1. Biologia - opowieść o fenomenie życia

Transkrypt

1 Organizm człowieka jako zintegrowana całość czynności życiowe cechy istot żywych 1. Biologia - opowieść o fenomenie życia Biologia jest fascynującą opowieścią o fenomenie i cechach życia. Choć do dziś nie udało się sformułować krótkiej i prostej definicji samego życia, to jednak jego cechy są stosunkowo dobrze zbadane. Zacząłeś je poznawać już w szkole podstawowej na lekcjach przyrody i kontynuowałeś na zajęciach biologii w gimnazjum. Z pewnością pamiętasz więc, że ważnymi czynnościami życiowymi są: odżywianie się (pobieranie pokarmu), oddychanie (wymiana gazowa), wydalanie (usuwanie zbędnych i szkodliwych produktów przemiany materii), rozmnażanie się, wzrost (przyrost masy) i rozwój, ruch oraz reagowanie na bodźce (pobudliwość); (ryc. 1). Dzięki tym czynnościom na pewno łatwo odróżnimy rzeźbę od żywego człowieka. Taki opis atrybutów życia jest jednak za ogólnikowy, choćby dlatego, że niektóre organizmy w zauważalny sposób się nie przemieszczają, inne zaś nie usuwają szkodliwych produktów przemiany materii, Chcąc lepiej określić istotę życia, na początek zwróćmy uwagę na fakt, że wszystkie istoty żywe zbudowane są z komórek. Ponadto główne struktury tych komórek są niemal takie same. Cały organizm może tworzyć pojedyncza komórka (jak np. u bakterii i pierwotniaków) albo nawet wiele miliardów komórek (jak np. u ssaków, w tym także u człowieka). We wszystkich organizmach zachodzą specyficzne procesy przemiany materii i energii, czyli metabolizm. Wszystkie komórki zbudowane są z tych samych podstawowych substancji organicznych, w tym z cukrowców, lipidów, białek (złożonych z aminokwasów) oraz kwasów nukleinowych (złożonych z nukleotydów). Nie zapominajmy też, że sposób kodowania, przekazywania i wykorzystywania informacji genetycznej jest u wszystkich istot żywych właściwie taki sam*. Ryc. 1. Biologów interesują wszystkie aspekty życia. 6 Czynności życiowe: - odżywianie się - oddychanie - wydalanie - rozmnażanie się - wzrost i rozwój - ruch - reagowanie na bodźce (pobudliwość) Cechy specyficzne istot żywych: - budowa komórkowa - własny metabolizm - posiadanie białek i kwasów nukleinowych - zdolność do samopowielania się i dziedziczenia cech - utrzymywanie homeostazy Aspekty życia wykraczające ponad poziom osobniczy: - oddziaływania międzyosobnicze i międzypopulacyjne - ewolucja *To jednak nie oznacza, że każdy organizm ma taką samą informację genetyczną!

2 1. Biologia - opowieść o fenomenie życia Zauważmy też, że podstawowy nośnik informacji genetycznej - DNA - pozwala na dziedziczenie cech, zapewniając ciągłość populacji i gatunków. Jednocześnie w długich odcinkach czasu zmiany informacji genetycznej są bezpośrednią przyczyną stopniowego zmieniania się populacji organizmów, czyli ewolucji. Przebieg poszczególnych czynności życiowych nie jest bezładny. Wręcz przeciwnie, odbywa się pod ścisłą kontrolą, co umożliwia zachowywanie względnie stałego środowiska wewnętrznego organizmu, czyli utrzymywanie homeostazy. Wielu naukowców uważa, że homeostaza jest także nieodłącznym atrybutem życia. Bardzo trudno zatem ująć życie w ramy prostych i zwięzłych określeń. Przy takich próbach dodatkową komplikację stanowią wirusy - formy bezkomórkowe, pozbawione własnego metabolizmu, stojące na pograniczu świata istot żywych i materii nieożywionej. Wyróżnia się trzy główne poziomy organizacji żywej materii. Badacze przyrody już dawno zauważyli, że materia ożywiona zorganizowana jest w sposób hierarchiczny. Można tu dostrzec charakterystyczne, narastające poziomy złożoności (ryc. 2). Pierwszy poziom - komórkowy - obejmuje struktury komórkowe (organelle), jak i komórki. Drugi poziom - organizmalny - tworzą skupienia komórek (tkanki), a także narządy (organy), ich układy i wreszcie całe organizmy wielokomórkowe*. Najwyższy i zarazem najmniej poznany poziom - ponadorganizmalny - tworzą zespoły organizmów: populacje i biocenozy. Wraz ze środowiskiem nieożywionym tworzą one ekosystemy i całą biosferę. Medycyna bardzo dokładnie bada zarówno pierwszy, jak i drugi poziom organizacji w odniesieniu do człowieka oraz jego zdrowia. Współcześnie zajmuje się także trzecim poziomem, ponieważ wiele trapiących nas chorób ma uwarunkowania środowiskowe lub społeczne. Biosfera Ekosystemy Biocenozy Populacje Organizm Układy narządów (u roślin systemy) Narządy (u roślin organy) Tkanki Komórki Struktury komórkowe Ekologia Biogeografia Systematyka Cytologia Biochemia Biologia molekularna Ryc. 2. Biologia zajmuje się trzema zasadniczy- ~ ~ i " ~ ~ ~, m ' poziomami organizacji układów żywych. *W wypadku jednokomorkowcow (np. bakterii, pierwotniaków) poziom komórkowy jest jednocześnie poziomem organizmalnym. 7 TJ o N o* 3 o 0) =3 Embriologia =j Fizjologia ~ Anatomia Histologia

3 Organizm człowieka jako zintegrowana całość podstawy logicznego myślenia Biologia i medycyna są naukami. Nauka to system dążący do uzyskania i uporządkowania wiedzy o wszechświecie, dzięki czemu wiedza ta staje się zrozumiała i dostępna dla wszystkich. Uprawianie nauki wymaga stosowania precyzyjnych metod badawczych, jako że poszukuje ona ścisłej i rzetelnej wiedzy na temat otaczającego nas świata. Tak więc tych wszystkich ludzi, których przedmiotem zainteresowań stała się biologia, medycyna czy jakakolwiek inna nauka, oprócz rzetelności i solidności, musi cechować logiczne myślenie. Nauka opiera się na dwóch rodzajach logicznego myślenia: dedukcji oraz indukcji. W rozumowaniu dedukcyjnym, którego istotą jest przechodzenie od ogółów do szczegółów, punkt wyjścia stanowi dostarczona informacja (tzw. przesłanka), na podstawie której wyciągane są wnioski. Jeśli na przykład przyjmiemy przesłankę, że wszystkie ryby mają płetwy, a dorsze są rybami, to możemy wydedukować, że dorsze również mają płetwy. Przeciwieństwem dedukcji jest rozumowanie indukcyjne, w którym zaczynamy od szczegółów, a przechodzimy do uogólnień. W tym wypadku punkt wyjścia stanowi wiele przesłanek, na podstawie których powstaje twierdzenie ogólne. Rezultatem rozumowania indukcyjnego było na przykład sformułowanie komórkowej teorii budowy organizmów, mówiącej o tym, że każdy żywy organizm jest komórką lub zespołem komórek połączonych ze sobą w integralną całość. Myślenie dedukcyjne oraz indukcyjne nie są możliwe bez danych naukowych. istota obserwacji i doświadczeń OBSERWACJE - EKSPERYMENTY sprawdzenie - WYNIKI 8 Dane naukowe czerpiemy z różnych źródet. Podstawowym źródłem wszelkich danych naukowych są obserwacje i doświadczenia (eksperymenty) naukowe. Aby były rzetelne, muszą być prowadzone skrupulatnie, w sposób kontrolowany i nietendencyjny. Powinna też istnieć możliwość ich powtarzania. Obserwacje, będące podstawą wszelkiego poznania, odbywają się bez ingerencji obserwatora w przebieg zjawiska czy procesu. Doświadczenia natomiast polegają na celowym wywoływaniu określonego zjawiska (w warunkach laboratoryjnych, sztucznie stworzonych przez eksperymentatora). Wyniki otrzymane dzięki zastosowaniu metod naukowych poddaje się następnie wnikliwej analizie i na podstawie wyciągniętych wniosków fornfułuje hipotezę naukową. Hipoteza to naukowe przypuszczenie", które jest próbą wyjaśnienia natury zaobserwowanych zjawisk lub zależności. Jeśli hipotezę potwierdzą liczne obserwacje i doświadczenia przeprowadzone niezależnie od siebie w ośrodkach naukowych na całym świecie, może ona stać się teorią naukową. Rzetelnie opracowana teoria powinna umożliwiać przewidywanie nowych faktów oraz nowych powiązań między zjawiskami, upraszczać i ułatwiać rozumienie zjawisk przyrody. Jeżeli teoria naukowa uzyska ponadto powszechną akceptację, to może zostać uznana za prawo naukowe. > HIPOTEZA potwierdzenie^ TEORIA powszechna ^ PRAWO NAUKOWA akceptacja NAUKOWE

4 1. Biologia - opowieść o fenomenie życia Badania przyrodnicze sięgają początków istnienia człowieka. Już naszych przodków interesowały różne organizmy, przede wszystkim jednak jako źródło pokarmu. Dlatego też podpatrywali oni zachowanie zwierząt, by móc na nie polować. Obserwowali wzrost i rozwój roślin w oczekiwaniu na ich owoce, jednocześnie unikali spożywania części trujących. Czy wiesz, że... Odkryte przez archeologów na ścianach jaskiń rysunki zwierząt, pochodzące sprzed kilkudziesięciu tysięcy lat, świadczą o tym, że od zarania dziejów człowiek był uważnym obserwatorem przyrody. Najsłynniejsze malowidła naskalne znajdują się w jaskini Lascaux we Francji (nazywanej Kaplicą Sykstyńską praczasów) i w Altamirze w Hiszpanii. W rozwoju biologii i medycyny jako umownych okresów. W starożytności i średniowieczu wciąż gromadzono informacje o roślinach i zwierzętach. Nadal zwracano uwagę na organizmy pożyteczne dla człowieka i niebezpieczne. Właśnie wtedy zaczęto je spisywać i podejmowano pierwsze próby ich klasyfikacji. W czasach starożytnych powstały podwaliny naukowego sposobu poznawania otaczającego świata. Na przełomie V i IV wieku p.n.e. żył Hipokrates. Ten wybitny lekarz i uczony z Kos w starożytnej Grecji - uważany jest za ojca europejskiej medycyny. Hipokrates określił między innymi, czym jest etyka zawodu lekarza. Do dzisiaj studenci kończący akademię medyczną składają przysięgę Hipokratesa. W IV wieku p.n.e. Arystoteles ze Stagiry (najbardziej wszechstronny myśliciel i uczony starożytności) opracował pierwszy system klasyfikacji roślin i zwierząt. Rozwinął w nim zasadę współzależności (korelacji) budowy i funkcji poszczególnych części ciała. W II wieku p.n.e. w Rzymie działał Galen (po Hipokratesie najwybitniejszy lekarz tamtych czasów). Stworzył podstawy anatomii i fizjologii człowieka oraz zwierząt. Na czasy renesansu aż do oświecenia (od XVI do połowy XVIII w.) przypada ogromny postęp w poznawaniu otaczającego świata: obserwacje uzupełniane były coraz częstszymi eksperymentami. Na nowe tory pchnął wówczas medycynę A. Vesalius - w XVI wieku przedstawił on pracę, w której już znacznie dokładniej niż Galen opisał budowę ciała człowieka. Około 1590 roku optyk z Holandii Z. Jansen skonstruował pierwszy mikroskop. W 1628 roku angielski lekarz W. Harvey przedstawił cały obieg krwi u człowieka i wyjaśnił pracę naszego serca. W 1680 roku A. Leeuwenhoek, holenderski handlarz suknem, pasjonujący się konstruowaniem Hipokrates 9

5 Organizm człowieka jako zintegrowana całość Czy wiesz, że... Podobno oglądanie i opisywanie mikroorganizmów było dla Leeuwenhoeka tak interesujące, że z tego powodu zaniedbywał swoje sprawy zawodowe. i ulepszaniem mikroskopów, zaobserwował w kropli wody pierwotniaki, krwinki czerwone, plemniki i nazwał je wymoczkami. W 1693 roku angielski botanik i zoolog J. Ray po raz pierwszy podał definicję gatunku. W XVII wieku założono pierwsze towarzystwa naukowe (np. w 1662 r. Królewskie Towarzystwo Naukowe w Londynie) i rozpoczęto wydawać czasopisma naukowe. Wieki XVIII i XIX charakteryzowały się szczególną mnogością wielkich syntez i teorii naukowych (popartych bardzo powszechnym już eksperymentowaniem). W biologii nową formą poznania naukowego stały się w tym czasie wielkie podróże. Powstały też pierwsze muzea gromadzące przywożone z podróży egzotyczne okazy roślin i zwierząt. Rozwijały się nowe dziedziny naukowe, między innymi systematyka, fizjologia i embriologia. W 1735 roku K. Linneusz - szwedzki przyrodnik i lekarz - ogłosił doniosłe dzieło Systema naturae (System naturalny), w którym przedstawił klasyfikację roślin i zwierząt, wprowadził nowoczesne nazewnictwo gatunków i jako pierwszy zaliczył człowieka do świata zwierząt (co współcześni Linneuszowi uznali za bluźnierstwo!). W 1779 roku J. Ingenhousz - holenderski lekarz i przyrodnik - udowodnił znaczenie światła i barwników zielonych w procesie asymilacji dwutlenku węgla, a także odkrył, że rośliny oddychają podobnie jak zwierzęta i człowiek. W latach L. Pasteur, francuski mikrobiolog i chemik, stworzył podstawy nowoczesnej mikrobiologii (nauki badającej różne aspekty życia drobnoustrojów) oraz immunologii (nauki o mechanizmach odpornościowych organizmów). Wyjaśnił między innymi proces fermentacji, dopracował metodę szczepień ochronnych przeciw wąglikowi, różycy świń i wściekliźnie u człowieka oraz udowodnił, że żywe organizmy nie powstają z martwej materii (obalił tzw. teorię samorództwa). Na przełomie 1858 i 1859 roku K. Darwin i A. Wallace, angielscy przyrodnicy i podróżnicy, niezależnie od siebie przedstawili teorię ewoluqi biologicznej dokonującej się przez dobór naturalny. Do dzisiaj teoria ta nazywa się darwinizmem. W 1866 roku czeski zakonnik G. Mendel opublikował podstawowe reguły dziedziczenia cech. Tych kilka wybranych przykładów jest najlepszym świadectwem przewrotu, który w XVIII i XIX w ieku d k nał się w naukach biologicznych i medycynie. Właśnie dziek: y^iągziędom tego okresu rozpoczął się dynamiczny rozwój nowych nauk * XX wieku. 10

6 1. Biologia - opowieść o fenomenie życia Charakterystyczną cechę wieku XX i współczesności stanowi szybki rozwój dziedzin zajmujących się poziomem komórkowym układów żywych: przede wszystkim biochemii (m. in. dzięki możliwości śledzenia procesów chemicznych zachodzących w organizmach przy wykorzystaniu metod izotopowych) oraz dziedzin ponadorganizmalnych - głównie ekologii (m.in. dzięki rozwiniętej analizie matematycznej). W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat wyjaśniono też na przykład molekularne podłoże dziedziczenia (m.in. prace J. Watsona i F. Cricka oraz M. W. Nirenberga). To jednak nie wszystko. Stworzono wręcz nowe dyscypliny, takie jak transplantologia - pierwszych przeszczepów dokonał amerykański chirurg T. Murray, inżynieria genetyczna - podwalinami były prace W. Arbera i H. Smitha, a także biotechnologia, mikrochirurgia i inne. Miarą postępu w badaniach przyrodniczych są zmiany, którym podlegało jedno z podstawowych narzędzi badawczych w biologii - mikroskop (ryc. 3). Przypomnijmy więc, że najlepsze mikroskopy optyczne, wykorzystujące krótkofalowe światło ultrafioletowe, osiągają zdolność rozdzielczą około 100 nm, dzięki czemu możliwe są powiększenia ponadtysiąckrotne. James Watson Imikroskop optyczny tubus z pryzmatem rewolwer obraz ostateczny soczewka okularu śruby: makroi mikrometryczna obiektywy stolik kondensor lusterko soczewka obiektywu preparat soczewka kondensora źródło światła Ryc. 3. Zdjęcie szkolnego mikroskopu optycznego, schemat ilustrujący zasadę jego działania i mikrofotografia powstała przy użyciu takiego mikroskopu (podświetlono nazwy części optycznych mikroskopu). 11

7 Organizm człowieka jako zintegrowana całość W wielu wypadkach jest to zbyt mało, dlatego dzisiaj istotniejszą rolę w poznaniu szczegółów budowy komórki odgrywa mikroskop elektronowy. Jego konstrukcja umożliwia obserwacje preparatów z rozdzielczością teoretycznie nawet 0,2 nm. Niezwykłe możliwości tej aparatury wynikają z zastosowania innego niż w mikroskopie optycznym źródła promieniowania - jest nim rozżarzone do temperatury ponad 3400 K (kelwinów) włókno wolframowe, które podłącza się do wysokiego napięcia rzędu 100 kv. Źródło wysyła strumień elektronów, który z ogromną prędkością przesuwa się w próżni wzdłuż kolumny mikroskopu. Funkcję układu skupiającego wiązkę elektronów spełniają elektromagnesy, które nazywane są soczewkami magnetycznymi. źródło elektronów soczewki _ kondensora preparat - soczewki obiektywu soczewki :ewki projekcyjne obraz / ostateczny błona fotograficzna Ryc. 4. Zdjęcie transmisyjnego mikroskopu elektronowego, schemat ilustrujący zasadę jego działania i mikrofotografia uzyskana przy użyciu takiego mikroskopu 12 atomy 0,2 nm W elektronowym mikroskopie transmisyjnym (TEM, ryc. 4) wiązka elektronów napotyka na swojej drodze przeszkodę w postaci cieniutkiego skrawka preparatu (ok. 50 nm grubości). Pochłonięcie, załamanie, ugięcie i odbicie fali elektronów w różnych częściach preparatu tworzy obraz utrwalany na błonie fotograficznej lub oglądany na ekranie monitora. Bardzo mała grubość preparatów powoduje, że powstający w ten sposób obraz jest właściwie dwuwymiarowy. Ograniczenie to w pewnym zakresie można ominąć, stosując skaningowy mikroskop elektronowy (SEM, ryc. 5). W urządzeniu tym wiązka elektronów nie przechodzi przez preparat (próbkę), lecz wybija wtórne elektrony z jego powierzchni, ponieważ jest ona pokryta cieniuteńka warstwa złota. cząsteczki 2 nm 20 nm mikroskop elektronowy organelle nm mikroskop świetlny 20^m komórki 0,2 mm (200 jiz m) oko ludzkie

8 1. Biologia-opowieść ofe-:~r -: źródło elektronć soczewki soczewka korygująca soczewki obiektywu obraz na ekranie lub monitorze wykrywacz elektronów Ryc. 5. Zdjęcie transmisyjnego mikroskopu elektronowego z przystawką skaningową, schemat ilustrujący zasadę działania i mikrofotografia uzyskana przy użyciu mikroskopu skaningowego Mimo wszystko i dziś uznaje się przydatność mikroskopu optycznego, choćby dlatego, że pozwala on na prowadzenie obserwacji przyżyciowych, czyli żywych komórek (w mikroskopach elektronowych jest to niemożliwe). Minęły już czasy uczonych o bardzo rozległej, renesansowej wiedzy, często osamotnionych w swoich poczynaniach. Większe osiągnięcia mają specjaliści pracujący w zespołach i doskonalący się w ściśle określonej dziedzinie. Sukces naukowy częstokroć zależy od dużego zespołu ludzi, doskonałego wyposażenia technicznego i umiejętności wykorzystania osiągnięć fizyki, chemii, matematyki, a ostatnio także informatyki (ryc. 6). Komputery o coraz większej mocy obliczeniowej i odpowiednie oprogramowanie umożliwiają dzisiaj nie tylko bezinwazyjne badanie wnętrza organizmów, ale też przeprowadzanie skomplikowanych symulacji procesów przyrodniczych, a nawet zasięganie prostych porad medycznych przez Internet. Mamy nadzieję, że i ty zostaniesz ambitnym następcą wspaniałych badaczy z przeszłości, nawet jeśli obiektem twoich zainteresowań niekoniecznie będzie biologia czy medycyna. Ry C g Komputery rewolucjonizują biologię i medycynę. 13

9 Organizm człowieka jako zintegrowana całość 2. Komórka jako podstawowa jednostka budulcowa organizmu człowieka 2.1. Komórki budujące ciało człowieka organelle W naszym ciele wyróżnić można kilkadziesiąt rodzajów komórek od- miennych pod względem wielkości, kształtu oraz funkcji. Tym niemniej wszystkie ludzkie komórki mają struktury (organelle), takie jak: błona komórkowa, siateczka śródplazmatyczna, aparaty Golgiego, lizosomy, cytoplazma, mitochondria, rybosomy oraz jądro komórkowe*. Wszystkie te wewnątrzkomórkowe struktury wykazują przejrzystą zależność między budową i funkcją (ryc. 7). komórkowe Części składowe naszych komórek tworzą harmonijnie współdziałającą całość. mitochondrium jądro komórkowe siateczka śródplazmatyczna cytoplazma lizosom aparat Golgiego błona komórkowa Ryc. 7. Model budowy komórki człowieka zdradza" naszą przynależność do eukariontów. 16 błona Mająca zaledwie 7-10 nm grubości błona komórkowa oddziela ko- morkę od środowiska pozakomórkowego. Składnikami błony komórkowej są zawsze białka oraz lipidy. Spośród tych ostatnich najwięcej jest fosfolipidów - zawierających reszty fosforanowe. Budowę błony komórkowej wyjaśnia model płynnej mozaiki (ryc. 8). Podstawę (zrąb) błony komórkowa * W organizmie człowieka jedynym wyjątkiem są bezjądrzaste, pozbawione większości organelli erytrocyty.

10 2. Komórka jako podstawowa jednostka budulcowa organizmu człowieka tworzy podwójna warstwa odpowiednio ułożonych fosfolipidów. W zrębie zanurzone są liczne białka, na przykład wzmacniające błonę, receptorowe czy też transportowe. głowa" fosfolipidu łańcuchy węglowodorowe \ podwójna r warstwa ' lipidowa białka Ryc. 8. Błona komórkowa: A - schemat budowy pojedynczej cząsteczki fosfolipidu oraz B - model przestrzenny budowy błony komórkowej Zasadniczą cechą błony komórkowej jest wybiórcza (selektywna) przepuszczalność. Na przykład woda i drobnocząsteczkowe substancje rozpuszczalne w tłuszczach przenikają (ściślej - dyfundują) przez błonę swobodnie (ryc. 9 A). Natomiast nawet niewielkie cząsteczki rozpuszczalne w wodzie przenikają przez błonę słabo, a substancje wielkocząsteczkowe, takie jak: białka czy kwasy nukleinowe - wcale. Ponadto odpowiednie białka transportowe mogą wspomagać dyfuzję (ryc. 9 B), a nawet aktywnie przemieszczać cząsteczki substancji wbrew gradientowi stężeń (ryc. 9 C). Dzięki temu nawet pojedyncza komórka może (w dość wąskich granicach) utrzymywać homeostazę. przepuszczalność błony komórkowej Przenikanie substancji: " dyfuzja ~ dyfuzja wspomagana transport aktywny Ryc. 9. Możliwe sposoby przemieszczania się substancji przez błonę komórkową: A - dyfuzja prosta, B - dyfuzja wspomagana, C - transport aktywny z wykorzystaniem energii z rozkładu ATP Półpłynna konsystencja i elastyczność umożliwiają odkształcanie błony komórkowej. Dzięki temu liczne komórki mogą zmieniać swój kształt, na przykład obdarzone zdolnością ruchu pełzakowatego komór- 17

11 Organizm człowieka jako zintegrowana całość ki odpornościowe. Błona komórkowa nigdy nie powstaje w komórkach od nowa, a jedynie przez rozbudowę błon już istniejących. Budowę podobną do błony komórkowej, białkowo-lipidową, mają wszystkie wewnątrzkomórkowe błony plazmatyczne (por. niżej). Isiateczka śródplazmatyczna Wewnątrzkomórkowy system błon plazmatycznych umożliwia podział wnętrza komórki na wiele przedziałów. System błon plazmatycznych tworzą między innymi siateczka śródplazmatyczna (retikulum endoplazmatyczne), aparaty Golgiego oraz lizosomy (ryc. 10 i 11). Błony siateczki śródplazmatycznej tworzą złożony trójwymiarowy system kanalików i pęcherzyków. Jeśli błony pokryte są rybosomami, jest to siateczka szorstka. Jest ona miejscem syntezy białek. Pozbawione rybosomów błony siateczki śródplazmatycznej gładkiej są między in- siateczka gładka nymi miejscem syntezy lipidów. siateczka szorstka aparaty Golgiego Ryc. 10. Mikrofotografia i model przestrzenny siateczki śródplazmatycznej Aparaty Golgiego składają się z niewielkich, mocno spłaszczonych pęcherzyków. Zadaniem tych organelli jest przede wszystkim przebudowa (modyfikacja), pakowanie i przekazywanie zagęszczonych substancji (głównie białek) poza komórkę oraz w obrębie komórki. lizosom Aparaty Golgiego są liczne na przykład w komórkach wydzielniczych trzustki. I lizosomy S cytoplazma 18 struktura Golgiego Lizosomy są niewielkimi, kulistymi pęcherzykami. Zawierają one liczne białka enzymatyczne, zdolne rozłożyć wchłonięte substancje, a także produkty odpadowe. Liczne lizosomy mają na przykład niektóre komórki żerne układu odpornościowego. Cytoplazma tworzy środowisko wewnętrzne komórki. Ryc. 11. Mikrofotografia i model przestrzenny aparatu Golgiego Cytoplazmę (ściślej cytozol) tworzy płynny, złożony koloid wodny. W wodzie są zawieszone bądź rozpuszczone między innymi białka, lipidy,

12 2. Komórka jako podstawowa jednostka budulcowa organizmu człowieka kwasy tłuszczowe, wolne aminokwasy oraz sole mineralne (m.in. wapnia, magnezu, sodu). Ważnym składnikiem cytoplazmy jest skomplikowana, przestrzenna sieć białkowych włókienek i mikrorureczek, tworząca tak zwany cytoszkielet. Jest on odpowiedzialny między innymi za możliwość zmiany kształtu niektórych komórek i ich zdolność do poruszania się. Elementy cytoszkieletu można zobaczyć jedynie pod mikroskopem elektronowym. Pod mikroskopem optycznym cała cytoplazma sprawia wrażenie substancji bezpostaciowej. Cytoplazma tworzy środowisko dla bardzo licznych reakcji biochemicznych, na przykład zachodzących podczas biosyntezy białek czy beztlenowych etapów oddychania wewnątrzkomórkowego (por. niżej). Funkcję mitochondrium najlepiej określa słowo siłownia". Mitochondria są owalnymi lub cylindrycznymi organellami mierzącymi kilka mikrometrów długości (ryc. 12 oraz 4 i 5). Liczba mitochondriów może wynosić nawet kilkaset, na przykład we włóknach mięśniowych poprzecznie prążkowanych i komórkach kanalików nerkowych (ze względu na duże zużycie energii). Każde mitochondrium otoczone jest dwiema błonami białkowo-lipidowymi. Błona zewnętrzna mitochondrium jest gładka i pozbawiona wypukłości. Błona wewnętrzna tworzy poprzeczne wpuklenia, tak zwane grzebienie mitochondrialne. W środku mitochondrium znajduje się koloidalna matrbc (macierz) mitochondrialna. W jej skład wchodzą między innymi enzymy przyspieszające reakcje utleniania substancji organicznych. W matrbc zawieszone są także niewielkie cząsteczki mitochondrialnego DNA oraz rybosomy. Dzięki, t. grzebienie temu mitochondria syntetyzują niektóre swoje białka. rola cytoszkieletu budowa mitochondrium macierz Ryc. 12. Mikrofotografia elektronowa i model budowy przestrzennej mitochondrium błona mitochondrialna zewnętrzna Etapy oddychania wewnątrzkomórkowego zachodzące w mitochondriach wymagają udziału tlenu. Mitochondria dostarczają komórce energii użytecznej biologicznie - takiej, którą organizm może dowolnie dysponować w zależności od potrzeb. Jest to forma energii wysoce użyteczna, czyli łatwa do obróbki i użycia" - najlepsza jest tu energia chemiczna, zmagazynowana w wysokoenergetycznych wiązaniach ATP (adenozynotrifosforanu). ATP nazy- energia użyteczna biologicznie 1 ATP 19

13 Organizm człowieka jako zintegrowana całość wamy uniwersalnym akumulatorem i przenośnikiem energii. Głównym źródłem ATP jest proces oddychania wewnątrzkomórkowego, polegający na utlenianiu związków organicznych w następującej kolejności: węglowodany, tłuszcze i białka (aminokwasy). Najwydajniejsze - tlenowe etapy tego procesu zachodzą właśnie w mitochondriach (por. niżej). Etapy utleniania cukrów: -glikoliza cykl Krebsa utlenianie końcowe W porównaniu ze spalaniem utlenianie wewnątrzkomórkowe pozwala uwalniać energię stopniowo, małymi porcjami w części magazynowanymi w ATP. Proces oddychania wewnątrzkomórkowego jest bardzo złożony i składa się z wielu reakcji katalizowanych (przyspieszanych) przez odpowiednie enzymy. W wypadku pozyskiwania energii użytecznej biologicznie z cukru (glukozy) reakcje te można pogrupować w trzy charakterystyczne etapy: glikolizę, cykl Krebsa oraz utlenianie końcowe (ryc. 13). Glikoliza zachodzi w cytoplazmie i polega na stopniowym rozłożeniu cząsteczek glukozy do związku o nazwie kwas pirogronowy. Część reakcji glikolizy przebiega z wydzieleniem energii pozwalającej na wytworzenie niewielkiej liczby cząsteczek ATP. Zachodzi także przeniesienie kilku atomów wodoru na specjalny związek - przenośnik wodoru. W reakcjach glikolizy nie jest zużywany tlen. C Y T O P L A Z M A O glukoza kwas pirogronowy 1 kwas mlekowy o ADP+ przenośniki wodoru zredukowane przenośniki wodoru kwas tłuszczowy kwas pirogronowy! \ acetylo-coa T \ ATP + JCYKLI [KREBSA] ADP+(Pi) w CO? \ przenośniki wodoru redukowane przenośniki wodoru MITOCHONDRIUM Końcowy bilans utlenienia jednej cząsteczki glukozy w warunkach tlenowych: C6H pac)p>36pi 6C02 + 6H ATP* w warunkach beztlenowych: 6H ADP+2Pi przenośniki wodoru zredukowane przenośniki wodoru UTLENIANIE 2C3H ATP kwas mlekowy KOŃCOWE Ryc. 13. Schemat ilustrujący przebieg utlenienia wewnątrzkomórkowego glukozy i kwasu tłuszczowego (w przemiany te można włączyć także aminokwasy) w modelowej komórce człowieka Z najnowszych badań wynika, że wydajność oddychania tlenowego jest nieco mniejsza i wynosi 30 do 32 cząsteczek ATP z każdej cząsteczki glukozy. Nie zapominajmy też, że znaczha część energii uwalnianej w oddychaniu komórkowym to energia cieplna.

14 2. Komórka jako podstawowa jednostka budulcowa organizmu człowieka Końcowy produkt glikolizy - kwas pirogronowy - wędruje z cytoplazmy do macierzy mitochondrium. Tam współtworzy związek o nazwie acetylo-koenzym A (acetylo-coa), który następnie jest stopniowo utleniany. Przemiany te, zwane od nazwiska odkrywcy cyklem Krebsa, przebiegają z uwolnieniem dwutlenku węgla oraz syntezą pojedynczych cząsteczek ATP. Ważniejsze jest jednak to, że podczas części reakcji cyklu Krebsa pewna liczba atomów wodoru przechwytywana jest przez cząsteczki przenośników wodoru. W błonę tworzącą grzebienie mitochondrialne wbudowane są specjalne białka odpowiedzialne za przechwytywanie atomów wodoru ze wspomnianych zredukowanych przenośników (także tych z glikolizy). W grzebieniach zachodzi utlenienie końcowe z udziałem tlenu cząsteczkowego. Końcowym produktem tego etapu jest woda. W przemianach tych znaczna energia wodoru umożliwia syntezę dużej liczby cząsteczek ATP. Źródłem energii użytecznej biologicznie mogą być też kwasy tłuszczowe (podstawowe składniki tłuszczów). Ich utlenianie rozpoczyna się w macierzy mitochondrialnej. Przemiany te, o nazwie (3-oksydacja (beta-oksydacja), prowadzą do stopniowego powstawania licznych cząsteczek acetylo- -koenzymu A oraz zaopatrzonych w wodór przenośników. Jak łatwo zauważyć, te pierwsze są substratami cyklu Krebsa, drugie - źródłem wodoru do utleniania końcowego. W porównaniu z utlenieniem mola glukozy rozkład mola kwasu tłuszczowego uwalnia kilkakrotnie więcej energii. W pewnych sytuacjach (np. w stanie długotrwałego głodzenia), niektóre komórki naszego organizmu mogą rozkładać aminokwasy i wykorzystywać je jako źródło energii użytecznej biologicznie. utlenianie kwasów tłuszczowych Na rybosomach syntetyzowane są białka. Ze względu na niewielkie rozmiary (kilkadziesiąt nm) rybosomy można obserwować jedynie pod mikroskopem elektronowym (ryc. 14). Z wyglądu pojedynczy rybosom przypomina nieco spłaszczony grzybek, który nie jest oddzielony od cytoplazmy żadną błoną. Kompletny rybo- i budowa rybosomów som składa się z dwóch podjednostek: większej i mniejszej. W jednej komórce podjednostka większa może znajdować się nawet kilkadziesiąt tysięcy rybosomów. Pod względem chemicznym rybosomy zbudowane są z białek oraz kilku rodzajów specyficznego rybosomalnego kwasu rybonukleinowego (rrna). Mimo swoich niewielkich rozmiarów każ dy rybosom jest swoistą nanofabryczką, podjednostka mniejsza w której zachodzi właściwa biosynteza rybosomu białek, czyli translacja (synteza łańcuchów polipeptydowych białek z aminoplazmatycznego wykonany przez ucznia I klasy na pod- Ryc. 14. Schemat i model przestrzenny rybosomu cytokwasów)stawie materiałów źródłowych 21

15 Organizm człowieka jako zintegrowana całość Icechy komórki eukariotycznej Ibudowa jądra komórkowego Jądro pozwala na oddzielenie od cytoplazmy głównego zasobu informacji genetycznej komórki. Posiadanie wyodrębnionego jądra komórkowego oraz wewnątrzkomórkowych organelli błoniastych (por. s. 18) jest jedną ze specyficznych cech komórek eukariotycznych, a więc także komórek człowieka*. W przeciętnej komórce człowieka jest jedno kuliste jądro położone centralnie. Rzadziej bywa, że jąder jest więcej, na przykład we włóknach mięśniowych poprzecznie prążkowanych jest nawet po kilkaset jąder komórkowych o owalnym kształcie. Z kolei w niektórych białych krwinkach jądro komórkowe jest płatowate lub nerkowate. Badanie ultrastruktury jądra komórkowego wykazało, że składa się ono z otoczki, kariolimfy (soku jądrowego), chromatyny oraz jąderka (ryc. 15). Otoczka jądrowa składa się z dwóch błon plazmatycznych i oddziela swoisty ośrodek decyzyjny komórki" od cytoplazmy, gdzie odbywa się wykonywanie poleceń". Błona wewnętrzna otoczki jądrowej jest gładka, natomiast na powierzchni błony zewnętrznej znajdują się rybosomy i błona ta przechodzi w błony siateczki śródplazmatycznej szorstkiej. Otoczka jądrowa poprzebijana" jest na wylot niewielkimi, okrągłymi otworkami, czyli porami jądrowymi. Ich liczba jest zmienna i zależy od aktywności komórki. Wechromatyna dłu aktualnych badań pory mają bardzo małą średnicę, kariolimfa ale umożliwiają sprawną wymianę różnych substancji z cytoplazmą. pory jądrowe Ryc. 15. Mikrofotografia i model przestrzenny jądra komórki aktywnej metabolicznie. Na wspomnianą aktywność wskazuje pokaźne jąderko oraz liczne pory jądrowe. kariolimfa Wnętrze jądra komórkowego wypełnia kariolimfa. Tworzy ona płynne środowisko, w którym zanurzona jest chromatyna. Spośród białek występujących w soku jądrowym do najważniejszych należą enzymy odpowiedzialne za syntezę DNA oraz RNA. chromatyna Badania przy użyciu mikroskopu elektronowego wykazały, że chromatyna stanowi niezwykle skomplikowaną plątaninę" bardzo cienkich i długich włókienek (fibryli; ryc. 16). Ich głównym składnikiem jest DNA nawinięty" na specjalne białka - his tony. Kwas deoksyrybonukle- 22 : Błoniastymi, eukariotycznymi organellami są także plastydy występujące w komórkach glonów i roślin. Najważniejsze z nich są chloroplasty, ponieważ w nich zachodzi fotosynteza.

16 2. Komórka jako podstawowa jednostka budulcowa organizmu człowieka inowy jest podstawowym nośnikiem informacji genetycznej, ponieważ zawiera geny - odcinki będące swoistymi instrukcjami budowy wszystkich białek komórkowych. podwójna spirala DNi nić chromatyny Ryc. 16. Na schemacie fibryla chromatynowa wygląda jak sznur korali nawleczonych na cienką tasiemkę" DNA. DNA nawinięty na histony histony W jądrze komórkowym występują także różne rodzaje RNA. Synteza RNA - transkrypcja - polega na łączeniu kolejnych rybonukleotydów z wykorzystaniem DNA jako matrycy. Inaczej mówiąc, transkrypcja jest to przepisanie informacji genetycznej z DNA na RNA. Część powstającego RNA (w postaci informacyjnego RNA - mrna) wykorzystana zostaje jako swoista instrukcja do translacji zachodzącej w rybosomach. Jąderko jest najwyraźniejszą strukturą w niedzielącym się jądrze, którą można łatwo wykryć za pomocą mikroskopu optycznego. Badania wykazały, że nie jest ono oddzielone od pozostałych składników jądra komórkowego żadną błoną. W jąderku ma miejsce synteza rybosomalnego RNA (rrna) oraz tworzą się podjednostki rybosomowe. istota transkrypcji jąderko Skondensowaną, podziałową postacią chromatyny są chromosomy. W przygotowujących się do podziału komórkach fibryle chromatyny (ściślej: DNA) ulegają podwojeniu i chromosomy - swoiste paczki materiału genetycznego - stają się widoczne* (ryc. 17). W każdej komórce somatycznej człowieka znajduje się 46 (23 pary). Liczba ta jest stała i charakterystyczna dla naszego gatunku. Jedynie w gametach liczba jest zredukowana o połowę (do 23). Te 23 chromosomy stanowią pojedynczy (podstawowy) komplet, określany jako haploidalny (liczba n). Z kolei 46 w pozostałych komórkach ciała stanowi podwójny komplet, określany jako diploidalny (2n). Chromosom składa się z ramion rozdzielonych przewężeniem pierwotnym - centromerem. Zwylde^wIHoczny jest podział podłużny chromosomu na dwie połówki - chromatydy. Każda chromatyda zawiera pojedynczą, barazcf długą cząsteczkę DNA. haploidalność i diploidalność chromatyda ramię ramię Ryc. 17. Model organizacji wewnętrznej i budowy zewnętrznej chromosomu metafazowego (por. dalej opisy podziałów komórkowych) c W niedzielącej się komórce chromosomy są zdespiralizowane i niewidoczne (każdy z 46 zawiera wówczas jedną cząsteczkę DNA). 23

17 Organizm człowieka jako zintegrowana całość Typy podziałów komórkowych: - mitoza mejoza amitoza 1 interfaza Na skutek mitozy powstają dwie komórki potomne. Komórki powstają jedynie wskutek podziału komórki macierzystej. Podział komórki zwykle oznacza podział jądra komórkowego (kariokinezę) oraz podział cytoplazmy (cytokinezę). Poszczególne typy podziałów komórkowych różnią się przede wszystkim sposobami dzielenia jądra komórkowego i mają odmienne skutki biologiczne. Na tej podstawie wyróżniono: mitozę, mejozę oraz amitozę*. Zacznijmy analizę od mitozy. Moment powstania nowej komórki somatycznej jest początkiem tak zwanego cyklu komórkowego (ryc. 18). Składa się nań: interfaza oraz mitoza. Cykl komórkowy trwa aż do zakończenia podziału komórki. (Interfaza jest najdłuższą fazą cyklu komórkowego zajmującą 70-90% czasu całego cyklu. Może być przygotowaniem do następnego podziału bądź oznaczać specjalizację z zaprzestaniem aktywności podziałowej. W pierwszym wypadku w interfazie zachodzi między innymi replikacja DNA oraz intensywna synteza białek związanych z podziałem (w tym wrzeciona podziałowego). Zwykle wówczas dzielą się także mitochondria. - formowanie się - despiralizacja - podział cytoplazmy włókienka wrzeciona podziałowego - układanie - wędrówka grup potomnych Ryc. 18. Schemat przebiegu cyklu komórkowego (obok modeli przestrzennych przedstawiono rysunki dwuwymiarowe). Dla większej przejrzystości przyjęto, że w komórce macierzystej było 2n = 6. Mitoza: profaza metafaza - anafaza telofaza W czasie mitozy wyróżnić można cztery charakterystyczne fazy: profazę, metafazę, anafazę oraz telofazę (ryc. 18). Pojawiające się chromo- *Amitoza jest bezpośrednim podziałem jądra komórkowego przebiegającym bez wyodrębniania się. Ten typ podziału zachodzi u człowieka bardzo rzadko - w komórkach starzejących się lub ulegających programowanemu samozniszczeniu (apoptozie). Amitoza nie będzie przez nas omawiana. 24

18 2. Komórka jako podstawowa jednostka budulcowa organizmu człowieka somy sygnalizują początek profazy. Każdy z składa się wówczas z dwóch ściśle połączonych chromatyd. W czasie profazy jąderko zaczyna się rozpraszać, aż wreszcie zanika. Jednocześnie pęka otoczka jądrowa, co stanowi sygnał końca profazy. Metafaza polega na uporządkowaniu położenia. Przyłączające się do centromerów białkowe włókienka wrzeciona podziałowego przesuwają chromosomy w strefę środkową komórki. Pod koniec metafazy rozpoczyna się skracanie włókienek wrzeciona podziałowego. Wskutek tego pojawiają się siły ciągnące chromatydy w przeciwne strony. Doprowadza to do pęknięcia centromerów i rozpadu każdego chromosomu na dwie chromatydy, odtąd zwane chromosomami potomnymi. Anafaza zaczyna się w momencie pęknięcia ostatniego centromeru i jest to faza wędrówki potomnych do przeciwległych biegunów komórki. Jak już wspomniano, spowodowane jest to głównie kurczeniem się włókienek wrzeciona podziałowego. Rozchodzące się do przeciwległych biegunów komplety pojedynczych popychają" przed sobą organelle komórkowe. Zostają one rozdzielone na dwa prawie równe zespoły. Gdy wędrujące grupy potomnych osiągają największe oddalenie, rozpoczyna się telofaza. W tym czasie dookoła dwóch grup potomnych tworzone są otoczki jądrowe, natomiast chromosomy ulegają despiralizacji do chromatyny. Nieco później pojawiają się jąderka. Powstają więc dwa jądra potomne o takiej samej liczbie (i liczbie cząsteczek DNA) jak jądro macierzyste. W czasie ostatniej fazy mitozy (czasem już w anafazie) dochodzi do cytokinezy, powstają więc dwie odrębne komórki. Oznacza to, że jeśli komórka macierzysta miała 2n = 46, to obie komórki potomne także będą miały po 2n = 46 każda. Inaczej mówiąc, każda komórka potomna otrzyma dokładnie taką samą liczbę (informację genetyczną), jaką miała komórka macierzysta. Mitoza zachodzi w komórkach somatycznych, czyli w komórkach ciała i dzięki niej możliwy jest wzrost i regeneracja naszego organizmu przez zwielokrotnienie liczby komórek. profaza nnetafaza PI npifq7c1 telofaza Czy wiesz, że... W warunkach szkolnych znacznie łatwiejsze jest obserwowanie podziałów zachodzących w komórkach roślinnych. Na mikrofotografii wykonanej przy użyciu mikroskopu optycznego widać fragment preparatu mikroskopowego z dzielącymi się mitotycznie komórkami stożka wzrostu korzenia cebuli. 25

19 Organizm człowieka jako zintegrowana całość gamety rs Ryc. 19. W wypadku mejozy nie można mówić o cyklu. Mejoza: I podział profaza I metafaza I anafaza I telofaza I podział profaza II metafaza II anafaza II telofaza II Mejoza prowadzi do powstania czterech komórek. Mejoza zmienia liczbę w jądrach komórek potomnych w ten sposób, że redukuje ją o połowę (z 2n do n). Dlatego nazywa się ją podziałem redukcyjnym (R!). Oznacza to, że jeśli komórka macierzysta miała 2n = 46, to każda potomna będzie miała n = 23 chromosomy. Mejoza zachodzi w gonadach męskich i żeńskich - powstają wówczas gamety*. Ten typ podziału komórkowego umożliwia utrzymanie stałej, charakterystycznej dla naszego gatunku, liczby w kolejnych pokoleniach. Mejozę poprzedza interfaza dość podobna do mitotycznej (ryc. 19). Mejoza jest bardzo skomplikowana i składa się z pierwszego podziału mejotycznego (profaza I, metafaza I, anafaza I, telofaza I) oraz drugiego podziału mejotycznego (profaza II, metafaza II, anafaza II, telofaza II). Podczas pierwszego podziału^ryc. 20) - w profazie I - pojawiające się chromosomy dobierają się parami, tworząc(biwalenty ^biwalent mogą utworzyć jedynie dwa podobne chromosomy zwane homologicznymi). Połączenie to umożliwia mieszanie materiału genetycznego, polegające na tym, że w niektórych biwalentach chromatydy wymieniają między sobą odcinki. W metafazie I podziału włókienka wrzeciona podziałowego przyłączają się do centromerów i układają całe biwalenty w płaszczyźnie środkowej komórki. Stopniowy skurcz włókienek wrzeciona podziałowego prowadzi do rozerwania biwalentów. Podczas anafazy I podziału skracające się włókienka wrzeciona kariokinetycznego odciągają chromosomy homologiczne do przeciwległych biegunów komórki. Tak więc z każdego biwalentu jeden chromosom wędruje" do jednego bieguna, a drugi do drugiego. W momencie, kiedy grupy (u człowieka każda po 23 chromosomy) osiągną maksymalne oddalenie, anafaza I się kończy. W telofazie I podziału wokół grup odtwarzana jest otoczka jądrowa. Chromosomy częściowo ulegają despiralizacji, zwykle następuje też cytokineza. W wyniku pierwszego podziału mejotycznego powstają dwie jednojądrowe komórki. Każda z nich ma podwójne chromosomy, po jednym z każdej pary homologicznych. Drugi podział mejotyczny przypomina (tylko przypomina!) zwykłą mitozę. Ponieważ nie poprzedza go replikacja DNA, podział ten w każdym z jąder prowadzi do rozdziału na chromatydy (chromosomy potomne), czyli do zmniejszenia liczby cząsteczek DNA o połowę. Ostatecznym skutkiem drugiego podziału mejotycznego jest więc zwiększenie liczby komórek potomnych do czterech haploidalnych. Komórki mają pojedyncze chromosomy niewymieszane (tzw. rodzicielskie) oraz wymieszane. Jaki chromosom z danej pary do jakiego jądra trafi, to spra- 26 *U licznych organizmów, w tym glonów i roślin, mejoza nie prowadzi do powstania gamet.

20 2. Komórka jako podstawowa jednostka budulcowa organizmu człowieka wa przypadku. W sumie więc w komórkach rozrodczych powstaje losowy zestaw różnych, co jest jednym ze źródeł zmienności w świecie istot żywych. formowanie się chromosomy homologiczne tworzą biwalenty Ryc. 20. Schemat przebiegu pierwszego podziału mejotycznego (z lewej) i drugiego (z prawej). Dla większej przejrzystości przyjęto, że w komórce macierzystej było 2n = 6 i zgrupowano je w 3 pary. PROFAZA I wymiana odcinków między chromatydami homologicznych PROFAZA II formowanie się METAFAZA I METAFAZA II układanie biwalentów układanie ANAFAZA I ANAFAZA II wędrówka grup wędrówka grup potomnych częściowa despiralizacja podział cytoplazmy despiralizacja podział cytoplazmy Podsumowanie 1. Organizm człowieka składa się z miliardów komórek różniących się kształtem, wielkością i funkcjami. 2. W prawie każdej komórce człowieka można wyróżnić wszystkie zasadnicze organelle: błonę komórkową, siateczkę śródplazmatyczną, aparaty Golgiego, lizosomy, cytoplazmę, mitochondria, rybosomy oraz jądro komórkowe. 27