Sharing is caring!

V této části si projdeme strukturu buňky paramecia. Pokud není uvedeno jinak, odkazujeme na Paramecium caudatum jako na typický příklad buňky paramecia.
O parameciu máme také 4 série příspěvků na blogu:
Díl I. Biologická klasifikace paramecia – název, historie a vývoj
Díl II. Struktura buňky paramecia
Díl III. Rozmnožování, fyziologie a chování paramecií
Část IV. Přirozený výskyt a kultivace paramecií – Najdi paramecium pro svůj mikroskopický projekt

Anatomií paramecií

Označený diagram znázorňující anatomii buňky paramecií.
Každá struktura/orgánek a její funkce bude vysvětlena v tomto článku.

Paramecium nosí měkký pancíř, který se nazývá pellika

Tělo buňky paramecia je uzavřeno tuhou, ale pružnou blánou, která se nazývá pellika. Pellika je tvořena tenkou gelovitou látkou, kterou buňka produkuje. Vrstva pelikuly dává parameciu určitý tvar a dobře chrání jeho buněčný obsah. Pelika má také pružnou povahu, což umožňuje parameciu mírně měnit svůj tvar.

Pokožka paramecia je pokryta mnoha drobnými chloupky, které se nazývají řasinky

Pokrytí pelikuly tvoří mnoho drobných chloupků, které se nazývají řasinky (singulár cilium). Cilie jsou výběžky rozmístěné po celé buňce. Jedna buňka P. caudatum může mít 5000-6000 řasinek
Řasinky jsou velmi drobné struktury – přibližně 0,25 μm v průměru a až 20 μm na délku. Na buňkách můžeme pozorovat pouze celkový pohyb řasinek, ale pod běžným světelným mikroskopem je těžko zřetelně uvidíme.

Paramecium cilia movement under a microscope.

Na buňkách paramecií jsou přítomny dva typy řasinek: ústní řasinky a tělní řasinky. Ústní řasinky jsou přítomny na povrchu ústní rýhy. Pomáhají sbírat potravní látky. Tělové řasinky jsou na povrchu těla a usnadňují jeho pohyb. Fungují jako mikroskopická vesla, která pohybují organismem jedním směrem.
Tělesné řasinky jsou uspořádány v podélných řadách (podél osy od hlavy k ocasu) s poměrně stejnou délkou v celé buňce. Na zadním konci buňky je také přítomno několik delších řasinek (u P. caudatum jsou zcela zřejmé). Ty tvoří kaudální chomáčky řasinek (odtud název caudatum).

Různé typy řasinek na buňce paramecia – ústní řasinky, tělní řasinky a kaudální chomáčky.

Mikroskopický pohled na řasinky

Vědci věnovali studiu řasinek paramecia mnoho času a úsilí. Proč?“
Je to proto, že řasinky se nevyskytují výhradně u mikroorganismů, jako jsou paramecia nebo ciliáti. Ve skutečnosti máme řasinky i my na svých buňkách. Pohyblivé řasinky se například nacházejí na epitelu dýchacích cest vystýlajících dýchací ústrojí, kde čistí naše plíce tím, že z nich vymetají hlen a nečistoty.
Pokročilá mikroskopie je v těchto druzích výzkumu buněčné biologie mocná. Například skenovací elektronový mikroskop (SEM) nám umožňuje sledovat morfologii, orientaci a hustotu řasinek paramecií. Pomocí transmisního elektronového mikroskopu (TEM) můžeme vidět ultrastrukturu řasinek v příčném řezu. Pomocí imunofluorescenčního barvení na bázi protilátek mohou vědci dokonce zjistit, jaké druhy proteinů se podílejí na struktuře, pohybu a růstu řasinek.

Vědci použili pokročilé mikroskopy, aby odpověděli na své otázky týkající se řasinek paramecia. Vlevo: SEM nám ukazuje morfologii řasinek (Kredit: Judith L. Van Houten). Uprostřed: TEM nám poskytuje detailní obraz řasinek v příčném řezu (Kredit: Richard Allen). Vpravo: Fluorescenční mikroskop nám ukazuje, jak řasinky kotví na povrchu buňky.

Struktura pelikuly a řasinek

Pomocí pokročilé mikroskopie nyní vědci detailně znají, jak řasinky rostou a pohybují se. Jak můžete vidět na obrázku níže, vrstva pelikuly není hladká. Místo toho je na pelikle mnoho hrbolků (tzv. alveol) s prohlubní. Středovým otvorem každé prohlubně vychází řasinka s kotvičkou na bazálním tělísku.

Podrobná struktura řasinek a pelikuly.

Vědci také zjistili, co se nachází uvnitř každého vlásku řasinky. Řasinka je tvořena svazky mikrotubulů. Mikrotubuly jsou proteinová vlákna uvnitř buněk s mnoha funkcemi. Mikrotubuly mohou sloužit jako mezibuněčná dálnice pro transport molekul a organel. Během buněčného dělení mikrotubulární vlákna vyčnívající ze dvou centrozomů táhnou chromozomy od sebe do nových jader.

Uspořádání řasinky.
Každá řasinka obsahuje devět párů mikrotubulů tvořících vnější část prstence a dva centrální mikrotubuly. Tato struktura se nazývá axoném. Mikrotubuly drží pohromadě pomocí zesíťovaných proteinů. Napříč každým párovým mikrotubulárním vláknem se rozkládají motorické proteiny zvané dynein.
Foto: LadyofHats na wiki.

Motorické proteiny (dynein) využívají k plazení po mikrotubulech energii ATP. Když se dyneinové proteiny pohybují na jedné straně nahoru, ale na druhé straně dolů, řasinka se ohýbá. Opakování cyklů ohýbání – uvolňování způsobuje, že řasinky fungují jako vesla, která tlukou sem a tam a vytvářejí pohyb.

Podívejte se, jak řasinky dělají vlny

Pokud se řasinky jen vlní tam a zpět stejným způsobem, buňky se nemohou nikam posunout. Tahy dopředu a dozadu musí probíhat v různých fázích, aby vytvořily smysluplnou hnací sílu.
Vědci použili mikroskop s vysokorychlostní videokamerou, aby zachytili, jak řasinky bijí, aby poháněly celé tělo paramecia. Vypadají docela chytře!“

Pohyb řasinek vykazuje krásnou koordinaci podobnou metachronnímu vlnění, kdy se mezi sousedními řasinkami udržuje konstantní fázový rozdíl.

Analýzou vysokorychlostního videa snímek po snímku vědci zjistili, že paramecium plave podobně, jako my plaveme při předním kraulovém tahu.
Efektivní (dopředný) tah: Při efektivním záběru se řasnaté tělísko vysouvá přímo vzhůru (aby se do něj dostalo více vody) a bije proti vodě, čímž se tělísko dostává dopředu a posílá vodu dozadu.
Obnovovací (zpětný) záběr: Při obnovovacím tahu se řasnaté tělísko vrací do původní polohy pohybem vzad. Řasinka má tendenci se ohnout a zůstat blíže k povrchu buňky, aby se minimalizoval odpor.

Tah řasinek na parameciu.
Pohyb řasinek lze rozdělit na účinný (dopředný) a zotavovací (zpětný) tah. Dva druhy tahů se střídavě opakují, aby poháněly tělo paramecia při plavání stylem čelní kraul.

Na rozdíl od nás, kteří máme pouze dvě ramena, má buňka paramecia tisíce řasinek. Aby plavání bylo efektivní, nepohybují se všechny řasinky najednou. Řasinky se seskupují do dvou typů koordinovaných rytmů.
Synchronní rytmus – řasinky příčné řady se pohybují současně.
Metachronní rytmus – řasinky podélné řady bijí jedna za druhou. Vznikají tak metachronní vlny procházející od předního k zadnímu konci.

Cilie se pohybují v metachronním rytmu a vytvářejí tak hnací sílu.

Dalším zajímavým chováním je způsob úniku paramecií. Pokud paramecium narazí na překážku, tlukot řasinek se zastaví a obrátí. To způsobí, že paramecium plave dozadu, aby se vyhnulo překážce nebo predátorům.

Jak rychle se může paramecium pohybovat?

Možná vás zajímá, jak rychle se může paramecium pohybovat? Pohybují se rychleji než zlatí olympijští medailisté!
Většina řasinek, jako jsou paramecie, jsou neuvěřitelní plavci. Proč právě řasinky? Při velikosti těla menší než milimetr je voda jako lepkavý sirup. Plavat jako ryba by nebylo příliš efektivní! Pokud chcete plavat rychle a mít možnost manévrovat, řasinky jsou tou nejlepší volbou.
Řasinky paramecií se pohybují jako mnoho malých vesel a pohánějí organismus vodou rychlostí, která je „čtyřnásobkem délky jeho těla za sekundu“. V případě P. caudatum, který je dlouhý 300 mikrometrů (µm), může plavat rychlostí 1200 µm za sekundu (což se rovná 0,0027 míle za hodinu). Pokud by Michael Phelps (6 stop a 4 palce neboli 1,93 m) plaval jako paramecium, plaval by rychlostí 7,72 m za sekundu a 100metrovou trať by dokončil za 12,95 sekundy. To je čtyřikrát rychleji než světový rekord v plavání!“

Tři způsoby lokomoce u prvoků:
Cílie – koordinovaně bijí, aby plavaly. Pseudopod – plazí se po povrchu změnou tvaru buňky. Bičík – plavou otáčením jako vrtule.
Foto: Lumen.

Jak se paramecium živí?

Ústní drážka

Paramecium se živí jinými mikroorganismy, jako jsou bakterie, kvasinky nebo řasy. Živí se systémem, který funguje podobně jako naše ústa-jícen-žaludek. Na ventrolaterální straně těla paramecií je velká šikmá mělká prohlubeň, která se nazývá ústní rýha. Tato ústní rýha dává živočichovi asymetrický vzhled.
Ústní rýha slouží jako vstup potravních látek do buňky. Povrch ústní rýhy pokrývají řasinky. Tyto ústní řasinky bijí, čímž vytvářejí vstupní proud vody a přivádějí potravu do ústní drážky.

Bližší pohled na potravní soustavu paramecia.
Podle červených šipek můžete sledovat cestu potravy procházející potravním systémem paramecia. Nejprve jsou částice potravy shromažďovány do ústní drážky pohybem ústních řasinek. Potravní látky putují z cytostomu do cytofaryngu a poté fagocytózou do potravních vakuol. Trávicí enzymy uvnitř potravních vakuol rozkládají potravu na malé živné molekuly. Poté, co buňka vstřebá živiny do cytoplazmy, jsou nestravitelné zbytky vypuštěny análním pórem.

Cytostom, cytofarynx a potravní vakuoly

Konec ústní rýhy se napojuje na nálevkovitou strukturu, která se nazývá cytostom neboli buněčné ústí. Ústní řasinky také pokrývají lumen cytostomu a přivádějí částice potravy na dno nálevky cytostomu, která zasahuje do cytofaryngu.
Cytofarynx je trubicovitá struktura (podobná našemu jícnu), která vede k potravním vakuolám. Potravní vakuoly vznikají pučením ze zadního konce cytopharynxu. Potravní vakuoly fungují podobně jako náš žaludek a obsahují trávicí enzymy, které rozkládají potravní suroviny na molekuly živin.
Proces krmení pohlcováním přes potravní vakuoly, nazývaný fagocytóza, je běžný u jednobuněčných mikroorganismů, jako jsou améby. Speciální systém cytostom-cytopharynx však mají vyvinutý pouze příslušníci čeledí ciliátů a Euglena.

Dělá paramecium bobky?

Anální pór

Odpověď zní: Ano. Paramecie mají svůj způsob vylučování. Po vstřebání živin z natrávené potravy do cytoplazmy zůstávají uvnitř potravních vakuol nestravitelné zbytky. Odpad se vyloučí ze struktury zvané anální pór neboli cytoprokt.
Různá jednobuněčná eukaryota mají anální pór. Anální pór paramecia je oblast pelikuly, která není pokryta hřebínky a řasinkami. Tenká pelika umožňuje splynutí vakuol s povrchem buňky a jejich vyprázdnění.

Specializovaná „kůže“ buněčného těla paramecia

Ektoplazma a endoplazma

Na rozdíl od mnohobuněčných organismů, které mají vrstvu specializovaných kožních buněk jako ochrannou bariéru, jednobuněčné paramecium si na svou ochranu vytváří „buněčnou kůži“.
Jak jsme se zmínili výše, nejzevnější vrstvu tvoří měkký obal z pelikuly a řasinek. Na pelikulu je vázána úzká periferní vrstva specializované pevné cytoplazmy, která se nazývá ektoplazma. Pod ektoplasmou leží tekutější typ cytoplazmy: endoplasma. Tato oblast obsahuje většinu buněčných složek a organel.

Bližší pohled na strukturu pokožky paramecií.
Na tomto snímku buňky paramecia s vysokým rozlišením jsou vidět dvě vrstvy cytoplazmy: ektoplazma a endoplazma. Trichocysty jsou ochranné organely uložené ve vrstvě ektoplazmy. (Obrázek upraven z práce Michaela Plewky)

V porovnání se zbytkem cytoplazmy (endoplazma) tvoří ektoplazma tenkou, hustou a průhlednou vnější vrstvu obsahující trichocysty a fibrilární struktury. Ve vrstvě ektoplazmy jsou také ukotveny kořeny řasinek. Pellika a ektoplazma společně slouží jako ochranná slupka paramécií.

Trichocysta

Trichocysta (trick-o-sists) je malá vřetenovitá organela umístěná v ektoplazmě s drobným pórem otevřeným na povrchu pelikuly. Trichocysty jsou uspořádány kolmo k ektoplazmě. Trichocysty jsou vyplněny hustou lámavou tekutinou obsahující nabobtnalé látky. Když buňky dostanou mechanický, chemický nebo elektrický podnět, trichocysty vypustí svůj obsah a stanou se z nich dlouhé, tenké, bodavé hroty. Po jejich vypuštění se z kinetozomů vytvářejí nové.
Přesná funkce trichocyst není zcela jasná, i když podle oblíbené teorie jsou důležité pro obranu před predátory. Trichocysty mohou také napomáhat adhezi buněk a podporovat buněčné tělo paramecia.

Trichocysty paramecia.
Trichocysty jsou vřetenovité organely, které mohou vypouštět žahavá vlákna jako ochranu před predátory. Vlevo: Snímek TEM ukazující trichocystu usazenou v ektoplazmě. Při přijetí vnějšího podnětu jádro trichocysty pohltí a vytlačí osten z obalu. (Obrázek: Bannister, J. Cell Sci. 11:899-929, 1972.) Vpravo: Velmi zvětšený snímek s fázovým kontrastem ukazující paramecium, které vystřelilo své hroty trichocysty na ochranu. (Obrázek: Walter Dawn, Encyclopædia Britannica)

Co je uvnitř buněčného těla paramecia?

Cytoplazma a organely

Stejně jako u normální eukaryotické buňky je uvnitř pelikulární vrstvy paramecia uzavřena rosolovitá látka zvaná cytoplazma. Cytoplazma zahrnuje cytosol a všechny organely. Cytosol je uvnitř buňky jako kondenzovaná polévka. Je to složitá směs všech druhů látek rozpuštěných ve vodě. Najdete zde malé molekuly, jako jsou ionty (sodíku, draslíku nebo kalcia), aminokyseliny, nukleotidy (základní jednotky DNA), lipidy, cukry a velké makromolekuly, jako jsou bílkoviny a RNA.
Paramecium má všechny běžné organely eukaryotických buněk (odkaz na Buněčná biologie), včetně mitochondrií (elektrárny buňky), endoplazmatického retikula a ribozomů (kde probíhá syntéza bílkovin), Golgiho aparátu (pošta uvnitř buněk), lyzozomů (úložiště trávicích enzymů), peroxizomů (chemická laboratoř uvnitř buněk).
Na rozdíl od rostlinných buněk nemá paramecium chloroplasty.
Na rozdíl od běžných eukaryotických buněk má paramecium dvě jádra, velké a malé. Paramecium se také skládá ze dvou typů vakuol: kontraktilní vakuoly a potravní vakuoly, které v lidských buňkách neexistují.

Paramecium pohání dvoujádrový procesor – makronukleus a mikronukleus

Nejobvyklejší vlastností paramecií jsou jejich jádra. Mají dva typy jader, která se liší tvarem, obsahem a funkcí.

Makronukleus (MA) a mikronukleus (MI) v buňce P. putrinum. Bílé a černé šipky ukazují na symbiotické bakterie uvnitř cytoplazmy.
Foto: MDPI

Mikrojádro

Dva typy jader jsou mikrojádro a makrojádro. Mikrojádro je diploidní, to znamená, že obsahuje dvě kopie každého chromozomu paramecia (lidské jádro je také diploidní). Mikrojádro obsahuje veškerou DNA (tzv. genom), která je v organismu přítomna. Tato DNA se při rozmnožování předává z generace na generaci.

Makronukleus

Makronukleus naopak obsahuje podmnožinu DNA z mikronukleu. Tyto fragmenty DNA se kopírují z mikrojádra do makrojádra, protože nesou geny, které buňka paramecia často potřebuje. Geny v makronukleu jsou aktivně přepisovány do mRNA a poté překládány do proteinů. Makronukleus je polyploidní neboli obsahuje více kopií každého chromozomu, někdy až 800 kopií.

Funkce mikrojádra a makrojádra

Jinými slovy, funkcí mikrojádra je udržovat genetickou stabilitu a zajistit, aby žádoucí geny byly předány další generaci. Nazývá se také zárodečné nebo generativní jádro. Makronukleus hraje roli v nereprodukčních funkcích buňky včetně exprese genů potřebných pro každodenní fungování buňky. Makronukleus se také nazývá vegetativní jádro.
Použijeme-li jako metaforu počítač, mikronukleus je pevný disk, který uchovává kompletní kopii programu buňky. Makronukleus funguje jako paměť s náhodným přístupem (RAM), která uchovává pracovní data a strojové kódy. Počítač pouze načítá aktuálně používané programy z pevného disku do paměti RAM. V buňce paramecií mohou mít aktivnější geny (což znamená, že buňka potřebuje více těchto proteinů kódovaných těmito geny) více kopií v makronukleu.
Dalším důvodem, proč mají paramecie a další řasinky dvě různá jádra, je to, že se jedná o mechanismus, kterým se paramecie a další řasinky mohou bránit genetickým vetřelcům (což znamená kousky DNA, které se špehují do genomu, například DNA virů).
Díky tomu, že mají dvě jádra, pokud se kousek DNA nachází v mikrojádře, ale ne v makrojádře, bude při dalším kole buněčného dělení odstraněn. Jinými slovy, pokud by se do mikrojádra dostalo něco cizího, pak by to při dalším dělení makrojádra bylo odstraněno a nebylo by zahrnuto do exprimované verze genomu. Tento mechanismus funguje jako primitivní imunitní systém DNA; to znamená, že zkoumá genom a snaží se udržet invazivní prvky mimo něj.
Morfologicky má makronukleus ledvinovitý nebo elipsoidní tvar. Mikrojádro se nachází v blízkosti makrojádra. Je to malá a kompaktní struktura kulovitého tvaru. Všechny druhy paramecií mají jedno makrojádro. Počet mikrojader se však může u jednotlivých druhů lišit. Například P. aurelia má dvě mikrojádra a P. multimicronucleatum jich má několik.

Dva druhy vakuol, které jsou pro paramecium životně důležité

Název „vakuoly“ popisuje, že tyto organely vypadají průhledně a bývají vyplněny tekutinou. Vakuoly přebírají v buňce paramecia specifické funkce. Paramecium má dva typy vakuol: kontraktilní vakuoly a potravní vakuoly.

Kontraktilní vakuoly fungují jako vodní pumpy pro osmoregulaci

Jedna buňka paramecia má dvě hvězdicovité kontraktilní vakuoly umístěné na obou koncích těla. Jsou naplněny tekutinami a nacházejí se na pevných místech mezi endoplazmatem a ektoplazmatem. Kontraktilní vakuoly jsou zodpovědné za osmoregulaci neboli odvádění přebytečné vody z buňky.
Jak se vypořádat s „osmózou“ je univerzální výzvou pro všechny živé tvory. Zvláště kritická je pro jednobuněčné mikroorganismy, jako je paramecium.
Jak víme, každá buňka je obklopena buněčnou membránou. Tato membrána má malé otvory, které propouštějí malé molekuly (například vodu), ale ne velké (například sůl). Díky této povaze je buněčná membrána částečně propustná. Osmóza je pohyb molekul vody z oblasti s vysokou koncentrací vody (zředěný roztok) do oblasti s nízkou koncentrací vody (koncentrovaný roztok) přes částečně propustnou membránu.

Živočišné buňky (červené krvinky jako příklad v tomto grafu) jsou citlivé na tlak osmózy. Pokud se naše buňky nacházejí v „izotonickém“ prostředí (jako naše krev), je vstup a výstup molekul vody stejný a buňky jsou v bezpečí. Pokud se prostředí stane „hypotonickým“, což znamená méně rozpuštěných látek (minerálů) než izotonické, voda se přesune do buněk, aby bylo dosaženo rovnováhy. Pokud se přebytečná voda z buňky neodstraní, buňky nabobtnají a dokonce prasknou (lyzují). Na druhou stranu „hypertonický“ je způsoben větším množstvím rozpuštěných látek v prostředí a může způsobit smrštění buněk.

Smršťovací vakuoly působí na regulaci množství vody uvnitř buňky. Ve sladké vodě, která je pro paramecium hypotonickým prostředím, proudí voda do buňky osmózou. Kontraktilní vakuoly vylučují vodu z buňky tím, že se smršťují, a zabraňují tomu, aby buňka absorbovala příliš mnoho vody nebo dokonce praskla.

Jak kontraktilní vakuoly fungují?

Každá kontraktilní vakuola je spojena s několika radikulárními kanálky (které tvoří její hvězdicovitý tvar). Přebytečná voda je odváděna z celého těla paramecia a těmito kanálky je přiváděna do kontraktilních vakuol. Hromaděním vody se vakuoly zvětšují. Jakmile zásobník dosáhne prahové hodnoty, kontraktilní vakuola se smrští a vypustí přebytečnou vodu pórem na pelikulu.
Dvě kontraktilní vakuoly pracují nezávisle na sobě. Zadní kontraktilní vakuola je blízko cytoplazmy, a proto se smršťuje rychleji, protože jí prochází více vody. Když se kontraktilní vakuola sbalí, může periodicky mizet, a proto se nazývají dočasné orgány.

Obrázek paramecia ve vysokém rozlišení zobrazující dvě hvězdicovité kontraktilní vakuoly a makronukleus. Tento snímek pořídil Rogelio Moreno z Panama City v Panamě pomocí diferenciálního interferenčního kontrastu (DIC) při 40násobném zvětšení. Tento snímek získal 4. místo v soutěži Nikon Photomicrography Competition 2013.

Potravní vakuoly

Když buňka paramecia sbírá potravu ústním žlábkem a prochází cytostomem směrem ke dnu cytofaryngu, jsou tyto potravní látky zapouzdřeny do potravních vakuol. Potravní vakuoly pak splývají s organelami zvanými lysozomy, jejichž enzymy rozkládají molekuly potravy a provádějí trávení.

Potravní vakuoly jsou nesmrštitelné a mají zhruba kulovitý tvar. Slouží jako izolovaný prostor, který umožňuje enzymům rozkládat pouze částice potravy, ale ne jiné organely. Velikost potravních vakuol se liší v závislosti na množství potravy a průběhu trávení. Nestravitelné zbytky budou vyvrženy otvorem na pelikulách, který se nazývá anální pór nebo cytoprokt.

.