Moderní experimentální studie prokázaly, že buňka je nejsložitější strukturní a funkční jednotkou téměř všech živých organismů, s výjimkou virů, které jsou nebuněčnými formami života. Cytologie studuje strukturu a také vitální aktivitu buňky: dýchání, výživu, reprodukci, růst. Tyto procesy budou zvažovány v tomto dokumentu.
Struktura buňky
Pomocí světelného a elektronového mikroskopu biologové zjistili, že rostlinné a živočišné buňky obsahují povrchový aparát (supramembránové a submembránové komplexy), cytoplazmu a organely. V živočišných buňkách je nad membránou umístěna glykokalyxa, která obsahuje enzymy a zajišťuje výživu buňce mimo cytoplazmu. U rostlinných buněk, prokaryot (bakterií a sinic), ale i hub se nad membránou tvoří buněčná stěna, která se skládá z celulózy, ligninu nebo mureinu.
Jádro je základní organelaeukaryota. Obsahuje dědičný materiál – DNA, která vypadá jako chromozomy. Bakterie a sinice obsahují nukleoid, který funguje jako nosič deoxyribonukleové kyseliny. Všechny plní přísně specifické funkce, které určují metabolické buněčné procesy.
Co rozumíme buněčnou výživou
Životně důležité projevy buňky nejsou nic jiného než přenos energie a její přeměna z jedné formy do druhé (podle prvního zákona termodynamiky). Energie nacházející se v živinách v latentním, tedy vázaném stavu, přechází do molekul ATP. Na otázku, co je buněčná výživa v biologii, existuje odpověď, která zohledňuje následující postuláty:
- Buňka jako otevřený biosystém vyžaduje neustálý přísun energie z vnějšího prostředí.
- Organické látky potřebné pro výživu může buňka získat dvěma způsoby:
a) z mezibuněčného média, ve formě hotových sloučenin;
b) nezávisle syntetizující bílkoviny, sacharidy a tuky z oxidu uhličitého, čpavku atd.
Všechny organismy se proto dělí na heterotrofní a autotrofní, jejichž metabolické vlastnosti studuje biochemie.
Metabolismus a energie
Organické látky vstupující do buňky podléhají štěpení, v důsledku čehož se uvolňuje energie ve formě molekul ATP nebo NADP-H2. Celý soubor asimilačních a disimilačních reakcí je metabolismus. Níže budeme uvažovat o fázích energetického metabolismu, které poskytují výživu pro heterotrofní buňky. Nejprve bílkoviny, sacharidy a lipidyse rozkládají na své monomery: aminokyseliny, glukózu, glycerol a mastné kyseliny. Poté během bezkyslíkového trávení podléhají dalšímu rozkladu (anaerobnímu rozkladu).
Tímto způsobem jsou krmeni intracelulární parazité: rickettsie, chlamydie a patogenní bakterie, jako je klostridium. Jednobuněčné kvasinkové houby rozkládají glukózu na etylalkohol, bakterie mléčného kvašení na kyselinu mléčnou. Glykolýza, alkohol, máselná a mléčná fermentace jsou příklady buněčné výživy v důsledku anaerobního trávení v heterotrofech.
Autotrofie a rysy metabolických procesů
Pro organismy žijící na Zemi je hlavním zdrojem energie Slunce. Díky němu jsou uspokojeny potřeby obyvatel naší planety. Některé z nich syntetizují živiny díky světelné energii, nazývají se fototrofy. Ostatní – pomocí energie redoxních reakcí se jim říká chemotrofy. U jednobuněčných řas se výživa buňky, jejíž fotografie je uvedena níže, provádí fotosynteticky.
Zelené rostliny obsahují chlorofyl, který je součástí chloroplastů. Hraje roli antény, která zachycuje světelná kvanta. Ve světlé a tmavé fázi fotosyntézy dochází k enzymatickým reakcím (Calvinův cyklus), jejichž výsledkem je vznik všech organických látek sloužících k výživě z oxidu uhličitého. Tedy buňka, která je vyživovánadíky využití světelné energie se nazývá autotrofní nebo fototrofní.
Jednobuněčné organismy, zvané chemosyntetika, využívají energii uvolněnou v důsledku chemických reakcí k tvorbě organických látek, například bakterie železa oxidují železité sloučeniny na železité železo a uvolněná energie jde na syntézu glukózy molekuly.
Fotosyntetické organismy tedy zachycují světelnou energii a přeměňují ji na energii kovalentních vazeb mono- a polysacharidů. Poté se podél článků potravních řetězců přenáší energie do buněk heterotrofních organismů. Jinými slovy, díky fotosyntéze existují všechny strukturální prvky biosféry. Dá se říci, že buňka, jejíž výživa probíhá autotrofním způsobem, „živí“nejen sebe, ale i vše živé na planetě Zemi.
Jak jedí heterotrofní organismy
Buňka, jejíž výživa závisí na příjmu organických látek z vnějšího prostředí, se nazývá heterotrofní. Organismy, jako jsou houby, zvířata, lidé a parazitické bakterie rozkládají sacharidy, bílkoviny a tuky pomocí trávicích enzymů.
Poté jsou výsledné monomery absorbovány buňkou a použity k výstavbě jejich organel a života. Rozpuštěné živiny vstupují do buňky pinocytózou, zatímco pevné částice potravy vstupují do buňky fagocytózou. Heterotrofní organismy lze rozdělit na saprotrofy a parazity. Ti první (například půdní bakterie, houby, nějaký hmyz) se živí odumřelou organickou hmotou, ti druzí (patogenní bakterie, helminti, parazitické houby) se živí buňkami a tkáněmi živých organismů.
Mixotrofy, jejich rozšíření v přírodě
Smíšený typ výživy je v přírodě poměrně vzácný a je formou adaptace (idioadaptace) na různé faktory prostředí. Hlavní podmínkou mixotrofie je přítomnost v buňce jak organel obsahujících chlorofyl pro fotosyntézu, tak systému enzymů, které rozkládají hotové živiny pocházející z prostředí. Například jednobuněčný živočich Euglena green obsahuje v hyaloplazmě chromatofory s chlorofylem.
Když je nádrž, ve které euglena žije, dobře osvětlená, živí se jako rostlina, tedy autotrofně, prostřednictvím fotosyntézy. V důsledku toho se glukóza syntetizuje z oxidu uhličitého, který buňka využívá jako potravu. Euglena se v noci živí heterotrofně, rozkládá organickou hmotu pomocí enzymů umístěných v trávicích vakuolách. Vědci tedy považují mixotrofní výživu buňky za důkaz jednoty původu rostlin a živočichů.
Růst buněk a jeho vztah k trofismu
Zvětšení délky, hmoty, objemu jak celého organismu, tak jeho jednotlivých orgánů a tkání se nazývá růst. Bez neustálého přísunu živin do buněk, které slouží jako stavební materiál, to nejde. Získat odpověď na otázku, jak roste buňka, jejíž výživaprobíhá autotrofně, je nutné ujasnit, zda se jedná o samostatný organismus nebo zda je součástí mnohobuněčného jedince jako stavební jednotky. V prvním případě bude růst probíhat během interfáze buněčného cyklu. Intenzivně v něm probíhají procesy výměny plastů. Výživa heterotrofních organismů koreluje s přítomností potravy pocházející z vnějšího prostředí. Růst mnohobuněčného organismu nastává díky aktivaci biosyntézy ve vzdělávacích tkáních a také díky převaze anabolických reakcí nad procesy katabolismu.
Role kyslíku ve výživě heterotrofních buněk
Aerobní organismy: Některé bakterie, houby, zvířata a lidé využívají kyslík k úplnému rozkladu živin, jako je glukóza, na oxid uhličitý a vodu (Krebsův cyklus). Vyskytuje se v matrix mitochondrií obsahující enzymatický systém H + -ATP-áza, který syntetizuje molekuly ATP z ADP. V prokaryotických organismech, jako jsou aerobní bakterie a sinice, dochází ke kroku disimilace kyslíku na plazmatické membráně buněk.
Specifická výživa gamet
Buněčnou výživu lze v molekulární biologii a cytologii stručně popsat jako proces vstupu živin do ní, jejich štěpení a syntézy určité části energie ve formě molekul ATP. Trofismus gamet: vajíčka a spermie má některé rysy spojené s vysokou specifitou jejich funkcí. To platí zejména o ženské zárodečné buňce, která je nucena akumulovat velké zásoby živin, především ve forměžloutek.
Po oplodnění je použije k rozdrcení a vytvoření embrya. Spermie v procesu zrání (spermatogeneze) přijímají organické látky ze Sertoliho buněk umístěných v semenotvorných tubulech. Oba typy gamet tedy mají vysokou úroveň metabolismu, což je možné díky aktivnímu buněčnému trofismu.
Role minerální výživy
Metabolické procesy jsou nemožné bez přílivu kationtů a aniontů, které jsou součástí minerálních solí. Například ionty hořčíku jsou nezbytné pro fotosyntézu, ionty draslíku a vápníku jsou nezbytné pro fungování mitochondriálních enzymových systémů a přítomnost sodných iontů, stejně jako uhličitanových aniontů, je nezbytná pro udržení pufračních vlastností hyaloplazmy. Roztoky minerálních solí vstupují do buňky pinocytózou nebo difúzí přes buněčnou membránu. Minerální výživa je vlastní autotrofním i heterotrofním buňkám.
Shrneme-li to, jsme přesvědčeni, že význam výživy buněk je opravdu velký, neboť tento proces vede u autotrofních organismů k tvorbě stavebního materiálu (sacharidů, bílkovin a tuků) z oxidu uhličitého. Heterotrofní buňky se živí organickými látkami vzniklými v důsledku životně důležité aktivity autotrofů. Přijatou energii využívají k rozmnožování, růstu, pohybu a dalším životním procesům.
