleksy z kanałami do transportu substancji. Wnętrze wypełniają: chromatyna (DNA z histonami), macierz jądrowa (sieć białkowych włókien - szkielet jądra stabilizujący chromatynę) i nukleoplazma (koloidalny roztwór m.in. RNA oraz białek enzymatycznych i regulatorowych).

3.Chromatyna i jąderko

Chromatyna - kompleks DNA i histonów budujący chromosomy eukariotyczne; między podziałami komórki ma postać cienkich, długich nici, a podczas podziału - grubych, krótkich, pałeczkowatych chromosomów. Jąderko - nieobłoniona, zwykle kulista struktura z chromatyną jąderkową, RNA i licznymi białkami; powstaje w nim rRNA i podjednostki rybosomów.

4.Funkcje jądra komórkowego

Kontroluje przebieg większości procesów życiowych komórki - przez kontrolę syntezy białek, bo chromosomy są wzorcem do syntezy mRNA, tRNA i rRNA. Odpowiada też za powielanie i przekazywanie materiału genetycznego do komórek potomnych oraz organizmów potomnych.

5.Ekspresja genów w komórce eukariotycznej

Ogół procesów od syntezy RNA do syntezy białka. W jądrze powstają mRNA, tRNA i podjednostki rybosomów (rRNA łączy się z białkami w jąderku); przechodzą one przez pory jądrowe do cytoplazmy. Tam rybosom łączy aminokwasy w kolejności zapisanej w mRNA, a tRNA dostarcza aminokwasy.

6.Transport przez pory jądrowe

Dwie błony otoczki uniemożliwiają swobodny przepływ, więc niemal cały transport odbywa się przez pory jądrowe. Z jądra do cytoplazmy wędrują głównie mRNA, tRNA i podjednostki rybosomów, a do jądra - histony, enzymy, białka do budowy rybosomów i wolne nukleotydy. Komórki o dużej aktywności metabolicznej mają znacznie więcej porów.

7.Doświadczenie Hammerlinga z parasolowcem (Acetabularia)

Hammerling (1931) wymieniał między dwoma gatunkami parasolowca trzonki i chwytniki - w chwytniku leży jądro. Odrastający kapelusz miał kształt typowy dla gatunku, od którego pochodził chwytnik, a po połączeniu chwytników obu gatunków - kształt pośredni. Wniosek: jądro komórkowe determinuje kształt kapelusza.

8.Cytozol i cytoszkielet

Cytozol - wodny koloidalny roztwór substancji nieorganicznych i organicznych, głównie rozpuszczalnych białek. Zawiera też białka nierozpuszczalne tworzące cytoszkielet, który występuje we wszystkich komórkach eukariotycznych: filamenty aktynowe (ok. 7 nm), filamenty pośrednie (ok. 10 nm) i mikrotubule (ok. 25 nm).

9.Filamenty aktynowe (mikrofilamenty)

Zbudowane z aktyny; najliczniej występują pod błoną komórkową - nadają jej wytrzymałość mechaniczną i pozwalają kontrolować zmiany kształtu komórki. Tworzą pierścień kurczliwy przy podziale cytoplazmy komórek zwierzęcych, umożliwiają ruch pełzakowaty, skurcze mięśni i ruch w obrębie komórki, np. ruch organelli, otaczanie pokarmu przy fagocytozie i ruch cytozolu.

10.Filamenty pośrednie

Sztywne i bardzo wytrzymałe włókienka różnych białek, m.in. keratyny, pełniące funkcję wzmacniającą: chronią komórkę przed uszkodzeniami mechanicznymi, np. pękaniem przy rozciąganiu. Tworzą gęstą sieć, która otacza jądro i sięga do błony komórkowej, silnie rozwiniętą np. w nabłonku; wchodzą też w skład macierzy jądrowej.

11.Mikrotubule

Długie, dynamiczne rurki z tubuliny, które mogą się wydłużać, skracać, zanikać i pojawiać; u zwierząt formuje je centrosom (z centriolami) w pobliżu jądra. Utrzymują organelle w odpowiednim położeniu, tworzą szlaki transportu wewnątrzkomórkowego, budują wrzeciono podziałowe oraz rusztowanie rzęsek i wici.

12.Rzęski i wici komórek eukariotycznych

Wypustki cytoplazmy okryte błoną komórkową, umożliwiające ruch. Trzon tworzą mikrotubule (para w centrum i 9 par na obwodzie) wyrastające z ciałka podstawowego (9 trypletów mikrotubul). Rzęski są krótkie i liczne, wici długie i nieliczne. Rzęska prokariotyczna ma inną budowę: ciałko podstawowe, hak i białkowe włókno.

13.Budowa mitochondrium

Dwie błony mitochondrialne oddzielone przestrzenią międzybłonową: zewnętrzna gładka, wewnętrzna pofałdowana w grzebienie, zawierająca przenośniki elektronów łańcucha oddechowego i syntazę ATP. Wnętrze wypełnia matriks mitochondrialna z enzymami, rybosomami i mitochondrialnym DNA (mtDNA).

14.Mitochondria - funkcja i rozmieszczenie

Występują we wszystkich eukariotycznych komórkach oddychających tlenowo. Zachodzą w nich główne etapy oddychania tlenowego - uwalnianie energii ze związków organicznych i gromadzenie jej w ATP. Im większe zapotrzebowanie komórki na energię, tym więcej mitochondriów i większa powierzchnia błon wewnętrznych; skupiają się tam, gdzie energia jest potrzebna, np. u podstawy wici plemnika.

15.Rodzaje plastydów

Organelle roślin i niektórych protistów, powstające z proplastydów i namnażające się przez podział. Plastydy barwne: chloroplasty, etioplasty, chromoplasty; bezbarwne: leukoplasty. Wszystkie mają dwie błony z przestrzenią międzybłonową, plastydowy DNA i rybosomy; większość może przekształcać się w inne typy, np. pod wpływem światła.

16.Chloroplasty, etioplasty, chromoplasty, leukoplasty - funkcje

Chloroplasty (chlorofil i karotenoidy) przeprowadzają fotosyntezę. Etioplasty występują w roślinach rosnących w ciemności; ich żółty barwnik w świetle przekształca się w chlorofil. Chromoplasty (karotenoidy) w kwiatach i owocach przywabiają zwierzęta zapylające i rozsiewające nasiona. Leukoplasty magazynują skrobię (amyloplasty) lub tłuszcze (elajoplasty).

17.Budowa chloroplastu

Dwie błony chloroplastowe oddzielone przestrzenią międzybłonową. Wnętrze wypełnia stroma z enzymami, rybosomami, chloroplastowym DNA (cpDNA) i ziarnami skrobi. W stromie są tylakoidy (z wpuklania błony wewnętrznej): tylakoidy gran ułożone w stosy (grana) i tylakoidy stromy łączące grana. W błonach tylakoidów są barwniki (chlorofile, karotenoidy), przenośniki elektronów i syntaza ATP.

18.Teoria endosymbiozy

Mitochondria i chloroplasty pochodzą od wolno żyjących bakterii, które ok. 1,5 mld lat temu wchłonęła heterotroficzna komórka odżywiająca się fagocytozą, ale ich nie strawiła. Najpierw prokariont z grupy archeowców wchłonął oddychające tlenowo proteobakterie, które stały się mitochondriami (równocześnie powstała otoczka jądrowa). Potem heterotroficzny eukariont wchłonął sinice, które przekształciły się w chloroplasty.

19.Argumenty za endosymbiotycznym pochodzeniem mitochondriów i chloroplastów

Mają koliste DNA niezwiązane z histonami, rybosomy podobne do prokariotycznych, otaczające je błony przypominają budową błony bakterii, a nowe mitochondria i chloroplasty powstają przez podział.

20.Organelle półautonomiczne

Mitochondria i chloroplasty są częściowo niezależne od jądra: część ich białek kodują geny własnego DNA (wytwarzane na rybosomach matriks lub stromy), a pozostałe - geny jądrowe (wytwarzane na rybosomach cytoplazmatycznych i przenoszone do organelli). Dzielą się niezależnie od podziałów jądra. Np. syntaza ATP ma podjednostki kodowane w obu genomach.

21.Siateczka śródplazmatyczna (ER) - budowa

System błon w postaci spłaszczonych cystern i rozgałęzionych kanalików, powstających z zewnętrznej błony otoczki jądrowej i rozciągających się na całą komórkę. Siateczka szorstka (RER) ma na powierzchni rybosomy, gładka (SER) - nie. Należy do systemu struktur otoczonych jedną błoną (z aparatem Golgiego, lizosomami, peroksysomami, wakuolami), połączonych pęcherzykami transportującymi.

22.Siateczka śródplazmatyczna szorstka - funkcje

Na jej rybosomach powstają białka kierowane poza komórkę, integralne białka większości błon oraz białka siateczki, aparatu Golgiego, lizosomów i wakuol. Zachodzą w niej modyfikacje białek, np. dołączanie reszt kwasów tłuszczowych, grup hydroksylowych lub cukrów. Większość białek trafia pęcherzykami do aparatu Golgiego; RER jest obfita w komórkach wydzielniczych, np. trzustki.

23.Siateczka śródplazmatyczna gładka - funkcje

Synteza lipidów: triglicerydów (tłuszczów właściwych), fosfolipidów, cholesterolu i jego pochodnych (hormony steroidowe, sole żółciowe, witamina D3). W wątrobie neutralizuje i usuwa szkodliwe substancje, np. alkohol etylowy, a we włóknach mięśniowych magazynuje jony wapnia potrzebne do skurczu. Fosfolipidy powstają w monowarstwie cytozolowej i flipazy przenoszą część do wewnętrznej.

24.Rybosomy - budowa

Nieobłonione struktury przeprowadzające syntezę białek, złożone z dwóch podjednostek - dużej i małej - które są kompleksami nukleoproteinowymi z rRNA i białek. Podjednostki łączą się tylko na czas syntezy białka, a potem się rozdzielają. Wielkość rybosomów porównuje się współczynnikiem sedymentacji (jednostka svedberg, S).

25.Rybosomy 80 S, 70 S i mitochondrialne

Rybosomy 80 S (cytoplazmatyczne) są tylko u eukariontów: wolne w cytozolu albo związane z siateczką śródplazmatyczną (nietrwale, na czas syntezy). Rybosomy 70 S występują u prokariontów i w chloroplastach, a mitochondrialne mają 55-80 S. Rybosomy mitochondrialne i chloroplastowe to rybosomy organellowe, podobne do prokariotycznych.

26.Które białka powstają na rybosomach wolnych, a które na związanych z siateczką?

Wolne (cytozolowe): białka cytozolu, jądra, peroksysomów i niektóre białka mitochondriów i chloroplastów. Związane z siateczką: białka kierowane poza komórkę, białka większości błon oraz białka siateczki, aparatu Golgiego, lizosomów i wakuol. Rybosomy organellowe: niektóre białka mitochondriów i chloroplastów. Do organelli białko kieruje sekwencja sygnałowa.

27.Aparat Golgiego - budowa i funkcje

Powstaje z siateczki; to stos 3-20 płaskich, rozszerzonych na końcach cystern. Strefa wejściowa (cis) jest zwrócona do siateczki, a wyjściowa (trans) - do błony komórkowej. Modyfikuje białka i lipidy (powstają glikoproteiny i glikolipidy), sortuje je i pakuje do pęcherzyków. U roślin wytwarza pektyny i hemicelulozy ściany; u zwierząt jest rozwinięty w komórkach wydzielniczych.

28.Droga białek wydzielniczych w komórce

Rybosomy siateczki szorstkiej syntetyzują białko, pęcherzyk transportujący przenosi je do strefy wejściowej aparatu Golgiego, gdzie jest modyfikowane (np. przyłączenie cukrów), sortowane i pakowane. Pęcherzyki ze strefy wyjściowej zlewają się z błoną komórkową - zachodzi wydzielanie (sekrecja), a powierzchnia błony rośnie. Inne pęcherzyki stają się lizosomami lub wakuolami.

29.Lizosomy

Pęcherzyki otoczone jedną błoną (u zwierząt i wielu protistów) z enzymami rozkładającymi złożone związki organiczne, aktywnymi tylko w środowisku kwasowym (pH ok. 5) - utrzymują je pompy protonowe wprowadzające jony $\ce{H+}$. Błonę chroni od wewnątrz warstwa cukrów, a cytoplazmę obojętny odczyn cytozolu. Trawią m.in. uszkodzone organelle i składniki pobrane endocytozą.

30.Trawienie wewnątrzkomórkowe w lizosomach - produkty i występowanie

Końcowe produkty trawienia (aminokwasy, cukry proste, nukleotydy) przechodzą przez błonę lizosomu do cytozolu i służą do nowych syntez albo są transportowane poza komórkę; niestrawione resztki usuwa egzocytoza. Lizosomów jest dużo u organizmów trawiących pokarm wewnątrzkomórkowo (niektóre bezkręgowce, protisty) i w komórkach żernych kręgowców, np. niektórych leukocytach.

31.Peroksysomy i katalaza

Drobne pęcherzyki z jedną błoną, obecne we wszystkich komórkach eukariotycznych, powstające z siateczki gładkiej. Ich enzymy katalizują reakcje z udziałem tlenu, m.in. wytwarzanie mieliny i neutralizowanie substancji szkodliwych (alkohol etylowy, leki). Powstający nadtlenek wodoru rozkłada katalaza: $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$.

32.Wakuola roślinna - tonoplast i funkcje

Pęcherzyk otoczony błoną zwaną tonoplastem, wypełniony sokiem komórkowym. Funkcje: utrzymywanie turgoru, magazynowanie jonów (np. $\ce{K+}$, $\ce{Ca^2+}$, $\ce{NO3-}$) i substancji zapasowych (cukrów, białek), gromadzenie ubocznych produktów przemiany materii (np. kryształów szczawianu wapnia) oraz flawonoidów, alkaloidów i garbników.

33.Flawonoidy, alkaloidy, garbniki i wakuole lityczne

Flawonoidy nadają kwiatom i owocom jaskrawe barwy, przyciągając zwierzęta zapylające i rozsiewające nasiona. Alkaloidy i garbniki pełnią funkcje obronne - trują, odstraszają zapachem lub pogarszają smak. Wakuole lityczne zawierają enzymy trawienne: rozkładają zużyte organelle i uczestniczą w powstawaniu martwych tkanek, np. drewna.

34.Wodniczki protistów

Wodniczki pokarmowe trawią pokarm. Wodniczki tętniące odpowiadają za osmoregulację - usuwają nadmiar wody, która osmotycznie napływa do komórek protistów słodkowodnych pozbawionych ściany (żyją w środowisku hipotonicznym). Mogą mieć kanały doprowadzające i kanał wyrzutowy, np. u pantofelka.

35.Ściana komórkowa - występowanie i funkcje

Zewnętrzna warstwa komórek bakterii (mureina), grzybów (chityna), roślin (celuloza) i niektórych protistów; jest wytrzymała i elastyczna. Nadaje kształt, chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi i wnikaniem drobnoustrojów oraz zabezpiecza przed pęknięciem w środowisku hipotonicznym. Pod nią leży protoplast - część komórki ograniczona błoną komórkową.

36.Budowa ściany komórkowej roślin

Szkielet tworzą mikrofibryle celulozowe - równoległe wiązki nierozgałęzionych łańcuchów celulozy (reszty glukozy połączone wiązaniami 1,4-β-glikozydowymi) spojonych wiązaniami wodorowymi. Przestrzenie wypełnia macierz z hemiceluloz, pektyn, białek i wody. Celulozę wytwarza enzym w błonie komórkowej, a hemicelulozy i pektyny (krótsze, rozgałęzione) - aparat Golgiego.

37.Ściana pierwotna i ściana wtórna

Ściana pierwotna jest cienka i delikatna, występuje głównie w młodych, intensywnie rosnących komórkach; zawiera ok. 5% celulozy, 30% hemiceluloz i pektyn, 5% białek i 60% wody. Ściana wtórna jest gruba i wytrzymała, ma więcej celulozy, a mniej białek i wody; w drewnie i korkowicy bywa wysycona ligniną lub powleczona suberyną.

38.Kutyna, lignina i suberyna

Związki modyfikujące ściany przez powlekanie (adkrustację) lub wysycanie (inkrustację). Kutyna buduje kutykulę skórki pędu i chroni przed utratą wody. Lignina (np. w drewnie) wzmacnia ściany i umożliwia pionowy transport wody. Suberyna w korkowicy chroni przed niekorzystną temperaturą, utratą wody i urazami.

39.Mureina - ściana komórkowa bakterii

Peptydoglikan z sacharydów i krótkich peptydów. Naprzemiennie ułożone N-acetyloglukozamina (NAG) i kwas N-acetylomuraminowy (NAM) tworzą długie łańcuchy połączone tetrapeptydami lub pentapeptydami. Dzięki temu ściana bakterii jest sztywna i mocna - chroni m.in. przed pęknięciem w środowisku hipotonicznym.

40.Blaszka środkowa i plazmodesmy

Blaszka środkowa z pektyn spaja ściany pierwotne sąsiednich komórek i zapewnia spójność tkanek; gdy się rozpuszcza, komórki się rozsuwają (np. mięknięcie dojrzewających owoców). Plazmodesmy to cienkie pasma cytoplazmy otoczone błoną, przechodzące przez jamki w ścianach i łączące cytozol oraz siateczki sąsiednich komórek; przechodzą przez nie jony, małe cząsteczki, ale też wirusy.