Život na naší planetě existuje pouze v buňkách. Baktérie jsou samostatně žijící primitivní buňky. Vyšší organismy jsou sestaveny ze skupin složitě vystavěných buněk. Skupiny buněk mohou zajišťovat určitou speciální funkci. Viry nejsou samostatné buňky, chybí jim podstatné buněčné funkce a mohou se proto rozmnožovat jen v buňkách. Tato kapitola se bude zabývat morfologií buněk, tedy něčím, co biochemik obvykle likviduje na samém počátku svého bádání.

Znalosti struktury buněk byly získány optickým a elektronovým mikroskopem, s použitím techniky velmi tenkých řezů. Optická mikroskopie má ve srovnání s mikroskopií elektronovou dvě podstatné přednosti:

První předností je, že optická mikroskopie může být použita při studiu živé buňky a tím i při studiu životních procesů.

Druhou předností je, že optická mikroskopie umožňuje pozorování v barevném spektru. Její modifikace využívají i ostatních vlastností světelných paprsků. Patří sem metoda používající ultrafialové paprsky, zejména fluorescentního mikroskopu, mikrospektrofotometr, mikroskop s fázovým kontrastem a polarizační mikroskop. Podle různých molekulárních vlastností získáváme obrazy s různou absorpcí světla v závislosti na různých vlnových délkách.

Pokud upustíme od pozorování živých buněk, můžeme usmrcené (fixované) buňky barvit a tím odlišit jednotlivé buněčné struktury. Používáme při tom celé řady barviv, která se specificky vážou na určité látky podle toho, zda jsou zásadité nebo kyselé povahy a zda lnou k vodě (hydrofilní) nebo k tukům (lipofilní). Takovým barvením bylo získáno mnoho informací o lokalizaci různých látek v buňce. Proto ani v molekulární biologii optická mikroskopie neztrácí svůj význam.

Elektronový mikroskop má nesmírně velkou strukturálně rozlišovací schopnost, ale z technických důvodů jím nelze pozorovat živé objekty. Technika ultratenkých řezů přináší značné obtíže. Chceme pozorovat trojrozměrné objekty, ale máme k dispozici jen tenký průřez. Usuzovat na prostorovou strukturu buňky z tenkých řezů je složité. Dvě rovnoběžné linie mohou vzniknout stejně průřezem válcovitého útvaru jako průřezem dvou rovnoběžných membrán. Těsné sousedství dvou útvarů může být zcela náhodné a přestane se jako sousedství jevit při nepatrném posunu pozorování nad nebo pod původní úrovní řezu. Jestliže v tenkém řezu pozorujeme dvě do sebe zapadající oddělené části, pak může jít o průřezy dvou oddělených dutých těles, ale také může jít o průřez jedním dutým tělesem, které má tvar stočené klobásy.

Jediný mikroskopický řez tedy nemůže o trojrozměrné struktuře téměř nic vypovídat. Teprve kombinace mnoha řezů a zkušenost pracovníka s elektronovým mikroskopem při práci se studovanými objekty dává určitý základ pro dosažení platných závěrů.

Popíšeme nejprve jednoduchou buňku baktérie Escherichia coli. Buňka má tvar tyčinky. Všechny součásti buňky jsou uzavřeny v buněčném prostoru, který obsahuje protoplasmu. Uprostřed buňky je stočené klubko tyčinkovitého tvaru, tvořené dědičnou látkou - kyselinou DNA. Dědičná látka je obklopena cytoplasmou, která obsahuje zrnka ribosomů. Ribosomy jsou buněčné organely, v nichž probíhá syntéza bílkovin. Celá buňka je kromě organel vyplněna rozpuštěnými molekulami bílkovin a nukleových kyselin a různými nízkomolekulárními látkami. Buněčná membrána obsahuje proteiny a lipoidní látky, které kontrolují prostup rozpuštěných malých molekul z vnějšího prostředí. Na buněčnou membránu nasedá z vnějšku buněčná stěna. Pevná část buněčné stěny je složena z molekul glycidů a aminokyselin, které jsou při růstu buňky neustále vestavovány. Na této základní vrstvě jsou další vrstvy, které se odlišují podle druhu baktérií. Celá buněčná stěna chrání buňku před vnějším prostředím, ale není bezpodmínečně nutná k životu. Určitým chemickým působením lze buněčnou stěnu opatrně odstranit, aniž se tím naruší membrána buňky. Buňka je schopna přežít, pokud je obklopena živným médiem. E.coli na buněčné stěně obsahuje bičíky, které slouží k pohybu. Bičíky jsou složeny ze stejných kulových proteinů, ale mechanismus pohybu bičíků není znám.

Nyní se zaměříme na vyšší živočišnou buňku. Budeme uvažovat ideální buňku, která obsahuje všechny buněčné organely. Typická živočišná buňka je nejen mnohem větší než baktérie (průměr je desetkrát větší, prostorový objem asi tisíckrát větší), ale je tak komplexně vystavěna, že pouhý morfologický popis by zaplnil celou knihu. Vyšší buňky jsou rozčleněny membránovým systémem v množství labyrintových prostorů. Membránové struktury jsou vzájemně prostoupeny a jejich dutiny jsou vzájemně propojeny. Specializované membránové útvary, které jsou uloženy v základní hmotě cytoplasmy, se nazývají organely. Přitom i sama výstavba membrány je překvapivě jednotná jak u různých organismů, tak u různých buněčných typů. V tomto smyslu se hovoří o "jednotkové membráně" (angl. "unit membrane"), což značí, že jde o určitý typ normované stavební části v buněčné architektuře. V průřezu má jednotková membrána tři vrstvy. Střední vrstva je složena z lipidů. Vnější a vnitřní vrstva jsou vystavěny z bílkovinných molekul.

Centrální organelou vyšší buňky je jádro (nucleus), které má většinou kulový tvar. V něm uložená dědičná látka DNA tvoří spolu s bílkovinnými látkami vláknité útvary, chromosomy. Zvláštní oblastí v jádře je jadérko (nucleolus), které většinou chybí. Jadérko obsahuje makromolekuly, které slouží pro výstavbu ribosomů. Celé jádro je obklopeno dvojitou vrstvou jednotkové membrány, v níž jsou póry. Detailnější pozorování ukázalo, že vnější vrstva jaderné membrány je vlastně speciální částí membránového systému, který prostupuje celou cytoplasmou. Tento membránový systém se označuje jako endoplasmatické retikulum. Z mnoha sérií mikroskopických řezů se ukázalo, že endoplasmatické retikulum je labyrint kanálů a chodeb, které jsou všechny navzájem propojeny. Ikdyž se zdá, že trojvrstevná jemná stavba membrány je sama o sobě symetrická, lze na základě její funkce a prostorového rozčlenění buňky rozlišit na kterémkoliv místě "vnější stranu" a "vnitřní stranu". Při povrchním pozorování se zdá přirozené označit membránovou plochu, která směřuje do dutin, jako "vnitřní". Avšak z hlediska celé buňky patří tyto dutiny právě okolnímu vnějšímu prostředí buňky. V elektronovém mikroskopu lze obě strany odlišit. Vnitřní strana obsahuje ribosomy, zatímco vnější strana je neobsahuje a je hladká. Cytoplasmatický prostor je póry přímo spojen s vnitřkem jádra, zatímco dutiny jsou ve spojení se štěrbinou mezi dvěma jadernými membránami. Pokud sledujeme tento propojený membránový systém k povrchu, rozpoznáme že hladká strana membrány (bez ribosomů) přechází ve vnější buněčnou membránu.

Kromě jádra jsou v živočišných buňkách nápadné především mitochondrie. Jejich tvar je oválný a je opět tvořen dvojitou vrstvou jednotkové membrány. Vnější strana je však hladká a naprosto uzavřená (na rozdíl od membrán jádra). Vnitřní strana má mnoho laloků do nitra organely. Před několika lety bylo zjištěno, že mezi těmito laloky lze nalézt jemné předivo DNA, čímž byl vyvrácen dřívější názor, že DNA je obsažena výlučně v jádře buňky. Úlohou mitochondrií je metabolismus již rozložených látek kyslíkem (např. glykolýza jako metabolismus glycidů), přičemž se vytváří sloučenina adenosintrifosfát (ATP), která je nositelem energie - viz příloha 7.

V elektron-optických řezech se setkáváme často s organelou skládající se z několika zploštělých váčků. Tato organela se nazývá diktyosom. V buňce je několik diktyosomů a celek se nazývá podle svého objevitele Golgiho aparát. Diktyosomy jsou speciální součástí endoplasmatického retikula. Funkce Golgiho aparátu není zcela jasná. Mnoho diktyosomů se vyskytuje ve žlázových buňkách a zdá se, že vesikly, které se odlučují od těchto váčků, slouží k dopravě sekretu k buněčnému povrchu.

Živočišné buňky obsahují ještě některé další organely, ale jejich molekulární biologie je v začátcích.

Na závěr popisu buněk si povšimneme rostlinných buněk. Zelené rostliny tvoří zdaleka největší část živého materiálu na planetě Zemi. Při popisu rostlinné buňky se omezíme na odlišnosti od živočišných buněk. Základní výstavba cytoplasmy, buněčného jádra s chromosomy a mitochondriemi nevykazuje žádné zásadní rozdíly mezi živočichy a rostlinami. Dospělá rostlinná buňka obsahuje většinou ve středu rozsáhlý prostor vyplněný roztokem solí, barviv a určitých produktů vyměšování, jako jsou organické kyseliny. Vlastní živá protoplasma obklopuje tento prostor, takže se zdá, jako by organely buňky naléhaly na vnější stěnu buňky. Významnou organelou zelené rostlinné buňky je chloroplast. U vyšších rostlin je v každé buňce několik chloroplastů. Chloroplasty jsou nositeli zeleného barviva chlorofylu - viz příloha 6.

V elektron-optickém řezu se chloroplast jeví jako útvar dvojitých membrán, které jsou uspořádány jako listy v knize. Mezi membránami, které prostupují celým chloroplastem, jsou vždy přesně nad sebou uloženy kulaté zelené disky, v nichž je soustředěn chlorofyl. Právě tak jako v mitochondriích byla i v chloroplastech nalezena DNA. Funkcí chloroplastů je zachycovat sluneční světlo a světelnou energii přeměňovat na chemickou energii složitými procesy.

Rostlinná buňka se od živočišné buňky odlišuje také pevnou buněčnou stěnou, která obsahuje polysacharid celulosu - viz příloha 3. Stavební složkou makromolekuly celulosy je molekula glukosy. Jako součást dřeva je celulosa přírodní produkt, který se vyskytuje v obrovském množství. Kyselou hydrolýzou lze z celulosy štěpením makromolekuly získat glukosu. Celulosa a glukosa ukazují, jak rozdílné mohou být chemické vlastnosti makromolekul a molekul, z nichž jsou tyto makromolekuly složeny.

Dělení buněk se jeví morfologicky jako jednoduchý proces. Při dělení buňky se však musí vytvořit dvě buněčná jádra s úplnou výbavou dědičné látky. Endoplasmatické retikulum se musí přetvořit na dva oddělené membránové systémy. Organely, především mitochondrie a chloroplasty u rostlinných buněk se musí rovnoměrně rozdělit a rozmnožit. Vnější membrána a u rostlinných buněk buněčná stěna se musí při dělení doplnit.

Budeme se zabývat normálním dělení buněk, mitosou, která neustále probíhá při růstu vyššího organismu. Přípravy k mitose začínají v buněčném jádře. Jadérko zmizí a předivo chromosomových vláken se pozvolna spiralizací zhušťuje. Za optimálních podmínek lze tento jev pozorovat ve světelném mikroskopu a její prostorová velikost leží o mnoho řádů výše než stálá spiralizace dědičné látky. Po tomto zhuštění se chromosomy jeví jako jednotlivá tělíska. V této podobě se mnohé chromosomy podobají nalomené tyčince. Počet chromosomů v jádře kterékoliv somatické buňky určitého organismu je stálý a pro daný živočišný nebo rostlinný druh charakteristický. Houba Neurospora má 7, octomilka Drosophila 8 a člověk 46 chromosomů. U vyšších rostlin a u všech živočichů je nápadné, že se chromosomy mohou seskupovat do párů. Tyto organismy mají vždy sudý počet chromosomů, zatímco houba Neurospora nebo nižší rostliny jako jsou řasy mají lichý počet chromosomů. U člověka a Drosophily je však pouze u ženského pohlaví tvorba párů dokonalá, protože vždy dva chromosomy mají týž tvar. U mužského pohlaví zbývá jeden lichý pár a tento rozdíl určuje pohlaví. Po rozpuštění buněčné stěny se v průběhu dalšího buněčného dělení chromosomy řadí ve středu buňky v rovníkové rovině. Současně se objeví nová buněčná struktura, kterou je dělící vřeténko. Bílkovinné makromolekuly, které již byly v cytoplasmě přítomny, utvoří paprsky vycházející od obou pólů buňky jako siločáry magnetického pole. V polarizačním mikroskopu lze pozorovat paralelní orientaci bílkovinných makromolekul, jež tvoří vlákna v dělícím vřeténku. Hvězdicová figura chromosomů v rovníkové rovině je protínána vlákny dělícího vřeténka. Tyto paprsky tlačí na určitá místa v chromosomech, naznačená předem jakoby podélným řezem, a v těchto místech se chromosomy rozdělí na dvě části. Dceřinné chromosomy odputují v opačném směru k pólům buňky. Pro molekulární biologii je tento mechanismus štěpení a rozestupování chromosomů stále záhadou. Nevíme, zda při dělení dochází k nové výstavbě vláken vřeténka nebo zda tato vlákna slouží pouze k dopravě a skutečný pohyb je vykonáván dosud neznámými částicemi buňky. Orientace dělícího vřeténka určuje směr buněčného dělení. Když se části chromosomů dostatečně rozestoupí, obnoví se původní struktura jádra. Vytvoří se nová buněčná membrána, zhuštěné chromosomy se opět přenesou do jemného přediva a opět se objeví jadérko. Když se buněčný materiál prostorově rozmístí, buněčná membrána se zaškrtí a cytoplasma se rozdělí na dvě dceřinné buňky. Hmota chromosomů se nyní v obou dceřinných buňkách musí zdvojnásobit. Biochemicky lze prokázat, že dojde k nárazovému zdvojení obsahu buněčné DNA. Přitom se zdvojnásobí vláknitá struktura chromosomů, takže při následujícím dělení buněk je možné jejich podélné štěpení. Kromě toho se musí obnovit původní množství cytoplasmatických organel. Předpokládá se, že nové membrány vznikají v Golgiho aparátu. Průběžně se budují také ribosomy, přičemž jadérko představuje transportní místo ribosomálních prekursorů. U rostlin slouží vesikly putující od diktyosomů zřejmě k tomu, aby dopravily polysacharidy pro základ nové buněčné stěny, která vzniká v předělové rovině mezi budoucími dceřinnými buňkami.

Mitochondrie a chloroplasty zaujímají zvláštní postavení mezi buněčnými organelami, protože vznikají jen ze sebe samých, a to rozdělením na dvě části, což připomíná dělení baktérií. To přivedlo některé badatele na myšlenku, že tyto organely jsou snad původně samostatné živé organismy podobné baktériím, které byly později "včleněny" do vyšších buněk a v průběhu evolučního vývoje degenerovaly na součást buňky. Molekulární biologie pro tuto hypotézu přinesla řadu důkazů.

Při popisu architektury a dělení buněk jsme se zatím omezili na popis pozorování, aniž bychom si kladli otázky o vzniku buněčných struktur. Molekulární biologii zajímá především to, jak dalece je struktura buněk a jejich organel určena vlastnostmi makromolekul, ze kterých je vystavěna. Molekulární biology dále zajímá, které chemické procesy podmiňují buněčné dělení. Mitotický materiál je dnes molekulární biologii dostupný, přinejmenším molekulárně biologickými vyšetřovacími metodami. Velmi nejasné je, který signál vlastně vyvolává buněčné dělení. U vyšších buněk, které mají složitou prostorovou strukturu, nevíme, jak je signál předáván různých částem buňky.

- pokračování -

(c) 1997 Intellectronics

časopis o přírodě, vědě a civilizaci