Obserwacje struktury komórek za pomocą mikroskopów elektronowych

Obserwacje struktury komórek za pomocą mikroskopów elektronowych ograniczone są dwoma czynnikami. Pierwszym z nich jest konieczność utrwalenia, czyli zabicia komórek, które zamierzamy obserwować. W mikroskopie elektronowym możemy zatem otrzymać tylko statyczne obrazy struktur komórki, podczas gdy procesy życiowe w komórkach są z natury rzeczy zjawiskami dynamicznymi z obserwacji za pomocą mikroskopów świetlnych wiemy, że struktury komórkowe mogą ulegać zmianom w trakcie swej aktywności. Drugie ograniczenie wynika z ciągle zbyt skąpej jeszcze wiedzy o działaniu utrwalaczy stosowanych w mikroskopii elektronowej na związki budujące organelle komórkowe. Obserwacje przeprowadzone za pomocą mikroskopów elektronowych wymagają przeto często weryfikacji innymi metodami. Mimo tych ograniczeń duża zdolność rozdzielcza mikroskopów elektronowych pozwalająca na otrzymywanie obrazów struktur komórkowych w dużym powiększeniu umożliwiła istotne wzbogacenie naszej wiedzy o organizacji komórek.

Cytoplazma, która w mikroskopie świetlnym wydawała się mieć względnie jednolitą strukturę, okazała się układem wielofazowym, zawierającym liczne otoczone błoną wakuole, cysterny i kanały. Organalle komórkowe, takie jak aparat Golgiego, lizosomy, mitochondria, plazmalemma lub plastydy komórek roślinnych ujawniły na zdjęciach uzyskanych za pomocą mikroskopów elektronowych swoją wysoce złożoną organizację. Odkrycia te zmniejszyły przepaść oddzielającą nasze wyobrażenia o strukturze komórek od znajomości ich funkcji i wskazały na potrzebę wyjaśnienia związków pomiędzy budową molekularną struktur komórkowych a ich funkcjami biologicznymi i reakcjami chemicznymi w nich przebiegającymi. Najważniejszym rezultatem dotychczasowych badań cytologicznych za pomocą mikroskopów elektronowych było stwierdzenie, że pomimo różnorodności morfologicznej organelli komórkowych i cytoplazmy niemal wszystkie struktury komórkowe zbudowane są z podobnych elementów o charakterze błon.

Na przełomie XIX i XX wieku Overton zbadał przenikanie różnorodnych, substancji do komórek i wykazał, że najłatwiej wnikają związki rozpuszczalne w tłuszczach, podczas gdy jony, mimo swoich małych rozmiarów (rzędu 1-3 A), wnikają do komórek bardzo powoli. Wyniki te wskazywały, że plazmalemma musi być zbudowana przynajmniej częściowo z lipidów. O tym, jak cząsteczki lipidów ustawiają się w błonie, można było sądzić na podstawie zachowania się ich na granicach faz. Na powierzchni wody drobiny lipidów orientują się z reguły w ten sposób, że ich hydrofilowe grupy są w kontakcie z wodą albo z innymi grupami hydrofilowymi, natomiast ich łańcuchy alkilowe są tak daleko, jak to tylko możliwe, odsunięte od wody. W pewnych warunkach obserwowano powstawanie z lipidów błon zbudowanych z dwu warstw ich cząsteczek. W takich błonach drobiny są zorientowane w ten sposób, że ich polarne hydrofilowe grupy leżą na powierzchni błony, a hydrofobowe łańcuchy węglowodorowe zwrócone są do wnętrza błony, prostopadle do jej powierzchni. Grubość błon zbudowanych z dwu warstw cząsteczek lipidów wynosi 45 do 65 A.

O tym, że i w plazmalemmie cząsteczki lipidów mogą być podobnie ustawione, przekonano się, gdy Gorter i Grendel w roku 1925 wyekstrahowali lipidy z błon czerwonych krwinek i obliczyli, że gdyby zbudowano z cząsteczek lipidów otrzymanych z jednego erytrocytu jednocząstkowego błonę, to miałaby ona powierzchnię dwukrotnie większą niż powierzchnia erytrocytu. Sugestie te poparły wyniki pomiarów pojemności elektrycznej błon komórkowych wskazujące, że grubość ich wynosi 50 do 100 A. Pomiary napięcia powierzchniowego mierzonego na powierzchni komórek wykazały jednak, że to nie lipidy stanowią najbardziej zewnętrzne warstwy plazmalemmy.

Cole, Harvey, Shapiro i inni w latach trzydziestych stwierdzili, że napięcie powierzchniowe wynosi 0,2-1,3 dyn/cm, a więc ma wartość zbliżoną do uzyskiwanej dla pomiarów na powierzchni warstw białek, natomiast jest ono kilkadziesiąt razy niższe niż na powierzchni lipidów. Aby wyjaśnić te wyniki, uczeni angielscy Danielli i Davson w roku 1935 założyli, że plazmalemma stanowi błonę zbudowaną z dwu warstw cząsteczek lipidów, na której powierzchni zaadsorbowane są cząsteczki białek. Schemat takiej struktury przypomina kanapkę i stąd koncepcje te znane są jako „sandwich theory”. Zostały one później potwierdzone w wielu szczegółach doświadczalnie i gdy w latach pięćdziesiątych stwierdzono w cytoplazmie i organellach komórkowych występowanie błon, których obrazy w mikroskopie elektronowym okazały się identyczne jak obrazy plazmalemmy, założono, że są one zbudowane podobnie. Przemawiały za tym i obserwacje wskazujące, że atomy ciężkie utrwalaczy stosowanych w mikroskopii elektronowej adsorbują się przede wszystkim na powierzchni cząsteczek hydrofilowych, a zatem na białkach, wielocukrach i polarnych końcach cząsteczek lipidów. Ciemne pasma występujące na zewnętrznych powierzchniach obrazów błon interpretujemy zatem jako odpowiadające warstwie białek i polarnych końców cząsteczek lipidów. Mikroskop elektronowy umożliwił bardziej szczegółowe poznanie struktury komórek i wskazał pośrednio sposób, w jaki lipidy i białka mogą być uporządkowane w błonach budujących organelle.

Podobne wpisy