BIOCHEMICZNE FUNKCJE ORGANELLI KOMÓRKOWYCH

Komórki roślinne i zwierzęce pomimo znacznych różnic w budowie anatomicznej wykazują dosyć duże podobieństwo przemian chemicznych, przebiegających w obrębie tzw. metabolizmu podstawowego (pośredni). Procesy biochemiczne przebiegają w konkretnych kompartymentach komórki i są związane z występowaniem określonych biomolekul i ich przemian metabolicznych.

1.ŚCIANA KOMÓRKOWA

Każda komórka roślinna (protoplast) jest otoczona ścianą komórkową składającą się z trzech warstw: ściany pierwotnej, blaszki środkowej i ściany wtórnej. Ściana komórkowa stanowi martwą otoczkę komórek roślinnych, chroniącą błonę komórkową i tonoplast przed stresem osmotycznym oraz uszkodzeniami mechanicznymi. W poszczególnych warstwach różni się ona składem chemicznym wielocukrowców. W ścianie pierwotnej i wtórnej przeważa celuloza, a w blaszce środkowej pektyny. W trakcie ontogenezy, w większych ilościach w ścianie pojawiają się substancje inkrustujące takie jak lignina, będąca polimerem alkoholi fenolowych i inne polisacharydy, w tym zwłaszcza hemicelulozy.

2.BŁONA KOMÓRKOWA

Pod powierzchnią ściany komórkowej znajduje się białkowo lipidowa błona komórkowa (błona plazmatyczna) o grubości 5-11 nm, nieprzepuszczalna dla większości metabolitów oraz izolująca wnętrze komórki od środowiska zewnętrznego. Oprócz funkcji typowo fizycznych, zabezpieczających komórkę przed niepożądanymi egzometabolitami pełni ona także funkcje metaboliczne, uczestnicząc m.in. w transporcie aktywnym biomolekuł przez jej białkowo-lipidowe struktury. Transport ten wymaga nakładu energii, która pochodzi z hydrolizy ATP możliwej dzięki obecności w błonie ATP-azy, zależnej od jonów Na⁺ i K⁺ .Podkreśla się także duże znaczenie błony komórkowej we współdziałaniu z enzymami i antygenami zlokalizowanymi na jej powierzchni.

3.CYTOPLAZMA

Wnętrze komórki roślinnej jest wypełnione bezpostaciowym, przezroczystym płynem nazywanym cytoplazmą (cytosol, mezoplazma, hialoplazma), w której zawieszone są struktury subkomórkowe (organele). Organele komórkowe są otoczone białkowo-lipidowymi błonami, oddzielającymi ich wnętrze od cytoplazmy. W cytoplazmie zlokalizowane są ważne przemiany metabolizmu pośredniego m.in. glikoliza, szlak pentozofosforanowy, częściowo glukoneogeneza (resynteza glukozy), aktywacja aminokwasów dla procesu biosyntezy białek, a także metabolizm mononukleotydów.

4.JĄDRO KOMÓRKOWE

Wśród organeli komórkowych najważniejsze jest jądro komórkowe, które jest centralną i zarazem największą organelą. Otoczone jest ono podwójną błoną jądrową, wypełnione nukleoplazmą (kariolimfa i chromatyna), a w jego wnętrzu zlokalizowane jest jąderko (jedno lub kilka, w zależności od fazy cyklu mitotycznego lub pici). Jąderko stanowi skupisko zagęszczonej, nie otoczonej błonami nukleoplazmy, zanikającej podczas podziału komórki, w trakcie którego materiał genetyczny (informacja genetyczna) jest przekazywany komórkom potomnym.Jądro komórkowe jest odpowiedzialne za replikację DNA podczas podziałów komórkowych oraz biosyntezę mRNA, na nici DNA (transkrypcja). W jądrze są także syntezowane mononukleotydy, ADP i ATP, a także występuje aktywność wielu enzymów charakterystycznych dla cytoplazmy, w tym glukozo-6-fosfatazy,dehydrogenazy NADH:cytochrom C i ATP-azy. W skupiskach zagęszczonej nukleoplazmy, tworzących jąderko przebiega natomiast synteza rRNA, białek rybosomalnych oraz zasadowych białek jądrowych.

5.RETIKULUM ENDOPLAZMATYCZNE

Cytoplazma komórkowa jest poprzegradzana błonami retikulum endoplazmatycznego (RE; siateczka endoplazmatyczna) tworzącego misterną strukturę kanałów wewnątrz komórki. Wewnętrzna zawartość RE posiada połączenie z treścią takich samych tworów występujących w otaczających komórkach za pomocą tzw. plazmodesm (wypustki cytoplazmatyczne, kontaktujące cytoplazmę z jej odpowiednikami w otaczających komórkach). Retikulum endoplazmatyczne tworzy błony gładkie i szorstkie, zawierające na powierzchni liczne rybosomy, które są odpowiedzialne za biosyntezę białek oraz mikrosomy neutralizujące i usuwające zbędne metabolity. Z kolei, błony gładkie RE uczestniczą w procesach biosyntezy: kwasów tłuszczowych, lipidów, cholesterolu i innych związków sterydowych; występuje w nich także wysoka aktywność 6-fosfatazy i 5-nukleotydazy.

6.APARAT GOLGIEGO

Aparat Golgiego jest organellą, zbudowaną z płaskich, Inlerzowatych cystern (woreczków). Jego aktywność sprowadza się do zadań wydzielniczych i transportowych, opartych na zasadach tzw. odwróconej pinocytozy. Aparat Golgiego jest wyspecjalizowany w przeprowadzaniu biosyntezy mukopolisacharydów oraz białek występujących w błonach komórkowych.

7.MITOCHONDRIA

Mitochondria są pałeczkowatymi tworami, zlokalizowanymi w cytoplazmie i otoczonymi podwójną błoną mitochondrialną. Błona wewnętrzna mitochondriów tworzy wgłębienia zwane grzebieniami, a wewnątrz tych organeli występuje macierz (matrix mitochondrialna). Pełnią one funkcje energetyczne, zarówno w komórkach roślinnych jak i w zwierzęcych . W zewnętrznej błonie mitochondriów przebiega utlenianie monoamin, synteza kwasów fosfatydowych i wydłużanie łańcucha węglowodorowego kwasów tłuszczowych. W wewnętrznej błonie mitochondrialnej przebiega utlenianie kwasów tłuszczowych (β-oksydacja), procesy transacylacji, utlenianie komórkowe na drodze łańcucha oddechowego i wiązanie energii w zredukowanych wiązaniach ATP, w wyniku fosforylacji oksydacyjnej. Z kolei, w macierzy mitochondrialnej zlokalizowany jest cykl Krebsa oraz aktywność dehydrogenazy glutaminianowej, aminotransferazy asparaginianowej oraz enzymów uczestniczących w biosyntezie mitochondrialnych kwasów nukleinowych i białek.

8.RYBOSOMY

Rybosomy są kulistymi organelami, zbudowanymi z kwasów rybonukleinowych i białek. Składają się one z dwóch podjednostek: mniejszej i większej, które znajdują się w stanie dynamicznej asocjacji i dysocjacji. Występują one w komórkach w postaci skupisk, zlokalizowanych na błonach retikulum endoplazmatycznego zwanych polisomami. W rybosomach przebiega proces biosyntezy białek, określany mianem translacji.

9.MIKROSOMY

Mikrosomy są małymi pęcherzykami otoczonymi błonami, które występują w skupiskach, na powierzchni gładkich i szorstkich błon retikulum endoplazmatycznego. Odpowiadają one za procesy biodegradacji metabolitów, przy udziale enzymów detoksykacyjnych (monooksygenazy polisub stratowe - PSMO; monooksygenazy flawinowe). W mikrosomach przebiega także wydłużanie łańcuchów kwasów tłuszczowych przy udziale acetylo-CoA.

10.PERYKSOSOMY

Peroksysomy są względnie niewielkimi organelami, których zadaniem jest utlenianie różnorodnych substratów.W strukturach tych stwierdza się aktywność takich enzymów jak: katalaza, peroksydaza, oksydazy D i L-aminokwasowa, oksydaza glikolanowa i moczanowa oraz alantoinaza.

11.LIZOSOMY

Lizosomy pełnią funkcje trawienne („sanitarne”) wewnątrz komórek zwierzęcych. W ich strukturach funkcjonują enzymy (hydrolazy), odpowiedzialne za rozkład substancji endogennych i egzogennych, takie jak: kwaśna fosfataza, rybonukleazy, deoksyrybonukleazy, proteinazy, sulfatazy czy glukuronidazy.

12.PLASTYDY

W komórkach roślinnych występują trzy formy plastydów: chloroplasty, chromoplasty i leukoplasty (amyloplasty).

Chloroplasty są organellami roślinnymi, występującymi w komórkach fotosyntetyzujących. Są one tworami o soczewkowatym kształcie, otoczonymi podwójną błoną. Wnętrze chloroplastów wypełnia lepka ciecz (stroma), w której występują tylakoidy złożone z gran. Podstawowym zadaniem chloroplastów jest absorpcja kwantów świetlnych i ich zamiana na energię chemiczną oraz regulacja równowagi pomiędzy stężeniem tlenu i dwutlenku węgla w atmosferze. Najważniejszym zadaniem chloroplastów jest przeprowadzanie procesu fotosyntezy, w tym zwłaszcza fosforylacji fotosyntetycznej. Organele te posiadają dużą dozę autonomii, wyrażającą się m.in. w autonomicznej biosyntezie białek chloroplastów, replikacji DNA oraz biosyntezie RNA.

Chromoplasty są oranellamii o różnorodnym kształcie, zawierającymi w swoich strukturach barwniki karotenoidowe. Wśród karotenoidów wyróżnia się dwie grupy barwników: karoteny, będące nienasyconymi węglowodorami oraz ksantofile, zawierające w swoich strukturach dodatkowo atomy tlenu.

Amyloplasty (leukoplasty) są tworami otoczonymi błoną wypełnionymi bezpostaciową stromą, których zadaniem jest biosynteza i katabolizm skrobi.

13.SFERYSOSOMY

Sferosomy występują w cytoplazmie komórki roślinnej, w postaci pęcherzykowatych tworów. Pełnią one podobne funkcje jak lizosomy komórki zwierzęcej, jednak zawierają odmienny zestaw enzymów, dlatego są wyodrębniane jako inna grupa organeli komórkowych. Ich zadaniem jest zapewnienie w komórce roślinnej równowagi w zawartości substancji wysokocząsteczlcowych i niskocząsteczkowych.

14.GLIOKSYOMY

Glioksysomy są także organellami charakterystycznymi dla komórek roślinnych, w których intensywnie przebiegają procesy metaboliczne cukrowców i tłuszczowców. W ich strukturach funkcjonuje mechanizm usuwania nadmiaru acetylo-CoA przy pomocy aktywności enzymów cyklu glioksalowego.

15.ZIARNA ALERONOWE

Ziarna aleuronowe to skupiska lepkich substancji, rzadziej w formie kryształów, spotykane w endospermie i zarodkach. Ich zadaniem jest gromadzenie białek zapasowych, głównie albumin.

16.WAKUOLE

Wakuolc są oddzielone od cyloplazmy błoną, zwaną tonoplastem i magazynują różne metabolity roślinne.W młodych komórkach występuje kilka mniejszych wakuol, które w trakcie ontogenezy łączą się w jedną dużą. Wewnątrz wakuol występuje sok komórkowy, zawierający rozpuszczone metabolity oraz regulujący turgor komórki. Zadaniem wakuoli jest magazynowanie metabolitów roślinnych, takich jak: składniki energetyczne, tłuszczowce, barwniki, wtórne metabolity czy kryształy soli, które występują w komórkach w nadmiarze lub w danym czasie nie są wykorzystywane w procesach metabolicznych.