Wydział Chemiczny Politechniki Gdańskiej Katedra Technologii Leków i Biochemii Kultury tkankowe i komórkowe roślin i zwierząt Obserwacje mikroskopowe tkanek roślinnych i zwierzęcych Zespoły komórek pełniących wyspecjalizowane funkcje oraz wytwarzana przez nie istota międzykomórkowa noszą nazwę tkanki. U człowieka, z jednej zapłodnionej komórki, w procesie róŝnicowania powstaje ok. 200 rodzajów ściśle wyspecjalizowanych komórek, wykonujących określone, choć nieliczne funkcje takie jak np.: przenoszenie impulsów przez komórki nerwowe czy wytwarzanie przeciwciał przez limfocyty B. Istota międzykomórkowa, drugi składnik tkanki, moŝe być płynem, jak w przypadku krwi, bądź Ŝelem złoŝonym z makrocząsteczek istoty podstawowej i (lub) uformowanych struktur np.: włókien. Większość tkanek składa się w ok. 70% z wody, a związki chemiczne występują w nich jako roztwory lub koloidy, przy czym te ostatnie nadają komórkom i tkankom jedną z ich podstawowych cech fizycznych jaką jest lepkość. Roztwory krystaliczne w tkankach odpowiadają głównie za ciśnienie osmotyczne, które wynosi 280-320 mosm/l i jest określane jako ciśnienie izotoniczne. Kilka tkanek zajmujących wspólną przestrzeń i pełniących skoordynowane funkcje określa się jako narząd (gr. organon). Komórki narządu wraz z ich istotą międzykomórkową, noszą nazwę miąŝszu (gr. parenchyma), podczas gdy tkanka, która podtrzymuje i odŝywia komórki miąŝszowe określana jest jako zrąb (gr. stroma). Rośliny i zwierzęta rozwinęły swoją organizację wielokomórkową niezaleŝnie od siebie, a ich tkanki są zbudowane na odrębnych zasadach. U zwierząt, tkanki są zdolne do szybkiego ruchu stąd teŝ, komórki je tworzące muszą posiadać zdolność do wytwarzania i przenoszenia sił mechanicznych oraz szybkiej zmiany kształtów. Rośliny, jako organizmy osiadłe, posiadają tkanki mniej lub bardziej sztywne, pomimo Ŝe ich komórki, gdy rozpatrywać je oddzielnie, są słabe i kruche. W organizmach zwierzęcych, głównie kręgowców, wydzielono cztery podstawowe typy tkanek: nabłonkową, łączną, mięśniową i nerwową. W obrębie kaŝdego z tych typów wyróŝnia się dodatkowo podtypy na podstawie ich szczególnej struktury i funkcji. Tkanki roślin, utworzone z zespołów komórek połączonych ze sobą przestrzennie i charakteryzujących się podobną strukturą i pochodzeniem, moŝna podzielić na trzy zasadnicze typy: tkankę okrywającą, podstawową i naczyniową. Szczegółowe opisy róŝnych typów i podtypów tkanek naleŝą do osobnego działu nauki, histologii, a w przypadku organizmów roślinnych do działu botaniki ogólnej. PoniŜej przedstawiono jedynie krótkie zestawienie i komentarz dotyczący poszczególnych typów tkanek zwierzęcych i roślinnych. 1
1. Tkanki zwierzęce. 1.1. Tkanka nabłonkowa. Komórki nabłonkowe stanowią niezwykle urozmaiconą grupę róŝniącą się pochodzeniem (ektodermalnym, entodermalnym lub mezodermalnym), strukturą i funkcją. Nabłonki są układem ściśle upakowanych komórek, z bardzo skąpą istotą międzykomórkową, przez co stanowią nieprzepuszczalną barierę dla cieczy. Komórki nabłonkowe wyściełają powierzchnię ciała, jamy ciała, kanały wyprowadzające oraz budują róŝnego rodzaju gruczoły. Tkanki nabłonkowe klasyfikuje się według trzech podstawowych kryteriów: 1) liczby warstw komórek (nabłonek jednowarstwowy, wielowarstwowy i pseudowielowarstwowy); 2) kształtu komórek (nabłonek płaski, kubiczny, cylindryczny; 3) specjalizacji powierzchni komórek nabłonka (nabłonek orzęsiony, nieorzęsiony, zrogowaciały). Główne funkcje nabłonków to: 1) Mechaniczna ochrona tkanek leŝących pod nabłonkiem (np. nabłonek skóry); 2) izolacja róŝnych środowisk od siebie, dzięki czemu zostają zachowane róŝnice chemiczne i fizyczne między tymi środowiskami; przy uszkodzeniu takiej izolacji (np. w skutek oparzenia) dochodzi do ucieczki wody z tkanek na zewnątrz, co moŝe powodować odwodnienie i śmierć organizmu; 3) wchłanianie (absorpcja) róŝnych związków chemicznych i gazów co stanowi podstawę przyswajania substancji odŝywczych i wymiany gazowej; 4) wydzielanie (sekrecja) związków chemicznych wytwarzanych lub modyfikowanych w komórkach nabłonkowych. Nabłonki znajdują się na podłoŝu tkanki łącznej właściwej, z którą łączą się przez wyspecjalizowaną strukturę zwaną błoną podstawną. Za jej pomocą nabłonek: 1) mechanicznie łączy się z podłoŝem, 2) transportuje substancje odŝywcze i metabolity do i z naczyń krwionośnych tkanki łącznej, co stanowi sposób odŝywiania nabłonka pozbawionego własnych naczyń krwionośnych, oraz 3) zachowuje kształt swoich komórek. Z uwagi na pełnione funkcje wchłaniania, transportu i oddzielania od siebie róŝnych środowisk, komórki nabłonkowe wykształciły na swoich powierzchniach: wolnej, bocznych i podstawnej wyspecjalizowane struktury. Na wolnej powierzchni komórki nabłonkowe wykształcają wypustki w postaci mikrokosmków czy rzęsek. Na powierzchniach bocznych, komórki tworzą połączenia, które spajają je między sobą oraz słuŝą przenikaniu jonów i cząstek między sąsiadującymi komórkami. Z kolei na powierzchni podstawnej tworzą się wgłębienia oraz struktury spajające komórki nabłonkowe z podłoŝem tzw. hemidezmosomy. Komórki nabłonkowe z uwagi na intensywnie prowadzone funkcje transportu przez błony, wydzielania i wchłaniania, szybko się zuŝywają, opuszczają nabłonek przez złuszczanie i są zastępowane nowymi komórkami, przy czym sam proces odnowy nabłonków przebiega z udziałem komórek macierzystych. 2
1.2. Tkanka łączna. Tkanka łączna zapewnia strukturalną i metaboliczną bazę dla wszystkich narządów organizmu. Jest podścieliskiem dla naczyń krwionośnych i pośredniczy w wymianie produktów metabolizmu oraz składników odŝywczych pomiędzy tkankami i układem krwionośnym. U zwierząt, tkanka łączna występuje w trzech podstawowych formach: włóknistej luźnej (np. gromadzi tłuszcz); włóknistej zwartej o utkaniu nieregularnym (stanowi podścielisko dla skóry); włóknistej zwartej o utkaniu regularnym (tworzy chrząstkę lub kości). Krew i limfa, czasem klasyfikowane jako odrębne tkanki, są równieŝ uznawane za rodzaj tkanki łącznej. Tkanka łączna, oprócz specyficznych komórek zawiera szczególnie obfitą istotę międzykomórkową, złoŝoną z włókien (kolagenowych, siateczkowych, spręŝystych) i istoty podstawowej stanowiącej rodzaj Ŝelu wiąŝącego znaczne ilości wody i podtrzymującego komórki i włókna. W obrębie istoty międzykomórkowej krąŝy płyn tkankowy (z krwi do tkanki łącznej i z powrotem do krwi), a wraz z nim substancje odŝywcze i metabolity, przez co substancje te docierają do wszystkich części narządów zawierających tkankę łączną. Istota międzykomórkowa działa równieŝ jako filtr zatrzymujący wiele szkodliwych cząsteczek. Część komórek tkanki łącznej, jak makrofagi czy leukocyty obojętnochłonne, specjalizuje się w poŝeraniu ciał obcych lub teŝ jak w przypadku leukocytów eozynofilnych, fagocytozie kompleksów antygen-przeciwciało. Inne z kolei, jak plazmocyty czy limfocyty, produkują odpowiednio przeciwciała i formują komórki immunokompetentne. Fibroblasty, chondrocyty oraz osteocyty, kolejne komórki tkanki łącznej, wytwarzają włókna oraz proteoglikany jej istoty międzykomórkowej. Komórki tuczne tkanki łącznej, wywodzące się z komórek prekursorowych szpiku kostnego, wydzielają liczne substancje biologicznie czynne, jak heparyna, histamina, czynnik martwicy nowotworów, leukotrieny i interleukiny. Komórki tłuszczowe, zaliczające się równieŝ do komórek tkanki łącznej, odpowiadają z kolei za magazynowanie tłuszczów oraz produkcję ciepła. 1.3. Tkanka mięśniowa. Tkanka mięśniowa składa się z wydłuŝonych komórek otoczonych blaszką podstawną, specjalizujących się w kurczeniu i rozkurczaniu, oraz zmianie swojego napięcia. Procesy skurczowe komórek mięśniowych wiąŝą się z obecnością dwóch białek fibrylarnych miozyny i aktyny, które tworzą specyficzne układy kurczliwe wykorzystujące energię zmagazynowaną w ATP. WyróŜnia się trzy rodzaje tkanek mięśniowych: mięśnie gładkie, mięśnie szkieletowe oraz specyficzny mięsień sercowy. Tkanka mięśniowa gładka zbudowana jest z wydłuŝonych, wrzecionowatych komórek (miocytów), zawierających centralnie połoŝone jedno jądro komórkowe. Mięśnie gładkie stanowią składnik prawie wszystkich narządów trzewnych, jak naczynia krwionośne, macica, ściana Ŝołądka czy pęcherza moczowego. Skurcze tkanki mięśniowej gładkiej odbywają się niezaleŝnie od woli i są kontrolowane przez autonomiczny układ nerwowy oraz hormonalny. Tkanka mięśniowa szkieletowa poprzecznie prąŝkowana, związana z układem szkieletowym, zapewnia ruchy całego organizmu. Mięśnie szkieletowe poruszają równieŝ gałkami ocznymi i językiem. Czynności tkanki mięśniowej poprzecznie prąŝkowanej 3
szkieletowej są zaleŝne od woli, z wyjątkiem mięśni przepony, ucha środkowego i mięśni międzyŝebrowych, kontrolowanych przez autonomiczny układ nerwowy. Mięśnie szkieletowe, pomimo zróŝnicowanej budowy i funkcji, posiadają wspólne podstawowe cechy morfologiczne. Wielojądrowa komórka mięśniowa, zwana włóknem mięśniowym, zawiera ok. 75 jąder na 1 mm swej długości. Główny składnik cytoplazmy komórki mięśniowej stanowią miofibryle kurczliwe włókienka tworzące pęczki, składające się z białek biorących udział w skurczu oraz charakteryzujące się występowaniem jasnych i ciemnych prąŝków. W zaleŝności od źródła energii wykorzystywanej do skurczu, komórki mięśni szkieletowych dzieli się na: mięśnie czerwone (bogate w mioglobinę wiąŝącą tlen, wytrzymałe na zmęczenie, uŝywające jako źródła energii fosforylacji oksydacyjnej) oraz na mięśnie białe (ubogie w mioglobinę, cechujące się szybkimi skurczami i szybkim zmęczeniem oraz wykorzystujące do skurczu procesy glikolizy beztlenowej). Tkanka mięśniowa poprzecznie prąŝkowana serca, ze względu na okresowy układ elementów kurczliwych, jest strukturalnie podobna do tkanki mięśniowej szkieletowej. Pod względem funkcjonalnym przypomina tkankę mięśniową gładką, gdyŝ jest kontrolowana przez autonomiczny układ nerwowy. Jedno- lub dwujądrowe, wydłuŝone komórki serca, zwane kardiomiocytami, układają się w mięśniu szeregiem, jedna za drugą, tworząc na powierzchniach styku specyficzne połączenia tzw. wstawki. Cytoplazma kardiomiocytów wypełniona jest miofibrylami, charakteryzującymi się, tak jak mięśnie szkieletowe, poprzecznymi prąŝkami. 1.4. Tkanka nerwowa. Tkanka nerwowa składa się z sieci wyspecjalizowanych komórek nerwowych neuronów oraz wspomagających je komórek glejowych, które stanowią rodzaj zrębu dla neuronów, pełniąc, w przybliŝeniu tę samą rolę co komórki tkanki łącznej w innych układach. Podstawową funkcją neuronów jest wytwarzanie, przetwarzanie i przekazywanie impulsów nerwowych do innych neuronów oraz komórek efektorowych. Główną cechą neuronów jest pobudliwość, czyli reagowanie na zmiany potencjału elektrycznego błony komórkowej zachodzące pod wpływem bodźców zewnętrznych. Ciało neuronu (perykarion), będący częścią neuronu otaczającą jądro, tworzy jedną lub wiele wypustek zwanych dendrytami, które doprowadzają do niego impulsy nerwowe, odgrywając rolę receptorów odbierających sygnały czuciowe, jak ból, dotyk czy ciepło. KaŜdy neuron, prócz dendrytów, formuje jednocześnie tylko jedną długą wypustkę akson (neuryt), przewodzącą impulsy odśrodkowe do drugiego neuronu bądź do narządu efektorowego. Aksony i długie dendryty często określane są jako włókna nerwowe. W mózgu i rdzeniu kręgowym, włókna nerwowe biegną w pęczkach zwanych traktami. Pęczki włókien nerwowych w obwodowym układzie nerwowym określane są jako nerwy. Włókna nerwowe na ich końcach rozgałęziają się drzewkowato, przy czym kaŝde rozgałęzienie zakończone jest synapsą. Dzięki chemicznym neuroprzekaźnikom wydzielanym przez synapsę, impulsy elektryczne są przekazywane na drodze chemicznej z jednego neuronu do drugiego. Włókna nerwowe nerwów obwodowych osłonięte są lemocytami komórkami wytwarzającymi neurolemę (osłonka Schwanna) oraz osłonkę mielinową. Neurolema powstaje gdy długie, spłaszczone lemocyty wytwarzają podłuŝne wgłębienia, w których leŝy 4
jedno lub kilka włókien nerwowych. W ten sposób cytoplazma lemocytów otacza poszczególne włókna. Włókna nerwowe otoczone tylko neurolemą określane są jako włókna bezrdzenne. Gdy spłaszczona cytoplazma lemocytu nawinie się kilkakrotnie wokół jednego włókna nerwowego, powstaje specyficzna osłonka mielinowa, która jest dobrym izolatorem elektrycznym o niskiej pojemności i duŝej oporności elektrycznej, co odgrywa istotną rolę podczas przewodzenia impulsów nerwowych. Włókna nerwowe otoczone osłonką mielinową określane są jako włókna rdzenne. 2. Tkanki roślinne. 2.1. Tkanka okrywająca. Tkanka okrywającą (epiderma) jest strefą pierwszego kontaktu rośliny ze środowiskiem zewnętrznym, stąd teŝ musi stanowić skuteczną barierę fizyczną i chemiczną przed jego niekorzystnymi wpływami. Ponadto, tkanka ta z jednej strony, musi umoŝliwiać pobieranie roztworów, a jednocześnie zabezpieczać przed utratą wody, nie dopuszczać do ataku patogenów i utrudniać Ŝerowanie roślinoŝerców, a z drugiej strony przyciągać i wabić zwierzęta niezbędne w procesie zapylania. Epiderma (spotykana z reguły w postaci pojedynczej warstwy komórek), okrywa łodygę, liście i korzenie. Właściwe komórki epidermalne są Ŝywe, mało wyspecjalizowane i ściśle przylegają do siebie tworząc zwarty układ pozbawiony przestworów komórkowych. Komórki te posiadają grubą pierwotną ścianę komórkową, przy czym ściana zewnętrzna komórek epidermy łodygi i liści jest dodatkowo pokryta warstwą kutykuli, na zewnątrz której znajduje się jeszcze warstwa wosku. Komórki skórki są silnie zwakuolizowane, a w ich soku komórkowym mogą występować flawonoidy nadające zabarwienie liściom i chroniące je przed promieniowaniem ultrafioletowym. Dodatkowo, w epidermie płatków kwiatów często występują chromoplasty, które razem z flawonoidami, nadają im jaskrawe Ŝółte, pomarańczowe i czerwone zabarwienie. Do komórek epidermalnych, oprócz komórek właściwych epidermy, zaliczane są równieŝ komórki szparkowe oraz róŝnego typu włoski. Komórki szparkowe tworzą szparki otwory w epidermie, umiejscowione przewaŝnie na powierzchni dolnej liścia. Ich funkcją jest regulacja wymiany gazowej w roślinie. Włoski występują jako twory jedno-, lub wielokomórkowe, proste lub rozgałęzione. Komórki włoska, Ŝywe lub martwe, pełnią funkcje ochronne (ograniczając Ŝerowanie owadów), wydzielnicze (wydzielając śluzy, terpenoidy, substancje parzące czy trawiące), a takŝe biorą udział w pobieraniu wody i soli mineralnych. 2.2. Tkanka podstawowa. Tkanka podstawowa znajduje się pomiędzy tkanką okrywającą a systemem naczyniowym rośliny. Na ten typ tkanki składają się trzy główne typy komórek określane jako: miękisz (parenchyma), zwarcica (kolenchyma) i twardzica (skelenchyma). Parenchyma jest niezwykle zróŝnicowana morfologicznie i funkcjonalnie. Jej komórki są Ŝywe, bogate w wakuole, otoczone cienką pierwotną ścianą komórkową. To w komórkach parenchymy zachodzą podstawowe procesy Ŝyciowe rośliny: fotosynteza, oddychanie, 5
wydzielanie i gromadzenie materiałów zapasowych w postaci skrobi, białek oraz lipidów. Ponadto, dzięki swej zdolności do proliferacji, komórki parenchymy stanowią źródło nowych komórek niezbędnych do regeneracji i zasklepiania ran. Kolenchyma i sklerenchyma tworzą układ mechaniczny rośliny. Pełnią one funkcje wzmacniające, chronią przed uszkodzeniem bardziej delikatne komórki oraz nadają roślinie wytrzymałość na róŝnego rodzaju odkształcenia. Kolenchyma zbudowana jest z komórek Ŝywych, podobnych do komórek miękiszowych, ale róŝniących się od nich znacznie grubszymi ścianami komórkowymi i przewaŝnie wydłuŝonym kształtem. Jej mogące się wydłuŝać komórki, są zebrane w długie, giętkie i elastyczne włókna, które są oporne na rozerwanie, przez co mechanicznie wzmacniają nadziemne części roślin, jak liście czy łodygi. Sklerenchyma oprócz typowej dla kolenchymy oporności na rozerwanie, nadaje organom rośliny duŝej wytrzymałości na rozciąganie, zginanie, ściskanie, skręcanie, a takŝe ścinanie. Komórki sklerenchymy posiadają grube, zwykle zdrewniałe ściany komórkowe wtórne, po wykształceniu których protoplast na ogół umiera. Sklerenchyma występuje w dwóch formach jako: włókna, które często tworzą długie, ostro zakończone wiązki, i jako sklereidy komórki krótsze, o nieregularnych kształtach, spotykane w zewnętrznych częściach łupiny niektórych owoców i nasion. 2.3. System naczyniowy. Ciągły system naczyniowy w obrębie rośliny tworzą floem i ksylem tkanki złoŝone zarówno pod względem strukturalnym, jak i funkcjonalnym, zbudowane z wielu typów komórek. W młodych roślinach są one zwykle związane z innymi typami komórek tworząc wiązkę łyko-drzewną. I tak, komórki przewodzące łyka i floemu, zwane członami, są związane z komórkami miękiszowymi, które pełnią funkcje komórek spichrzowych i zapełniają łączność i wymianę materiałów z innymi komórkami. Grupy komórek kolenchymy i sklerenchymy, obecne takŝe na terenie wiązki, dostarczają dodatkowego wzmocnienia mechanicznego. Floem pośredniczy w transporcie substancji pokarmowych w postaci roztworów organicznych. Główne elementy przewodzące floemu człony rurek sitowych, są ustawione jeden na drugim tworząc ciągi zwane rurkami sitowymi. Dojrzałe człony rurek sitowych są Ŝywymi, pozbawionymi jądra komórkami, które łączą się ze sobą poprzez perforacje (płytki sitowe) w ich ścianach poprzecznych. Pytki sitowe powstają w wyniku powiększenia i modyfikacji plazmodesmów, przez które przenikają grube pasma cytoplazmy, łączące protoplasty sąsiednich elementów sitowych. Z uwagi na brak jądra komórkowego, ale takŝe mikrotubul, diktiosomów, czy redukcję cytoplazmy, komórki sitowe, aby prawidłowo istnieć i funkcjonować, są ściśle połączone z przyrurkowymi komórkami towarzyszącymi. Komórki te poprzez liczne połączenia w ścianie komórkowej, dodatkowo transportują substancje odŝywcze do wnętrza członów rurek sitowych. Ksylem przewodzi w roślinie wodę i sole mineralne, wzmacnia organy, a takŝe gromadzi substancje zapasowe. Głównymi komórkami przewodzącymi są człony naczyń, które są martwe, pozbawione protoplastów. Ponadto, pokrywa je gruba, silnie zlignifikowana wtórna ściana komórkowa. Dojrzałe człony naczyń są częściowo lub zupełnie pozbawione ścian poprzecznych, przez co ustawione w pionowe długie szeregi, tworzą długie, puste rury. 6
Ćwiczenie Materiał Trwałe preparaty tkanek roślinnych i zwierzęcych, atlas anatomiczny. Sprzęt Mikroskop świetlny. Celem ćwiczenia jest zapoznanie Studentów z budową wybranych tkanek roślinnych i zwierzęcych. W trakcie zajęć Studenci będą oglądali pod mikroskopem świetlnym gotowe preparaty tkanek roślinnych i zwierzęcych wybrane przez prowadzącego. Na zajęcia naleŝy obowiązkowo przynieść ołówek, gumkę oraz biały papier, na którym Studenci będą wykonywali rysunki preparatów oglądanych pod mikroskopem. Przy pomocy atlasu anatomicznego naleŝy zaznaczyć i opisać typowe elementy kaŝdej z obserwowanych tkanek. Literatura 1. Histologia. Sawicki W., Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2000. 2. Podstawy biologii komórki. Alberts B., Bray D., Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1999. 3. Biologia komórki roślinnej. Wojtaszek P., Woźny A., Ratajczak L. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006. 4. Strukturalne podstawy biologii komórki. Kilarski W., Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2003. 7