Odkrycie komórki i historia poglądów na jej temat

  Żywa komórka jest podstawową jednostką budowy wszystkich żywych organizmów. Komórki (a faktycznie pozostałości komórek) zostały zaobserwowane po raz pierwszy w 1665 r. przez angielskiego wynalazcę Roberta Hooke’a, dzięki zastosowaniu prymitywnego mikroskopu. Wprowadził on pojęcie komórka, opisując podobną do plastra pszczelego strukturę korka i innych tkanek roślinnych.             

W roku 1839 nastąpiło inne ważne wydarzenie. Zoolog Theodor Schwann odkrył komórkę zwierzęcą. Zaczęto wówczas prowadzić liczne badania porównawcze, doszukiwać się wspólnych praw rządzących światem roślinnym i zwierzęcym oraz wiązać liczne zjawiska fizjologiczne z czynnościa różnych komórek. Po opublikowaniu niezależnie wykonanych prac przez dwu niemieckich biologów Matthiasa Jakoba Schleidena i Theodora Schwanna stwierdzenie, że wszystkie rośliny i zwierzęta zbudowane są z komórek zostało ostatecznie, powszechnie przyjęte i mocno ugruntowanie jako teoria komórkowa, która udoskonalona dziś stanowi kamień węgielny wszystkich nauk biologicznych.

Odkrycie komórki spowodowało istną rewolucję w biologii, zwłaszcza gdy stwierdzono, że we wszystkich komórkach, bez względu na pochodzenie, można dopatrzyć się wielu cech wspólnych. Wielu fizjologów zaczęło uznawać komórkę za samodzielny, elementarny organizm. Powstało zagadnienie pochodzenia komórki. Rudolf Virchow, profesor anatomii patologicznej w Berlinie, ujął je dość kategorycznie i lapidarnie: omnis cellula e cellula - każda komórka pochodzi z komórki. Początkowo uważano, że komórka jest strukturą złożoną tylko z zewnętrznej błony otaczającej galaretowatą substancję zwaną cytoplazmą i występującego w środku jądra (odkrytego przez anglika Roberta Brown’a). Z czasem okazało się, że ta na pozór prosta struktura jest bardzo zróżnicowana i wyposażona w organelle umożliwiające przebieg różnorodnych procesów życiowych. Z pomocą mikroskopu elektronowego udało się rozróżnić pierwsze, części składowe tego układu na poziomie molekularnym.

Wkrótce badania biologów zbiegły się z badaniami biochemików, którzy w przeciwieństwie do biologów, w sposób bezceremonialny naruszają delikatną strukturę komórki. Zaczęto badać organelle komórkowe, fragmenty błon, strukturę cytoplazmy (wodnego roztworu różnych związków), a zwłaszcza białek występujących w komórce. Zaczęto badać również tkanki. W tych badaniach pomocą służyła chemia, szczególnie chemia organiczna. Stwierdzono, że pewne barwniki z różną intensywnością barwią skrawki tkanek różnego pochodzenia, różne barwią też poszczególne fragmenty komórki i jej organelle. Niektóre z organelli dają z odczynnikami chemicznymi charakterystyczne reakcje. Zebrany w ten sposób materiał doświadczalny analizowano  oraz badano jego aktywność chemiczną; dzięki temu udało się prześledzić drogi, po których toczą się podstawowe procesy życiowe, jak również sposób wytwarzania własnego budulca komórki.

Robert Hooke był także jednym z pierwszych badaczy, którzy zapoczątkowali rozważania ilościowe dotyczące komórkowej budowy tkanek. Doliczył  się on bezpośrednio ok. 60 komórek na 1/8 cala (1 cal =  2,54 cm) korka i na tej podstawie obliczył, że jeden cal sześcienny korka musi zawierać przeszło miliard komórek.

            Komórki różnią się między sobą wielkością. Przeciętny rozmiar komórek bakterii wynosi kilka mikrometrów. Ameby mają wielkość 300 – 500 nanometrów. Średni rozmiar komórek roślinnych i zwierzęcych to kilkadziesiąt mikrometrów. Gigantem wśród komórek zwierzęcych jest jajo strusia o średnicy 25-30 cm. Długość jednej z największych komórek w świecie roślin – włókna szczmiela białego, inaczej rami (indyjskiej rośliny wykorzystywanej w  przemyśle włókienniczym) – może dochodzić do 50 cm. Największymi komórkami człowieka są komórki jajowe o  wielkości 150 nanometrów oraz neurony, których długość może wynosić nawet kilkanaście centymetrów. Natomiast rozmiary najmniejszej istniejącej komórki wynoszą 0,125 mikrona.

Komórki mają również bardzo zróżnicowane kształty, zależne od pełnionych przez nie funkcji w organizmie. Najbardziej pierwotną postacią jest kula. Im bardziej złożony organizm, tym większa różnorodność form komórek.

Dziś możemy się jedynie domyślać jak naprawdę wyglądał Robert Hooke (1635-1703).         

Z powodu konfliktu jaki zaistniał pomiędzy nim, a Isaackiem Newtonem, po śmierci Hooka, Newton zniszczył jedyny jego portret oraz większość instrumentów które wynalazł i wykonał. Nie ma jednak wątpliwości co do jego osiągnięć. Był nie tylko biologiem, ale też fizykiem, meteorologiem, astronomem, paleontologiem, mechanikiem oraz architektem, chociaż przerwał studia nie uzyskawszy dyplomu.    

Rysunki komórek korka opublikowane po raz pierwszy w historii przez Roberta Hooke’a  w  1665 roku.  

Schemat budowy komórki z XIX w.

Błona biologiczna i badania nad nią prowadzone

  Składniki atomu, najmniejszej części pierwiastka zachowującej jego chemiczne właściwości, wiążą siły elektryczne. Składniki komórki, najmniejszego układu biologicznego zdolnego do samodzielnego życia, przed rozpadem (śmiercią) chroni błona komórkowa, która stanowi mechaniczną, selektywną barierę oddzielającą wnętrze komórki od otoczenia. 

Termin błona komórkowa wprowadzony został w 1855 roku przez Carla Nageliego jako wniosek z obserwacji różnic w przenikaniu barwników do nieuszkodzonych i uszkodzonych komórek roślinnych. Inne doświadczenia, które Naggelli przeprowadzał wspólnie z Cramerem, wykazały wrażliwość osmotyczną komórek, to znaczy, zdolność  do zmian objętości w zależności od różnicy stężeń substancji pomiędzy ich wnętrzem i otaczającym środowiskiem. Nageli sugerował, że przyczyną właściwości osmotycznych komórek jest ograniczająca je błona. W roku 1897 niemiecki botanik Wilhelm Pfeffer opublikował pracę, w której sformułował dwa wnioski: komórkę otacza błona, błona stanowi uniwersalną barierę dla przenikania wody i substancji w niej rozpuszczonych.

Dalsze badania wykazały, że szybkość przenikania przez błonę w znacznej mierze zależy od rodzaju substancji. W 1897 roku Charles Overton stwierdził, że cząsteczki polarne znacznie wolniej przenikają do wnętrza komórki aniżeli cząsteczki niepolarne. Na tej podstawie wysnuł on wniosek,  że błona komórkowa zbudowana jest z lipidów. Gorter i Grendel (1925) podsumowując wyniki badań dotyczących zawartości lipidów w erytrocytach wyrazili pogląd, że błona składa się z dwuwarstwy lipidowej.

Następnym krokiem w tworzeniu obrazu błony komórkowej był model Daniellego – Davsona (1935). Według tego modelu błona,  składa się z podwójnej warstwy drobin tłuszczowych pokrytych dwiema warstwami białka. Drobiny lipidowe są zorientowane równolegle do siebie i pod kątem prostym do płaszczyzny błony. Nie naładowane, czyli niepolarne końce cząsteczek lipidów są kierowane do siebie, a grupy naładowane, czyli polarne, skierowane są na powierzchnię błony. Na polarnych końcach skupione są warstwy   białka składające się z łańcuchów białkowych tworzących siatkę na zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni błony i przez to wyposażające błonę w pewien stopień elastyczności i odporności mechanicznej. Białka dzięki swojemu położeniu w błonie nadają jej  również niskie napięcie powierzchniowe.  Model ten zdobył dużą popularność i z niewielkimi zmianami przetrwał do lat sześćdziesiątych.

Rozwój nowych technik badawczych, takich jak: mikroskopia elektronowa, rentgenografia, EPR, NMR, i inne, znacznie wzbogacił wiedzę na temat budowy błon i doprowadził do weryfikacji modelu Daniellego – Davsona. W pracy Singera – Nicolsona (1972) przedstawiony został (obowiązujący do dzisiaj) dynamiczny model błony zwany modelem płynnej mozaiki. Zgodnie z tym modelem białka znajdują się nie tylko na powierzchni dwuwarstwy lipidowej, ale mogą przenikać ją na wskroś (białka integralne) a cała struktura błony, a w szczególności dwuwarstwa lipidowa, charakteryzuje się stosunkowo dużą ruchliwością „(płynnością).

Obecnie uważa się, że dwuwarstwa lipidowa stanowi rdzeń strukturalny wszystkich błon biologicznych. Dlatego też od wielu już lat dwuwarstwa ta jest przedmiotem szczególnie intensywnych badań mających na celu wyjaśnienie roli jaką pełni ona w procesach transportu substancji niezbędnych dla prawidłowego metabolizmu komórek, oraz w procesach stymulujących aktywność enzymatyczną białek błonowych.