Współczesne badania eksperymentalne wykazały, że komórka jest najbardziej złożoną strukturą i funkcjonalną jednostką prawie wszystkich żywych organizmów, z wyjątkiem wirusów, które są niekomórkowymi formami życia. Cytologia bada strukturę, a także życiową aktywność komórki: oddychanie, odżywianie, rozmnażanie, wzrost. Procesy te zostaną omówione w niniejszym dokumencie.
Struktura komórki
Za pomocą mikroskopu świetlnego i elektronowego biolodzy ustalili, że komórki roślinne i zwierzęce zawierają aparat powierzchniowy (kompleksy nadbłonowe i podbłonowe), cytoplazmę i organelle. W komórkach zwierzęcych nad błoną znajduje się glikokaliks, który zawiera enzymy i zapewnia odżywianie komórki poza cytoplazmą. W komórkach roślinnych, prokariotach (bakteriach i sinicach), a także grzybach, nad błoną tworzy się ściana komórkowa, która składa się z celulozy, ligniny lub mureiny.
Jądro jest niezbędnym organelląeukarionty. Zawiera materiał dziedziczny - DNA, który wygląda jak chromosomy. Bakterie i cyjanobakterie zawierają nukleoid, który działa jako nośnik kwasu dezoksyrybonukleinowego. Wszystkie pełnią ściśle określone funkcje, które warunkują metaboliczne procesy komórkowe.
Co rozumiemy przez odżywianie komórkowe
Życiowe przejawy komórki to nic innego jak transfer energii i jej transformacja z jednej formy w drugą (zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki). Energia znajdująca się w składnikach odżywczych w stanie utajonym, tj. w stanie związanym, przechodzi w cząsteczki ATP. Na pytanie, czym jest odżywianie komórek w biologii, istnieje odpowiedź uwzględniająca następujące postulaty:
- Komórka, będąc otwartym biosystemem, wymaga stałego dostarczania energii ze środowiska zewnętrznego.
- Substancje organiczne potrzebne do odżywiania, komórka może dostać się na dwa sposoby:
a) z ośrodka międzykomórkowego, w postaci gotowych związków;
b) niezależnie syntetyzuje białka, węglowodany i tłuszcze z dwutlenku węgla, amoniaku itp.
Dlatego wszystkie organizmy są podzielone na heterotroficzne i autotroficzne, których cechy metaboliczne są badane przez biochemię.
Metabolizm i energia
Substancje organiczne wchodzące do komórki ulegają rozszczepieniu, w wyniku którego uwalniana jest energia w postaci cząsteczek ATP lub NADP-H2. Cały zestaw reakcji asymilacji i dysymilacji to metabolizm. Poniżej rozważymy etapy metabolizmu energetycznego, które zapewniają odżywianie komórek heterotroficznych. Pierwsze białka, węglowodany i lipidyrozkładane są na swoje monomery: aminokwasy, glukozę, glicerol i kwasy tłuszczowe. Następnie podczas fermentacji beztlenowej ulegają dalszemu rozkładowi (fermentacja beztlenowa).
W ten sposób karmione są pasożyty wewnątrzkomórkowe: riketsje, chlamydia i bakterie chorobotwórcze, takie jak Clostridium. Jednokomórkowe grzyby drożdżowe rozkładają glukozę do alkoholu etylowego, bakterie kwasu mlekowego do kwasu mlekowego. Tak więc glikoliza, fermentacja alkoholowa, masłowa, mlekowa są przykładami odżywiania komórek w wyniku trawienia beztlenowego u heterotrofów.
Autotrofia i cechy procesów metabolicznych
Dla organizmów żyjących na Ziemi głównym źródłem energii jest Słońce. Dzięki niemu zaspokajane są potrzeby mieszkańców naszej planety. Niektóre z nich syntetyzują składniki odżywcze dzięki energii świetlnej, nazywane są fototrofami. Inne - za pomocą energii reakcji redoks nazywane są chemotrofami. W glonach jednokomórkowych odżywianie komórki, której zdjęcie przedstawiono poniżej, odbywa się fotosyntetycznie.
Zielone rośliny zawierają chlorofil, który jest częścią chloroplastów. Pełni rolę anteny przechwytującej kwanty światła. W jasnej i ciemnej fazie fotosyntezy zachodzą reakcje enzymatyczne (cykl Calvina), w wyniku których z dwutlenku węgla powstają wszystkie substancje organiczne używane do odżywiania. Dlatego komórka, która jest odżywionaze względu na wykorzystanie energii świetlnej nazywana jest autotroficzną lub fototroficzną.
Organizmy jednokomórkowe, zwane chemosyntetykami, wykorzystują energię uwolnioną w wyniku reakcji chemicznych do tworzenia substancji organicznych, na przykład bakterie żelaza utleniają związki żelaza do żelaza, a uwolniona energia idzie na syntezę glukozy cząsteczki.
W ten sposób organizmy fotosyntetyczne wychwytują energię świetlną i przekształcają ją w energię wiązań kowalencyjnych mono- i polisacharydów. Następnie wzdłuż ogniw łańcuchów pokarmowych energia jest przekazywana do komórek organizmów heterotroficznych. Innymi słowy, dzięki fotosyntezie istnieją wszystkie elementy strukturalne biosfery. Można powiedzieć, że komórka, której odżywianie odbywa się w sposób autotroficzny, „żywi się” nie tylko sobą, ale także wszystkim, co żyje na planecie Ziemia.
Jak jedzą organizmy heterotroficzne
Komórka, której odżywianie zależy od pobierania substancji organicznych ze środowiska zewnętrznego, nazywana jest heterotroficzną. Organizmy takie jak grzyby, zwierzęta, ludzie i bakterie pasożytnicze rozkładają węglowodany, białka i tłuszcze za pomocą enzymów trawiennych.
Następnie powstałe monomery są absorbowane przez komórkę i wykorzystywane przez nią do budowy organelli i życia. Rozpuszczone składniki odżywcze dostają się do komórki przez pinocytozę, podczas gdy stałe cząstki pokarmu dostają się do komórki przez fagocytozę. Organizmy heterotroficzne można podzielić na saprotrofy i pasożyty. Te pierwsze (np. bakterie glebowe, grzyby, niektóre owady) żywią się martwą materią organiczną, drugie (bakterie chorobotwórcze, helminty, grzyby pasożytnicze) żywią się komórkami i tkankami organizmów żywych.
Miksotrofy, ich rozmieszczenie w przyrodzie
Żywność mieszana w przyrodzie jest dość rzadka i jest formą adaptacji (idioadaptacji) do różnych czynników środowiskowych. Głównym warunkiem miksotrofii jest obecność w komórce obu organelli zawierających chlorofil do fotosyntezy oraz układu enzymów rozkładających gotowe składniki odżywcze pochodzące ze środowiska. Na przykład jednokomórkowe zwierzę Euglena green zawiera chromatofory z chlorofilem w hialoplazmie.
Gdy zbiornik, w którym żyje euglena, jest dobrze oświetlony, żywi się jak roślina, tj. autotroficznie, poprzez fotosyntezę. W rezultacie glukoza jest syntetyzowana z dwutlenku węgla, który komórka wykorzystuje jako pożywienie. Euglena żywi się heterotroficznie w nocy, rozkładając materię organiczną za pomocą enzymów znajdujących się w wakuolach trawiennych. Dlatego naukowcy uważają, że miksotroficzne odżywianie komórki jest dowodem jedności pochodzenia roślin i zwierząt.
Wzrost komórek i jego związek z trofizmem
Wzrost długości, masy, objętości zarówno całego organizmu, jak i poszczególnych jego narządów i tkanek nazywamy wzrostem. Nie jest to możliwe bez stałego dostarczania do komórek składników odżywczych, które służą jako budulec. Aby uzyskać odpowiedź na pytanie, jak rośnie komórka, której odżywianiewystępuje autotroficznie, konieczne jest wyjaśnienie, czy jest to niezależny organizm, czy też jest częścią wielokomórkowego osobnika jako jednostka strukturalna. W pierwszym przypadku wzrost będzie prowadzony w interfazie cyklu komórkowego. Zachodzą w nim intensywnie procesy wymiany tworzyw sztucznych. Odżywianie organizmów heterotroficznych jest skorelowane z obecnością pokarmu pochodzącego ze środowiska zewnętrznego. Wzrost organizmu wielokomórkowego następuje dzięki aktywacji biosyntezy w tkankach edukacyjnych, a także przewadze reakcji anabolicznych nad procesami katabolizmu.
Rola tlenu w odżywianiu komórek heterotroficznych
Organizmy tlenowe: Niektóre bakterie, grzyby, zwierzęta i ludzie używają tlenu do całkowitego rozkładu składników odżywczych, takich jak glukoza, na dwutlenek węgla i wodę (cykl Krebsa). Występuje w macierzy mitochondriów zawierających układ enzymatyczny H+-ATP-azę, który syntetyzuje cząsteczki ATP z ADP. W organizmach prokariotycznych, takich jak bakterie tlenowe i cyjanobakterie, etap dyssymilacji tlenu zachodzi na błonie komórkowej komórek.
Specyficzne odżywianie gamet
W biologii molekularnej i cytologii odżywianie komórki można pokrótce opisać jako proces wprowadzania do niej składników odżywczych, ich rozszczepiania i syntezy określonej porcji energii w postaci cząsteczek ATP. Trofizm gamet: komórek jajowych i plemników ma pewne cechy związane z wysoką specyficznością ich funkcji. Dotyczy to zwłaszcza żeńskiej komórki rozrodczej, która zmuszona jest do gromadzenia dużej ilości składników odżywczych, głównie w postaciżółtko.
Po zapłodnieniu użyje ich do zmiażdżenia i utworzenia embrionu. Plemniki w procesie dojrzewania (spermatogenezy) otrzymują substancje organiczne z komórek Sertoliego znajdujących się w kanalikach nasiennych. Zatem oba typy gamet mają wysoki poziom metabolizmu, co jest możliwe dzięki aktywnemu trofizmowi komórkowemu.
Rola odżywiania mineralnego
Procesy metaboliczne są niemożliwe bez dopływu kationów i anionów wchodzących w skład soli mineralnych. Na przykład jony magnezu są niezbędne do fotosyntezy, jony potasu i wapnia są niezbędne do działania mitochondrialnych układów enzymatycznych, a obecność jonów sodu i anionów węglanowych jest niezbędna do zachowania właściwości buforujących hialoplazmy. Roztwory soli mineralnych dostają się do komórki przez pinocytozę lub dyfuzję przez błonę komórkową. Odżywianie mineralne jest nieodłączne zarówno dla komórek autotroficznych, jak i heterotroficznych.
Reasumując, jesteśmy przekonani, że znaczenie odżywiania komórek jest naprawdę duże, ponieważ proces ten prowadzi do powstawania materiału budulcowego (węglowodany, białka i tłuszcze) z dwutlenku węgla w organizmach autotroficznych. Komórki heterotroficzne żywią się substancjami organicznymi powstałymi w wyniku żywotnej aktywności autotrofów. Otrzymaną energię wykorzystują do reprodukcji, wzrostu, ruchu i innych procesów życiowych.
