„Typowa" komórka
Opis budowy komórki musimy rozpocząć od stwierdzenia, że nie istnieje komórka „typowa". Organizm jednokomórkowy, komórka mięśniowa i komórka nerwowa różnią się tak znacznie pomiędzy sobą, że znalezienie podobieństw w ich budowie lub czynnościach wydaje się na pierwszy rzut oka niemożliwością. Każda jednak z nich
ma błonę komórkową, cytoplazmę ze znajdującymi się w niej organellami oraz jądro. Struktury te są niekiedy do siebie bliźniaczo podobne, pomimo że znajdują się w rozmaitych rodzajach komórek.
Istnieją również podobieństwa w czynności komórek. Aczkolwiek zasadnicze ich funkcje mogą być różne, np. organizm jednokomórkowy pędzi samodzielne życie, komórka mięśniowa jest z racji swej budowy predestynowana do odpowiedzi skurczem na otrzymany bodziec, a podstawowym zadaniem komórki nerwowej w organizmie jest przewodzenie impulsów nerwowych, jednakże wszystkie te komórki zdolne są do prowadzenia wielu czynności identycznych.
Przede wszystkim potrafią zdobywać energię i wyzyskiwać ją w różnych rodzajach pracy. Pomimo że źródła energii mogą być różne, istnieje podobieństwo w mechanizmie jej przetwarzania i wykorzystywania. Tak więc zdolność do przetwarzania energii jest podstawową cechą upodabniającą różne rodzaje komórek. Wynika to stąd, iż bez tej funkcji żadna komórka nie byłaby zdolna do wykonywania pozostałych czynności życiowych.
Wnętrze komórki różni się od otaczającego ją środowiska obecnością bardzo złożonych cząsteczek. Spełniają one w komórce różnorodne czynności niekiedy bardzo skomplikowane, po uwolnieniu się zaś z komórki nie są zdolne do samodzielnego istnienia i ulegają rozpadowi na prostsze związki chemiczne. Podczas powstawania życia na Ziemi, w sprzyjających ku temu warunkach fizycznych i chemicznych, zachodziły procesy odwrotne, tzn. synteza złożonych cząsteczek chemicznych z bardziej prostych. Obecnie zdolnością wytwarzania takich cząsteczek odznaczają się jedynie żywe komórki. To jest właśnie również wspólną cechą różnych rodzajów komórek. Pomimo że „typowa" komórka nie istnieje, jesteśmy w stanie stworzyć jej schemat na podstawie obrazów wielu różnorodnych komórek.
Spoglądając na tę ilustrację dostrzegamy, że każde z organellów komórkowych, jak się dotychczas wydawało jednorodnych, ma typową dla siebie, złożoną strukturę wewnętrzną, czyli tzw. ultrastrukturę.
Podstawowe elementy żywej komórki
Zanim przejdziemy do opisu poszczególnych struktur, które mogą być uwidocznione za pomocą mikroskopu elektronowego, poświęćmy nieco uwagi substancjom chemicznym wchodzącym w skład żywej komórki. Już w pierwszej połowie XIX wieku stwierdzono, że podstawowymi substancjami chemicznymi żywych komórek są związki azotowe zwane białkami, czyli proteinami. Znajdują się one w komórkach wszelkich organizmów. Zarówno jednokomórkowy pierwotniak, jak i wysoko zróżnicowana komórka nerwowa mózgu składają się głównie z cząsteczek białka. Dlatego też białka uważamy za najbardziej typową i charakterystyczną substancję żywej materii.
Budową cząsteczek białkowych zajmiemy się dokładniej w rozdziale III. Teraz natomiast zastanówmy się nad funkcją, jaką cząsteczki białka spełniają w żywej komórce, gdyż ogólna znajomość tego zagadnienia przyda się w dalszych rozważaniach nad budową i czynnością poszczególnych struktur komórkowych.
W jednej komórce występują tysiące rodzajów cząsteczek białka różniących się między sobą budową. Budowa ta warunkuje określone czynności, jakie owe cząsteczki mogą spełniać w żywej komórce. Białka wchodzące w skład poszczególnych struktur komórkowych jako ich „materiał budulcowy" zaliczamy do tzw. białek strukturalnych. Nie oznacza to jednak, że poza ową funkcją nie spełniają one innych czynności w komórce. Cząsteczki białka wchodzące np. w skład błony komórkowej nie tylko są cegiełkami tej struktury, lecz wpływają w dodatku na jej przepuszczalność.
Poza tym komórka zawiera białka aktywne, których cząsteczki — rozmieszczone swobodnie w cytoplazmie bądź też luźno związane z organellami — spełniają ściśle określone czynności w procesach życiowych, nie będąc jednak „materiałem budulcowym". Przykładem tego rodzaju cząsteczek są enzymy. Przyjrzyjmy się im nieco bliżej, gdyż odgrywają olbrzymią rolę we wszystkich procesach życiowych komórki.
Enzymy katalizują reakcje chemiczne przebiegające w komórce, w związku z czym noszą również nazwę biokatalizatorów. Jak wiemy, katalizatory są to substancje zwiększające szybkość reakcji chemicznych, lecz nie występujące w produktach tych reakcji. Przykładem katalizatora może być woda w reakcji chloru z wodorem. Suchy chlor i wodór nie reagują ze sobą na świetle, natomiast mieszanina tych gazów eksploduje, gdy jest wystawiona na światło w obecności śladów wilgoci.
Dla lepszego zrozumienia roli enzymów, zanim zajmiemy się ich istotą, zapoznajmy się z kilkoma przykładami. Od niepamiętnych czasów ludzie korzystają z usług prostych organizmów jednokomórkowych — drożdży, które powodują fermentację cukru. Powstający w wyniku przemiany cukru w komórkach drożdży dwutlenek węgla jest wykorzystywany do rozrostu ciasta przy wypieku chleba, alkohol zaś do produkcji napojów alkoholowych. Gdybyśmy zamierzali zamienić cukier w alkohol bez pomocy drożdży, udałoby się to nam wprawdzie, ale z wielką trudnością i w drodze skomplikowanych przemian chemicznych. W jaki więc sposób komórki drożdży mogą produkować alkohol z cukru z taką łatwością? Początkowo uważano, że właściwości te mają jedynie komórki żywe i utożsamiano to z ich aktywnością życiową, nie wnikając w mechanizm zjawiska. Później natomiast udowodniono, że sok wyciśnięty z żywych komórek drożdży, wolny od resztek komórkowych, przeprowadza fermentację cukru tak samo jak komórki żywe. Stwierdzono, że w soku tym zawarte są,substancje, dzięki którym zachodzi szereg przemian chemicznych, powodujących w końcowym wyniku przemianę cukru w alkohol. Substancje te nazwano właśnie enzymami.
Enzymy odgrywają bardzo ważną rolę w życiu organizmów. Aby pokarm znajdujący się w przewodzie pokarmowym mógł ulec wchłonięciu, musi przedtem zostać rozłożony przez odpowiednie enzymy. W żołądku np. znajduje się pepsyna, rozbijająca złożone cząsteczki białka. Trzustka zaś wydziela do przewodu jelita trypsynę oraz chymotrypsynę, które również katalizują proces rozkładania cząsteczek pożywienia.
Jak stąd widzimy, do przebiegu prawie każdego etapu reakcji chemicznej w organizmie konieczny jest odpowiedni enzym. Komórki wyposażone są więc w różne rodzaje enzymów, dzięki czemu są w stanie przeprowadzać niekiedy ogromną ilość najrozmaitszych reakcji chemicznych.
Szybkość reakcji katalizowanych przez enzymy jest olbrzymia. Jedna cząsteczka obecnego w niektórych komórkach enzymu katalazy, rozkładającego nadtlenek wodoru H2O2, może rozłożyć 2 miliony cząsteczek H2O2 w ciągu jednej minuty.
Enzymy odznaczają się wysoką swoistością. Oznacza to, że określona reakcja chemiczna może być katalizowana tylko przez specyficzny enzym, który nie jest w stanie wpływać na przebieg innych reakcji. Mechanizmu działania wielu enzymów nie udało się dotąd poznać dokładnie. Stwierdzono jedynie, że pierwszy etap reakcji polega na zespoleniu enzymu z substancją podlegającą przemianie. Zespolenie to musi być bardzo dokładne, o czym świadczy wysoka swoistość enzymów. Prawdopodobnie wówczas, w momencie zespolenia, istnieją sprzyjające warunki przestrzenne, by określona reakcja chemiczna mogła zajść. Poniższy schemat przedstawia właśnie — zgodnie z naszymi wyobrażeniami — mechanizm tworzenia się złożonej cząsteczki z dwóch prostszych przy udziale enzymu.
Jak wyobrażamy sobie mechanizm działania enzymu. W danym przypadku reakcja syntezy, tj. powstania cząsteczki produktu w wyniku połączenia się dwóch cząsteczek substratów, zachodzi na powierzchni enzymu. W pierwszym etapie następuje powstanie kompleksu enzymu i substratów , dzięki czemu istnieją możliwości i warunki przestrzenne na powstanie wiązania chemicznego pomiędzy cząsteczkami substratów. Powstały produkt opuszcza enzym, a ten ostatni staje się znów zdolny do następnej reakcji
Owe dwie cząsteczki — substraty reakcji (wchodzące do reakcji) umiejscawiają się na powierzchni cząsteczki enzymu dzięki jej charakterystycznemu kształtowi. Umożliwia to tworzenie się wiązań chemicznych pomiędzy nimi, w wyniku czego powstaje cząsteczka złożona — produkt reakcji, która natychmiast uwalnia się z powierzchni enzymu.
Skoro już zapoznaliśmy się pobieżnie z najistotniejszymi cząsteczkami wchodzącymi w skład żywej komórki i warunkującymi zachodzenie licznych procesów fizyko-chemicznych, obejmowanych ogólną nazwą „życia", wróćmy do naszych rozważań o budowie komórki, opartych o jej obrazy w mikroskopie elektronowym. Procesami, w których cząsteczki te odgrywają tak istotną rolę, zajmiemy się natomiast w rozdziałach następnych.