Jak działa komórka?
Komórka jest podstawową jednostką funkcjonalną każdego żywego organizmu. Jest ona oddzielona od środowiska zewnętrznego błoną biologiczną o charakterze lipidowo-białkowym. Jej wnętrze wypełnia cytozol, czyli wodny, koloidalny roztwór różnych cząsteczek, głównie o charakterze białkowym. W cytozolu znajdują się organella komórkowe niezbędne do jej prawidłowego funkcjonowania. Cytoplazma jest obszarem, w którym zachodzi glikoliza czyli proces metabolizmu glukozy i innych cukrów prostych Z dwuwarstwą lipidową otaczającą komórkę związane są białka transportujące, kotwiczące, białka receptorowe oraz enzymatyczne.
Komórka może kontaktować się ze środowiskiem zewnętrznym poprzez transport różnych cząsteczek do wnętrza komórki oraz na zewnątrz. Transport bierny zachodzi ze środowiska o większym stężeniu substancji rozpuszczonych do środowiska o mniejszym ich stężeniu, czyli zgodnie z gradientem stężeń. Transport bierny nie wymaga nakładu energii i może zachodzić bezpośrednio przez błonę – mówimy wówczas o dyfuzji prostej, albo przy udziale białek transportujących czyli przez dyfuzję ułatwioną. Odmianą dyfuzji prostej jest osmoza, która polega na przenikaniu wody przez błonę biologiczną. W przypadku osmozy woda przepływa zawsze w kierunku od środowiska mniej stężonego czyli hipotonicznego do środowiska bardziej stężonego czyli hipertonicznego względem komórki. Transport czynny zachodzi natomiast ze środowiska o niższym stężeniu substancji rozpuszczonych do środowiska o ich wyższym stężeniu i wymaga nakładu energii, zachodzi bowiem wbrew gradientowi stężeń.
Dyfuzja ułatwiona może zachodzić przy udziale białek kanałowych lub przez białka nośnikowe, które do przetransportowania związku chemicznego wymagają zmiany konformacji przestrzennej w błonie. Transport czynny odbywa się przy udziale pomp korzystających z energii w postaci ATP albo poprzez białka nośnikowe. Białka nośnikowe mogą działać na zasadzie transportu sprzężonego, w którym dwa związki lub jony transportowane są zależnie od siebie. Jeśli transport obu cząsteczek odbywa się w tym samym kierunku, mówimy o symporcie. Kiedy transport zachodzi w przeciwnych kierunkach, mamy do czynienia z antyportem. Istnieją też specjalne kanały transportujące polarne cząsteczki wody – są to tzw. akwaporyny.
Gdy transportowany ładunek jest zbyt duży, aby mógł zajść przy udziale białek błonowych, dochodzi do transportu pęcherzykowego. Jeśli transport zachodzi do wnętrza komórki, mówimy o endocytozie, gdy odbywa się on na zewnątrz komórki, mamy do czynienia z egzocytozą. Gdy endocytoza dotyczy bakterii lub szczątków organicznych mówimy o fagocytozie, natomiast pobieranie przez komórką małych kropli płynów nazywa się pinocytozą.
Jądro komórkowe jest strukturą, która pełni funkcję nadrzędną w komórce człowieka. Jądro zawiera materiał genetyczny, dzięki któremu steruje przebiegiem większości procesów życiowych, umożliwia też podział komórki. Komórka zawiera zazwyczaj jedno jądro komórkowe, ale w komórkach mięśniowych może występować wiele jąder. Komórki dojrzałych erytrocytów nie zawierają jadra – zanika ono bowiem w trakcie rozwoju. Jądro jest oddzielone od cytozolu za pomocą otoczki jądrowej, która składa się z dwóch błon biologicznych między którymi znajduje się przestrzeń międzybłonowa. Jądro wypełnia kariolimfa, w której znajdują się białka enzymatyczne, cząsteczki kwasów nukleinowych oraz jąderko uczestniczące w powstawaniu rybosomalnego RNA. Jądro kontaktuje się z cytozolem za pośrednictwem porów jądrowych.
W jądrze komórkowym znajduje się 46 chromosomów. Geny w nich zawarte są używane w procesie transkrypcji, podczas której dwuniciowe cząsteczki DNA są przepisywane na jednoniciowy kwas nukleinowy RNA. W jądrze powstają cząsteczki matrycowego RNA, transportującego RNA oraz rybosomalnego RNA, niekodujące cząsteczki RNA, które można podzielić na kilka odrębnych klas zaangażowanych głównie w procesy regulacji ekspresji genów. Cząsteczki RNA są transportowane do cytoplazmy przez kompleksy porów jądrowych i tutaj z ich udziałem mogą zachodzić procesy syntezy białek, które określane są mianem translacji. Zanim jednak matrycowy RNA weźmie udział w translacji jest poddawany procesom dojrzewania w którym cząsteczki pre-mRNA są przekształcane w dojrzały mRNA. Podczas dojrzewania do 5’ końca dodawana jest tzw. czapeczka, czyli cząsteczka 7-m guanozyny, która zabezpiecza mRNA przed degradacją i umożliwia oddziaływanie z maszynerią translacyjną. Koniec 3’ cząsteczki mRNA również jest modyfikowany – tutaj dodawany jest ogon poliA w procesie nazywanym poliadenylacją. Ogon poliA również zabezpiecza cząsteczkę przed jej degradacją przez enzymy nazywane nukleazami.
Cząsteczka pre-mRNA podlega też procesowi tzw. splicingu i splicingu alternatywnego. Na tym etapie z cząsteczek pre-mRNA wycinane są sekwencje niekodujące czyli introny, a sekwencje kodujące nazywane egzonami są ze sobą łączone. Dzięki procesom alternatywnego splicingu z jednego genu może powstać wiele różnych cząsteczek mRNA różniących się strukturą egzonowo-intronową. Dzięki temu z jednego genu może powstać wiele białek o różnym składzie aminokwasowym.
O tym, czy dana cząsteczka mRNA zostanie wykorzystana do syntezy białka decydują procesy regulacji ekspresji genów na poziomie potranskrypcyjnym. Jednym z przykładów takiej regulacji jest udział cząsteczek mikroRNA, które mogą zahamować syntezę białka lub doprowadzić do enzymatycznego rozcięcia mRNA, po którym następuje jego degradacja. Ostatecznie to cząsteczki mikroRNA regulują poziom białek w komórce.
Rybosomy to molekularne fabryki produkujące białka. Składają się z dwóch podjednostek: małej i dużej, które łączą się ze sobą na czas syntezy białka. Oprócz białek w skład rybosomu wchodzą też cząsteczki RNA – dlatego mówimy, że rybosom jest strukturą rybonukleoproteinową. Rybosomy mogą występować w formie wolnej, dryfującej w cytoplazmie, lub w formie związanej z siateczką śródplazmatyczną, nazywaną też retikulum endoplazmatycznym. Synteza białek odbywa się na rybosomach związanych z siateczką śródplazmatyczną szorstką przez dekodowanie informacji zapisanej w mRNA, to na jej podstawie do syntetyzowanego białka dodawane są kolejne aminokwasy.
Siateczka śródplazmatyczna gładka, nie zawierająca rybosomów odgrywa kluczową rolę w biosyntezie związków o charakterze lipidowym. Tutaj powstają kwasy tłuszczowe, trójglicerydy, fosfo i glikolipidy oraz cholesterol i jego pochodne. Do pochodnych cholesterolu zaliczamy hormony steroidowe, sole kwasów żółciowych oraz witaminę D. W komórkach wątroby struktura ta uczestniczy w neutralizowaniu związków szkodliwych, takich jak alkohol oraz związków obcych, w tym większości leków dostarczanych do organizmu. Z kolei we włóknach mięśniowych siateczka śródplazmatyczna gładka magazynuje i w razie potrzeby uwalnia jony wapnia niezbędne do skurczu mięśni.
Białka, które powstają dzięki pracy rybosomów muszą jeszcze przejść proces ich modyfikacji, aby stać w pełni funkcjonalnymi. Za ten etap odpowiedzialny jest aparat Golgiego, który składa się z wielu cystern ułożonych w stos. Liczba aparatów Golgiego może być różna w komórkach. Wyspecjalizowane komórki gruczołów dokrewnych zawierają najwięcej tego typu aparatów. Białka trafiają do aparatu Golgiego bezpośrednio z siateczki śródplazmatycznej i tutaj przechodzą proces modyfikacji, po czym są transportowane do swoich miejsc przeznaczenia w pęcherzykach, które odrywają się od aparatu. W aparacie Golgiego również lipidy przechodzą proces modyfikacji, sortowania i pakowania w pęcherzyki transportujące. Aparat Golgiego to taki system spedycyjny w komórce.
Mitochondria odgrywają rolę komórkowych elektrowni. Tutaj dochodzi do procesów przetwarzania energii oraz jej magazynowania w postaci wysokoenergetycznego związku ATP. Mitochondria są oddzielone od cytoplazmy poprzez dwie błony: błonę zewnętrzną oraz błonę wewnętrzną, pomiędzy którymi znajduje się przestrzeń międzybłonowa. Błona zewnętrzna jest przepuszczalna dla większości związków chemicznych, natomiast błona wewnętrzna jest bardzo selektywna i umożliwia transport do wnętrza mitochondrium oraz na zewnątrz jedynie wybranych związków chemicznych. W błonie wewnętrznej zlokalizowane są też białka łańcucha oddechowego czyli złożonego systemu transportu elektronów i protonów, odpowiedzialnego za syntezę cząsteczek ATP.
Proces oddychania tlenowego w komórce zaczyna się już w cytoplazmie. Rozpoczyna się od glikolizy, której produktami są cząsteczki pirogronianu, ATP oraz zredukowana forma dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego czyli NADH. Cząsteczki pirogronianu są następnie metabolizowane do acetylo-CoA w reakcji pomostowej. Acetylo-CoA wchodzi następnie do cyklu Krebsa, który odbywa się w matriks mitochondrium. Podczas cyklu-Krebsa powstają cząsteczki NADH i FADH2 oraz niewielka ilość ATP. NADH i FADH2 trafiają następnie do łańcucha oddechowego, gdzie zasilają syntezę cząsteczek ATP, która zachodzi przy udziale białka syntazy ATP.
Mitochondria posiadają swój własny kolisty genom, który dziedziczyme jedynie od naszych matek. Ten niewielki genom jest pozostałością komórek prokariotycznych, które zostały pochłonięte przez pradawną komórkę eukariotyczną, dla której zostały symbiontami, które później przekształciły się organella, które dziś przetwarzają dla nas energię.
Lizosomy są niewielkimi pęcherzykami otoczonymi błoną. Zawierają one enzymy, które w kwaśnym środowisku lizosomu rozkładają związki organiczne do związków prostszych. Są one szczególnie liczne w komórkach pełniących funkcje fagocytujące w układzie immunologicznym. Fagocytują mikroorganizmy chorobotwórcze oraz inne cząstki obcego pochodzenia. Aby zapewnić kwaśne środowisko optymalne dla działania enzymów lizosomalnych struktury te posiadają w swojej błonie pompy protonowe pompujące do wnętrza jony H+.
Peroksysomy to drobne pęcherzyki otoczone błoną. Zawierają enzymy katalizujące rozkład kwasów tłuszczowych. Peroksysomy zawierają ważne enzymy neutralizujące reaktywne formy tlenu. Dwa najistotniejsze z nich to: katalaza oraz peroksydaza ponadtlenkowa. Neutralizacja RFT chroni organizm przed szkodliwym działaniem z ich strony.
