Komórka roślinna

Strukturę komórkową roślin po raz pierwszy zaobserwowano w roku 1665 za pomocą prostego mikroskopu świetlnego. Owa komórka została zaobserwowana przez angielskiego naukowca - Roberta Hooke'a. To, co zobaczył pod mikroskopem przypominało mu plasterek miodu. Jego obiektem obserwacji były bowiem komórki roślinne martwe, po których pozostała już tylko sama celulozowa ściana komórkowa będąca elementem nieożywionym. Jako pierwszy żywe komórki miał okazję zaobserwować Anton von Leeuwenhoek. 

        Robert Hooke                 Anton von Leeuwenhoek 

Minęło ponad pół wieku, nim doceniono fakt komórkowej budowy organizmów. Przełomem była praca T. Schwanna, która wykazywała iż wszystkie organizmy składają się z jednej lub więcej komórek. 

Komórka jest najmniejszą jednostką strukturalną organizmu. Jest to również podstawowa jednostka zdolna do samodzielnego życia. Zdolna jest bowiem do wykonywania wszystkich funkcji życiowych. Jest wobec tego w stanie oddychać, wydalać, rozmnażać się, odżywiać się i reagować na bodźce pochodzące ze środowiska zewnętrznego. Wewnątrz komórki znajduje się wiele różnych elementów - w tym rozmaite organella komórkowe, które pełnią rozmaite funkcje. 

W komórce zachodzą wszystkie funkcje metaboliczne i dlatego komórki są postacią niezależnego organizmu. Ze względu na budowę i organizację jesteśmy w stanie wyróżnić dwa podstawowe typy komórek:

a) komórki prokariotyczne (Procaryota) - komórki o nieskomplikowanej budowie. Występowały jeszcze 3,5 mld lat temu. Nie posiadają jądra komórkowego, a ich materiał genetyczny zawieszony jest bezpośrednio w cytozolu. Przykładami tego typu komórek są bakterie - bezjądrowe jednokomórkowce. 

Źródło: opracowania.pl 

b) komórki eukariotyczne (Eucaryota) - materiał genetyczny tych komórek oddzielony jest od cytoplazmy i umieszczony w odpowiedniej strukturze - tzw. jądrze komórkowym, gdzie błona jądrowa stanowi swego rodzaju barierę pomiędzy materiałem genetycznym a cytoplazmą. Dodatkowo znajdują się w nich systemy zbudowane z różnego rodzaju połączeń błon, np. retikulum endoplazmatyczne i Aparat Golgiego. Charakterystyczne pofałdowania owych struktur nazywamy "cysternami". Niektóre komórki eukariotyczne posiadają również ścianę komórkową, która stanowi dodatkową osłonę dla komórki. W przypadku komórek roślinnych ściana komórkowa zbudowana jest z polisacharydu - celulozy, w przypadku grzybów z chityny, a w przypadku bakterii z mukopeptydu. Na przykładzie ściany komórkowej jesteśmy w stanie zilustrować rolę budulcową cukrów i białek w organizmach. 

Źródło: Scholaris.pl

Komórki roślinne mierzą na ogół od 0,01 aż do 0,1 mm. W niektórych wypadkach spotkać można się z dużo większymi rozmiarami. Odpowiednio wyspecjalizowane komórki są w stanie osiągnąć rozmiary sięgające kilku metrów. 

Źródło: Wikipedia. Autor: Mariana Ruiz Villarreal.

Przyjrzyj się z bliska komórce roślinnej. Zwróć uwagę na jej regularne kształty możliwe do uzyskania dzięki obecności twardej ściany komórkowej. Poniżej znajdziesz opisy poszczególnych elementów komórki roślinnej:

• WAKUOLA - w komórkach roślinnych główną funkcją wakuoli jest magazynowanie wody, soli mineralnych i związków organicznych. W komórkach tkanek miękiszu spichrzowego istnieją bardzo duże wakuole, gdyż służą one do magazynowania pokarmu zapasowego rośliny - najczęściej w postaci skrobi. Wakuola odpowiedzialna jest także za gospodarkę wodną komórki i utrzymywanie odpowiedniego turgoru komórek i tkanek. 

•  PLAZMODESMA - plazmodesmą nazywamy połączenie międzykomórkowe występujące w komórce roślinnej (oraz komórkach grzybów i bakterii, w tym sinic). Plazmodesmy przyjmują postać kanalików z siateczki śródplazmatycznej, z pasmami cytoplazmy przechodzącymi przez szczeliny (jamki) w ścianie komórkowej. 

PLAZMODESMA - Źródło: Wikipedia. Autor: Smartse.

• 
  
  ŚCIANA KOMÓRKOWA - jest to struktura otaczająca cytoplast komórek roślin, grzybów i bakterii, a także części protistów. Nadaje ona kształt i sztywność komórce. Jest przepuszczalna dla soli mineralnych. Struktura ta pełni funkcje ochronne. 
• CYTOPLAZMA - jest to część protoplazmy komórki eukariotycznej. Podzielić ją możemy na cytozol i zanurzone w nim organella komórkowe. 
• JĄDRO KOMÓRKOWE - jest to otoczone błoną  podwójną organellum, które obecne jest we wszystkich komórkach eukariotycznych z wyjątkiem tych, które utraciły je w wyniku specjalizacji. W jądrze znajduje się materiał genetyczny komórki w postaci długich, luźnych nici DNA nawiniętych na białka histonowe. 
• OTOCZKA JĄDROWA - składa się z dwóch błon - wewnętrznej i zewnętrznej. Zawiera liczne pory jądrowe umożliwiające transport pomiędzy jądrem, a resztą komórki. 
• PRZESTWORY MIĘDZYKOMÓRKOWE - są to puste przestrzenie wypełnione powietrzem. Mają znaczenie w wymianie gazowej. 
• Mitochondrium - struktura ta określana jest mianem "elektrowni komórkowej". To tutaj zachodzi proces oddychania komórkowego, a co za tym idzie zmagazynowanie energii w wysokoenergetycznych wiązaniach, dzięki adenozynotrifosforanowi (ATP). ATP stanowi swego rodzaju energetyczną walutę. Energia magazynowana jest w ATP już podczas pierwszego procesu oddychania komórkowego - tzw. glikolizy, która zachodzi w cytoplazmie, jednakże ilości cząsteczek ATP wytworzonych podczas tego procesu są nieznaczne, a co za tym idzie komórki posiadające mitochondrium mają większy zysk energetyczny i kilkuetapowy proces oddychania. 
• Aparat Golgiego - zachodzą tu modyfikacje wytwarzanych przez komórkę substancji (modyfikowanie białek i lipidów). Następuje tu również sortowanie substancji i ich dystrybucja w obrębie komórki. 

W organizmach składających się z wielu różnych komórek są one w stanie utworzyć oddzielne zespoły i utworzyć grupę ukierunkowaną ku pełnieniu określonej dla organizmu funkcji. Można rzec iż określona grupa komórek podlega procesowi specjalizacji. Grupa komórek, która jej ulegnie z definicji staje się tkanką. Często wraz ze specjalizacją następuje zmiana kształtów, czy też składu komórek. 

Błona cytoplazmatyczna jest przedstawicielem części ożywionej komórki. Ożywiona część komórki nazywana jest zaś protoplastem. Błona komórkowa wyznacza granicę pomiędzy środowiskiem wewnętrznym komórki, a środowiskiem zewnętrznym. Zbudowana jest głównie z lipidów i białek. Wiele z tych białek pełni funkcję enzymatyczne, co jest szczególnie ważne dla transportu substancji z komórek do komórek, a także odbierania i przesyłania informacji dzięki cząsteczkom - sygnałom. 

Największą część masy komórki stanowi cytozol - bezbarwna lepka masa - roztwór koloidalny tłuszczy i białek. Jest to środowisko istnienia składników wewnątrzkomórkowych. Zawiera jony nieorganiczne, wodę, związki organiczne, np. węglowodany. Oprócz węglowodanów istnieje tam również bardzo duża ilość białek. W cytozolu zachodzi mnóstwo rozmaitych reakcji chemicznych takich jak np. glikoliza. 

Podstawowa cytoplazma ma złożoną strukturę wewnętrzną. W komórkach eukariotycznych zawarte są swego rodzaju włókniste sieci białkowe - tzw. cytoszkielet i mikrotubule przypominające cienkie rureczki. Cytoszkielet odgrywa bardzo ważną rolę w uporządkowaniu wewnętrznego środowiska komórki (konfiguracja wewnętrzna), a także w podziałach komórkowych. 

Wróćmy do tematu cytoszkieletu. Wiemy doskonale, że w jego skład wchodzą mikrofilamenty i mikrotubulusy. Mikrofilamenty to cienkie włókna białkowe zbudowane z białka - aktyny. Są odpowiedzialne za ruch cytoplazmy, a co za tym idzie za przemieszczanie się organelli komórkowych. Jest to jeden z przykładów tego, w jaki sposób komórka spełnia jedną z funkcji życiowych, a mianowicie - ruch, gdyż ruch cytoplazmy powodowany działaniem aktyny jest jego doskonałym przykładem. Mikrotubulusy zaś powstają w wyniku polimeryzacji białka - tubuliny. Nadają one kształt komórce i wyznaczają szlak po którym przemieszczać się mają białka motoryczne. 

Źródło: quizlet.com

Retikulum endoplazmatyczne oznacza złożony system kanałów utworzonych poprzez izolację od cytoplazmy podstawowej błonami. Można rzec iż błona jądrowa "przechodzi" w pewnym momencie w retikulum endoplazmatyczne. Istnieją dwa rodzaje tej struktury. Gdy retikulum endoplazmatyczne pokryte jest rybosomami nazywamy je retikulum endoplazmatycznym "szorstkim". W przeciwnym wypadku nazywamy je "gładkim". 

Rybosomy to najmniejsze organellum komórkowe. Każdy utworzony jest przez z dwóch podjednostek. Funkcją tych organelli jest synteza białek. 

W dalszej części tego postu powracał będę do organelli już wcześniej omówionych, lecz nie będę przywoływał pełnych ich definicji, a bardziej zwracał uwagę na ich powiązanie z komórką i na to w jaki sposób spełniają swoje zadania. 

Aparat Golgiego składa się z wielu cystern poukładanych w swego rodzaju kolumny, lub rzec można - stosy. To tutaj lipidy i białka, które syntezowane są nota bene w retikulum endoplazmatycznym przechodzą dalsze modyfikacje. Owe substancje następnie za pomocą pęcherzyka są transportowane z Aparatu Golgiego do miejsca swego przeznaczenia (np. do błony komórkowej, albo do wakuoli). Aparat Golgiego jest także miejscem powstawania wielu polisacharydów zawartych w ścianie komórkowej (np. pektyny i hemicelulozy). 

Jądro komórkowe jest centrum kontroli komórki. Zostało ono po raz pierwszy opisane przez Roberta Brown'a. Zdecydowana większość informacji genetycznej niezbędnej do rozwoju i wzrostu całej rośliny jest przechowywana w DNA jądrowym (pozostała część znajduje się w plastydach i mitochondrium w postaci tzw. RNA mitochondrialnego).  Komórki zazwyczaj zawierają jedno jądro komórkowe, ale znane są komórki wielojądrowe. Dotyczy to niektórych roślin wyższych. Komórki wielojądrowe to tzw. komórczaki. Znane są również komórki pozbawione jąder komórkowych. Tego typu komórki znajdują się m.in. w naszych ciałach, bowiem czerwone krwinki - erytrocyty tracą jądra komórkowe w procesie specjalizacji. Dla określonego organizmu zaś wszystkie komórki mają jednakową liczbę chromosomów. Warto jednak pamiętać, że komórki budujące ciało powstają w wyniku mitozy, a co za tym idzie są komórkami diploidalnymi (o podwójnym zestawie chromosomów). Komórki płciowe zaś powstają w wyniku mejozy, gdzie mamy do czynienia z podziałem podwójnym, którego efektem są cztery komórki potomne o mniejszej ilości materiału genetycznego w stosunku do komórki macierzystej. Komórki płciowe są wobec tego komórkami haploidalnymi, co jest logiczne ze względu na pełnioną przez nie funkcję (dwie gamety haploidalne są w stanie utworzyć diploidalną komórkę, która stanie się embrionem - zapoczątkiem nowego organizmu). Jeżeli chodzi o rośliny to w ich komórkach znajduje się od 4 aż do 1200 chromosomów. 

Jądro wypełnia nukleoplazma w której znajduje się chromatyna (to właśnie te luźne nici DNA nawinięte na białka o których wcześniej wspominałem). Chromatyna w postaci skondensowanej przybiera postać chromosomu. Liczba i wielkość chromosomów w komórkach jest charakterystyczna dla danego gatunku. 

Kontynuując rozważania na temat jądra komórkowego warto dodać kilka słów na temat tzw. jąderka. Dawniej myślano, że jest to oddzielne organellum. Okazało się jednak, że jest to nic innego jak mocno upakowany materiał genetyczny, który wyróżnia się obszarze wypełnionym przez nici DNA ułożone w stanie międzypodziałowym w sposób "luźny". 

Mitochondria jako jedyne organella poza plastydami posiadają własny genom. Genom mitochondrialny jest nieduży i wykazuje duże podobieństwo do genomu bakteryjnego. Prawdopodobnie mitochondrium jest przykładem bakterii, która stworzyła mutualistyczny związek z eukariotyczną komórką, wcześniej do niej się przenikając. W podobny sposób w komórkach znalazły się chloroplasty. 

Budowa mitochondrium przedstawia się następująco:

Źródło: Wikipedia. Autor: Mariana Ruiz.

Pofałdowana błona wewnętrzna tworzy charakterystyczne grzebienie mitochondrialne. Dla przypomnienia - mitochondrium służy do przeprowadzania procesu oddychania komórkowego. Oddychanie komórkowe składa się co prawda z szeregu różnych procesów, jednakże w pewnym uogólnieniu jesteśmy w stanie powiedzieć iż polega ono na utlenieniu glukozy w celu uzyskania energii. Reakcję te w sposób możliwie najprostszy przedstawiamy następującym równaniem reakcji: 

Plastydy to organella, które ewidentnie kojarzą nam się z komórkami roślinnymi. Od cytoplazmy oddzielone są podobnie jak jądro komórkowe i mitochondrium - podwójną błoną.  Istnieje podział plastydów ze względu na to jaki barwnik zawierają. Barwnikiem najczęściej spotykanym jest chlorofil - zielony barwnik asymilacyjny, który pozwala na przeprowadzanie procesu fotosyntezy. W zależności od rodzaju rośliny chlorofil przyjmuje kilka różnych typów (A, B, C). Wszystkie organizmy zawierające chlorofil są w stanie odżywiać się sposobem autotroficznym. Możemy również podzielić plastydy ze względu na rodzaj magazynowanych związków i tak oto wyróżniamy amyloplasty, proteinoplasty, itd. 

W komórkach roślinnych plastydy są zazwyczaj obecne w postaci proplastydu, o łagodnej wewnętrznej strukturze. W niektórych komórkach w zależności od warunków oświetleniowych różnicują się dane typy plastydów. Gdy ilość światła jest wystarczająca w proplastydach tworzą się tylakoidy i formuje się chloroplast. Gdy oświetlenie jest skąpe proplastydy ulegają zamianie w etioplasty. 

Źródło: Matura - Biologia - Maj 2013 - Poziom rozszerzony (stary).

Powyższy schemat doskonale demonstruje to w jaki sposób (i w zależności od jakich warunków środowiskowych) plastydy są w stanie przechodzić jedne w drugie. 

Chloroplasty to zielone, fotosyntetyczne, aktywne plastydy obecne w zielonych częściach roślin. U roślin wyższych przyjmują zazwyczaj kształt soczewkowaty. W każdej komórce jest zazwyczaj kilkadziesiąt (średnio około czterdzieści) chloroplastów. Chloroplasty w komórce mogą poruszać się i ustawiać w pozycji najodpowiedniejszej do wychwytywania energii słonecznej. 

Można spotkać ogromne chloroplasty (np. jeden chloroplast przypadający na komórkę), jednakże tworzenie ich większej ilości jest korzystniejsze dla roślin, ze względu na znacznie szybszy proces fotosyntezy w przypadku występowania dużej ilości plastydów zdolnych do asymilacji. 

Błona chloroplastów wytwarza  system spłaszczonych torebek, tzw. tylakoidów. To w nich właśnie umieszczone są barwniki asymilacyjne (chlorofil), które umożliwiają przechwytywanie i konwersję energii słonecznej do energii wiązań chemicznych zgodnie z zasadą zachowania energii. 

Kolejny element chloroplastów to tzw. grana przypominające nałożone na siebie stosy monet. Wypełnia je zrąb w którym odbywa się wiele ważnych procesów (np. niektóre etapy fotosyntezy). 

Chlorofil nie jest jedynym barwnikiem, jaki może występować w roślinie. Spotykamy się także m.in. z następującymi zabarwieniami i barwnikami je powodującymi:

Zabarwienie żółte lub pomarańczowe - flawonoidy i karotenoidy - mogą być zlokalizowane w plastydach, ale również w soku komórkowym.  Marchew jest pomarańczowa, gdyż zawiera tego typu barwniki. 

Zabarwienie czerwone/niebieskie - antocyjany - są to barwniki, które występują w soku komórkowym, a ich barwa zależna jest od pH, gdzie w przypadku odczynu zasadowego przyjmują barwę niebieską, a w przypadku odczynu kwasowego, barwę czerwoną. Chroniczne zmiany barw często obserwujemy na płatkach kwiatów, gdyż stan gleby i procesy metaboliczne mają istotny wpływ na pH panujące w organizmie roślinnym. 

Leukoplasty to plastydy nie zawierające barwników i tylakoidów. Zawierać mogą skrobię, tłuszcze, białka. Skrobia to najpospoliciej występujący wśród roślin cukier, będący ich materiałem zapasowym. Jego odpowiednikiem w organizmie zwierzęcym jest glikogen - wielocukier magazynowany w wątrobie. 

W amyloplastach skrobia jest układana w specyficznego rodzaju warstwy. Ziarna skrobi przyjmują różnego rodzaju kształty i są zmiennej wielkości. Poniżej przedstawiono kilka przykładów:

Źródło: skrobia.pl.tl

Leukoplasty najczęściej występują w organach spichrzowych roślin (bulwy, korzenie, łodygi). 

Ściana komórkowa komórek roślinnych jest zbudowana przede wszystkim z polisacharydu - celulozy. Występuje tam ona w postaci mikrofibryli o grubości od 10 do 25 nm. Mikrofibryle tworzą ramy konstrukcyjne komórkowej ściany (cząsteczki glukozy są ze sobą wzajemnie połączone za pomocą wiązań wodorowych). Można rzec, że opisaną całość porównać można do roli prętów stalowych umieszczonych w betonie, które stanowią swego rodzaju stelaż. Mikrofibryle są bardzo wytrzymałe i mogą mieć wpływ na to w jaki sposób komórka rośnie. Każda komórka bowiem rozciąga się mniej lub bardziej prostopadle do orientacji mikrofibryli celulozowych. Oprócz celulozy w ścianie komórkowej roślin występuje także hemiceluloza i pektyny. Hemiceluloza to heterogenna grupa polisacharydów składających się z celulozy i innych związków organicznych. Pektyny zaś to silnie uwodnione polisacharydy, występujące m.in. w soku komórkowym zawartym w wakuolach. W większym stopniu gromadzą się one w owocach mięsistych (np. jabłkach). Pektyny mają istotny wpływ na ludzkie zdrowie, dzięki wiązaniu substancji toksycznych w przewodzie pokarmowych (a zwłaszcza metali ciężkich), korzystny wpływ na skład flory jelitowej, tym samym przyczyniając się do poprawy procesów trawiennych. Pektyny są wstanie regulować również poziom cholesterolu we krwi. 

W ścianie komórkowej występuje również związek zwany ligniną. Lignina to przykład organicznego związku, a konkretnie nierozpuszczalnego w wodzie polimeru, który jest w stanie spowodować drewnienie. Lignina w większej ilości występuje u roślin naczyniowych. 

Dla roślin jest charakterystyczne również występowanie kutyny i wosków - tłustych substancji, będących częścią zewnętrznych, ochronnych tkanek roślinnych. Przede wszystkim substancje te zapobiegają utratom wody. 

Ściana komórkowa komórek roślinnych może mieć nawet trzy warstwy (pierwotna, wtórna i środkowa). Środkowa warstwa łączy krawędzie dwóch sąsiednich komórek. Rozrost warstwy średniej powoduje uwolnienie pojedynczych komórek. Proces ten zachodzi podczas dojrzewania owoców mięsistych. Pod warstwą średnią znajduje się zaś warstwa pierwotna, która jest elastyczna i łatwa w uprawie, gdyż tworzą ją jednolicie ułożone mikrofibryle. Umożliwiają one wydłużanie się komórek w czasie wzrostu tych części roślin. Większość komórek roślinnych ma tylko ścianę pierwotną. Niektóre komórki (głównie tkanek przewodzących) są w stanie wytworzyć drugą, wtórną ścianę komórkową, dzięki której konstrukcja staje się znacznie solidniejsza. W ścianie wtórnej mikrofibryle celulozy tworzą woluminy, których układ jest regularny. Warto dodać iż protoplasty komórek po powstaniu ścian wtórnych często umierają. 

Mimo iż utworzona może zostać mniej lub bardziej ciągła ściana wtórna, to istnieją miejsca, gdzie ściana wtórna nie tworzy się. Między sąsiadującymi komórkami mogą wówczas utworzyć się swego rodzaju kanały, czyli struktury zwane plazmodesmami. 

Poniżej przedstawiono budowę ściany komórkowej:

Źródło: http://biologia-maturalnie.blogspot.com

Ostatnim organellum, jakie pragnę omówić, jest wakuola.  Wakuole to drobne, ograniczone przez półprzepuszczalną błonę organella. Owa błona nazywana jest tonoplastem. Tonoplast oddziela sok komórkowy wakuoli od cytoplazmy. W niektórych komórkach tworzona jest jedna wakuola centralna zajmująca nawet do 90% objętości komórki. Tego typy sytuacje dotyczącą z reguły komórek roślinnych, gdyż w komórkach zwierzęcych zazwyczaj istnieje dużo małych wakuoli, które nazywane są wodniczkami. Wakuola gromadzić może liczne związki organiczne i nieorganiczne. Rzec można iż wakuola jest organellum pełniącym funkcję spichrzową. Nie dziwi nas wobec tego fakt iż komórki tkanek spichrzowych charakteryzuje obecność dużych wakuol centralnych gromadzących dany rodzaj związku. Bardzo często znajdują się tam w dużych ilościach sacharydy, białka, aminokwasy. Wakuola może również przechowywać produkty uboczne metabolizmu, alkaloidy, barwniki, itd.  Bardzo istotną funkcją wakuoli jest utrzymywanie turgoru komórki i gospodarka wodna. Ogromne wakuole wypełnione wodą posiadają tzw. kserofity, np. kaktusy. 

Bardzo ciekawym faktem jest to iż przy wystarczająco wysokim stężeniu danej substancji w wakuoli mogą tworzyć się kryształy. Np. toksyczny kwas szczawiowy często reaguje z jonami wapnia i tworzy nieszkodliwy związek - szczawian wapnia, który magazynowany jest w wakuoli i przyjmuje postać krystaliczną. 

Źródła: 

- "Biologie rostlin pro gymnázia Fortuna" - Kincl Lubomir, Kincl Miroslav, Jarklova  Jana - autorskie tłumaczenie fragmentów.