Jak identifikovat buněčné struktury

Živé buňky sahají od jednobuněčných řas a bakterií, přes mnohobuněčné organismy, jako je mech a červi, až po složité rostliny a zvířata včetně lidí. Určité struktury se nacházejí ve všech živých buňkách, ale jednobuněčné organismy a buňky vyšších rostlin a zvířat se také v mnoha ohledech liší. Světelné mikroskopy mohou zvětšit buňky tak, aby bylo možné vidět větší a více definované struktury, ale transmisní elektronové mikroskopy (TEM) jsou potřebné k pozorování nejmenších buněčných struktur.

Buňky a jejich struktury jsou často těžko identifikovatelné, protože stěny jsou poměrně tenké a různé buňky mohou mít úplně odlišný vzhled. Buňky a jejich organely mají vlastnosti, které lze použít k jejich identifikaci, a pomáhá použít dostatečně vysoké zvětšení, které ukazuje tyto podrobnosti.

Například světelný mikroskop se zvětšením 300X ukáže buňky a některé podrobnosti, ale ne malé organely v buňce. K tomu je zapotřebí TEM. TEM používají elektrony k vytváření podrobných obrazů drobných struktur tím, že střílí elektrony skrz vzorek tkáně a analyzují vzory, když elektrony opouštějí druhou stranu. Obrázky z TEM jsou obvykle označeny typem buňky a zvětšením - obrázek označený „tem of human“ epiteliální buňky označené 7900X "se zvětší 7 900krát a mohou zobrazit podrobnosti buněk, jádro a další struktur. Použití světelných mikroskopů pro celé buňky a TEM pro menší funkce umožňuje spolehlivou a přesnou identifikaci i těch nepolapitelnějších buněčných struktur.

Mikrografy jsou zvětšené obrázky získané ze světelných mikroskopů a TEM. Často jsou pořizovány buněčné mikrofotografie ze vzorků tkáně a ukazují kontinuální množství buněk a vnitřních struktur, které je těžké identifikovat jednotlivě. Takové mikrofotografie obvykle ukazují mnoho čar, teček, skvrn a shluků, které tvoří buňku a její organely. K identifikaci různých částí je zapotřebí systematický přístup.

Pomáhá vědět, co odlišuje různé buněčné struktury. Samotné buňky jsou největším uzavřeným tělem na mikrofotografii, ale uvnitř buněk je mnoho různých struktur, každá s vlastní sadou identifikačních znaků. Přístup na vysoké úrovni, kde jsou identifikovány uzavřené hranice a nalezeny uzavřené tvary, pomáhá izolovat komponenty na obrázku. Pak je možné identifikovat každou samostatnou část hledáním jedinečných charakteristik.

Mezi nejobtížnější buněčné struktury, které lze správně identifikovat, patří drobné organely vázané na membránu v každé buňce. Tyto struktury jsou důležité pro buněčné funkce a většinou jde o malé vaky buněčné hmoty, jako jsou bílkoviny, enzymy, sacharidy a tuky. Všichni mají v buňce své vlastní role a představují důležitou součást studia buněk a identifikace buněčné struktury.

Ne všechny buňky mají všechny typy organel a jejich počet se velmi liší. Většina organel je tak malá, že je lze identifikovat pouze na TEM obrázcích organel. Zatímco tvar a velikost pomáhají rozlišit některé organely, je obvykle nutné vidět vnitřní strukturu, abyste si byli jisti, jaký typ organely je zobrazen. Stejně jako u ostatních buněčných struktur i u buňky jako celku usnadňují identifikaci speciální vlastnosti každé organely.

Ve srovnání s ostatními subjekty nalezenými na buněčných mikrofotografiích jsou buňky zdaleka největší, ale jejich limity je často překvapivě obtížné najít. Bakteriální buňky jsou nezávislé a mají poměrně silnou buněčnou stěnu, takže je lze obvykle snadno vidět. Všechny ostatní buňky, zejména v tkáních vyšších zvířat, mají pouze tenkou buněčnou membránu a žádnou buněčnou stěnu. Na mikrofotografiích tkáně jsou často jen slabé čáry ukazující buněčné membrány a limity každé buňky.

Buňky mají dvě vlastnosti, které usnadňují identifikaci. Všechny buňky mají spojitou buněčnou membránu, která je obklopuje, a buněčná membrána obklopuje řadu dalších drobných struktur. Jakmile je taková spojitá membrána nalezena a obklopuje mnoho dalších těles, z nichž každé má svou vlastní vnitřní strukturu, lze tuto uzavřenou oblast identifikovat jako buňku. Jakmile je identita buňky jasná, může pokračovat identifikace vnitřních struktur.

Ne všechny buňky mají jádro, ale většina z nich ve zvířecích a rostlinných tkáních ano. Jednobuněčné organismy, jako jsou bakterie, nemají jádro a některé živočišné buňky, jako jsou lidské zralé červené krvinky, také nemají. Ostatní běžné buňky, jako jsou jaterní buňky, svalové buňky a kožní buňky, mají jasně definované jádro uvnitř buněčné membrány.

Jádro je největší tělo uvnitř buňky a obvykle má víceméně kulatý tvar. Na rozdíl od buňky nemá uvnitř mnoho struktur. Největším objektem v jádře je kulaté jádro, které je zodpovědné za tvorbu ribozomů. Pokud je zvětšení dostatečně vysoké, lze vidět červovité struktury chromozomů uvnitř jádra, zvláště když se buňka připravuje na rozdělení.

Ribozomy jsou malé shluky bílkovin a ribozomální RNA, kód, podle kterého se proteiny vyrábějí. Lze je identifikovat podle nedostatku membrány a podle jejich malé velikosti. Na mikrofotografiích buněčných organel vypadají jako malá zrnka pevné hmoty a existuje mnoho z těchto zrn roztroušených po celé buňce.

Některé ribozomy jsou připojeny k endoplazmatickému retikulu, řadě záhybů a tubulů poblíž jádra. Tyto ribozomy pomáhají buňce produkovat specializované proteiny. Při velmi vysokém zvětšení je možné vidět, že ribozomy jsou tvořeny dvěma částmi, větší část složená z RNA a menší shluk tvoří vyrobené proteiny.

Nachází se pouze v buňkách, které mají jádro, endoplazmatické retikulum je struktura tvořená složenými vaky a trubkami umístěnými mezi jádrem a buněčnou membránou. Pomáhá buňce řídit výměnu proteinů mezi buňkou a jádrem a má ribozomy připojené k části zvané drsné endoplazmatické retikulum.

Drsné endoplazmatické retikulum a jeho ribozomy produkují buněčně specifické enzymy, jako je inzulín v buňkách pankreatu a protilátky proti bílým krvinkám. Hladké endoplazmatické retikulum nemá připojené žádné ribozomy a produkuje sacharidy a lipidy, které pomáhají udržovat buněčné membrány neporušené. Obě části endoplazmatického retikula lze identifikovat podle jejich spojení s jádrem buňky.

Mitochondrie jsou elektrárny buňky, které štěpí glukózu a produkují zásobní molekulu ATP, kterou buňky používají pro energii. Organela je tvořena hladkou vnější membránou a složenou vnitřní membránou. Výroba energie probíhá přenosem molekul přes vnitřní membránu. Počet mitochondrií v buňce závisí na funkci buňky. Například svalové buňky mají mnoho mitochondrií, protože spotřebovávají hodně energie.

Mitochondrie lze identifikovat jako hladká podlouhlá těla, která jsou druhou největší organelou po jádře. Jejich charakteristickým rysem je složená vnitřní membrána, která dodává interiéru mitochondrií svou strukturu. Na buněčném mikrofotografii vypadají záhyby vnitřní membrány jako prsty vyčnívající do nitra mitochondrií.

Lysosomy jsou menší než mitochondrie, takže je lze vidět pouze ve vysoce zvětšených TEM obrazech. Od ribozomů se odlišují membránou, která obsahuje jejich trávicí enzymy. Často je lze vidět jako zaoblené nebo sférické tvary, ale mohou mít také nepravidelné tvary, když obklopí kus buněčného odpadu.

Funkce lysosomů je trávit buněčnou hmotu, která již není zapotřebí. Fragmenty buněk se rozkládají a vylučují z buňky. Lysosomy také napadají cizí látky, které vstupují do buňky, a jsou tak obranou proti bakteriím a virům.

Golgiho těla nebo Golgiho struktury jsou hromady zploštělých pytlů a hadiček, které vypadají, jako by byly sevřeny uprostřed. Každý pytel je obklopen membránou, kterou lze vidět při dostatečném zvětšení. Někdy vypadají jako menší verze endoplazmatického retikula, ale jsou to samostatná těla, která jsou pravidelnější a nejsou připojena k jádru. Golgiho těla pomáhají produkovat lysozomy a přeměňovat bílkoviny na enzymy a hormony.

Centrioly přicházejí v párech a obvykle se nacházejí poblíž jádra. Jsou to malé válcovité svazky bílkovin a jsou klíčem k dělení buněk. Při prohlížení mnoha buněk mohou být některé v procesu dělení a centrioly se pak stávají velmi prominentními.

Během dělení se buněčné jádro rozpouští a DNA nalezená v chromozomech se duplikuje. Centrioly poté vytvářejí vřeteno vláken, podél kterých migrují chromozomy na opačné konce buňky. Buňka se pak může rozdělit na každou dceřinnou buňku, která obdrží celou řadu chromozomů. Během tohoto procesu jsou centrioly na obou koncích vřetena vláken.

Všechny buňky musí udržovat určitý tvar, ale některé musí zůstat tuhé, zatímco jiné mohou být pružnější. Buňka drží svůj tvar pomocí cytoskeletu složeného z různých strukturních prvků v závislosti na funkci buňky. Pokud je buňka součástí větší struktury, jako je orgán, který musí udržovat svůj tvar, je cytoskelet tvořen tuhými tubuly. Pokud se buňce dovolí pod tlakem ustát a nemusí si úplně udržet svůj tvar, je cytoskelet lehčí, pružnější a složený z proteinových vláken.

Při prohlížení buňky na mikrofotografii se cytoskelet ukazuje jako tlusté dvojité čáry v případě tubulů a tenké jednotlivé čáry pro vlákna. Některé buňky takové linie téměř nemají, ale v jiných mohou být cytoskeletonem vyplněny otevřené prostory. Při identifikaci buněčných struktur je důležité udržovat membrány organel oddělené sledováním jejich uzavřeného okruhu, zatímco linie cytoskeletu jsou otevřené a procházejí buňkou.

Pro úplnou identifikaci všech buněčných struktur je zapotřebí několik mikrofotografií. Ty, které ukazují celou buňku nebo několik buněk, nebudou mít dostatek detailů pro nejmenší struktury, jako jsou chromozomy. Několik mikrofotografií organel s postupně vyšším zvětšením ukáže větší struktury, jako jsou mitochondrie, a pak nejmenší těla, jako jsou centrioly.

Při prvním zkoumání zvětšeného vzorku tkáně může být obtížné okamžitě vidět různé buněčné struktury, ale sledování buněčných membrán je dobrý začátek. Dalším krokem je často identifikace jádra a větších organel, jako jsou mitochondrie. Na mikrofotografiích s větším zvětšením lze ostatní organely často identifikovat procesem eliminace a hledat klíčové rozlišovací vlastnosti. Čísla každé organely a struktury pak dávají vodítko ohledně funkce buňky a jejích tkání.