Na początku pytanie najprostsze: Czym jest komórka oraz komórkowe organelle? Komórka to podstawowa strukturalna i funkcjonalna jednostka każdego z żywych organizmów. Została odkryta przez Roberta Hooka. Komórki różnią się pomiędzy sobą wielkością oraz kształtem. Komórka jest zbudowana z poszczególnych organelli - małych organów, mniejszych struktur. Komórkowe organella obecne są w komórkach zielonych roślin, zwierząt lub m.in. grzybów, w bakteryjnych komórkach natomiast nie występują typowe komórkowe organelle; są zawieszone w komórkowej cytoplazmie o galaretowatej strukturze (albo przez nią otoczone).

Komórkowe organelle można podzielić na nieplazmatyczne i plazmatyczne.

Do nieplazmatycznych Organelli należą: wakuola oraz ściana komórkowa, a do plazmatycznych: jądro komórkowe, cytoplazma, siateczka wewnątrzplazmatyczna, błona komórkowa, aparat Golgiego, rybosomy, mitochondria, retikulum endoplazmatyczne, plastydy, mikrotubule oraz lizosomy.

Organelle różnego rodzaju pełnią charakterystyczne funkcje konieczne do istnienia komórki. Na podstawie poziomu złożoności komórek i struktury organizmy można podzielić na dwie grupy, które zasadniczo różnią się planem konstrukcji komórki. Organizmy, w których komórki posiadają otoczone błoną organelle to eukarioty. Wśród organelli najważniejszym jest jądro, które jest miejscem lokalizacji genetycznego materiału - DNA. Nazwę eukariont tłumaczy się jako posiadający "prawdziwe jądro".

Konieczne jest aby każda komórka była otoczona cytoplazmatyczną błoną, czyli plazalemmą. Dane komórkowe struktury oddzielone są jedną (wakuole, lizosomy, peroksysomy, sferosomy, siateczka wewnątrzplazmatyczna, struktury Golgiego) albo dwiema błonami (plastydy, mitochondria, jądro komórkowe) od cytoplazmy. Wszystkie biologiczne błony są zbudowane zwłaszcza z białek oraz lipidów. W błonach zawartość białek wahać się może w granicach w zakresie 25% - około 75% w błonach wewnętrznych chloroplastów i mitochondriów. Różnice te są wynikiem zróżnicowanej liczby cząsteczek białkowych, które zanurzone są w błonie fosfolipidowej dwuwarstwowej, będącej zawsze strukturalną podstawą błony. Odsetek cukrów w błonach w formie oligosacharydów nie przekracza zwykle 5 %. Struktura błony określana jest mianem mozaiki płynnej.

Rola plazmalemmy jest bardzo zróżnicowana. Błonowe lipidy nie przepuszczają w wodzie rozpuszczonych substancji, co powoduje oddzielenie roztworów, które znajdują się po przeciwstawnych stronach błony. Przez błony transport chemicznych substancji głównie odbywa się z pośredniczeniem białek. Poza spełnianiem funkcji transportowych i ochronnych plazmalemma ma swój udział przy odbieraniu oraz przewodzeniu bodźców (sygnałów). Te sygnały docierają najczęściej do komórek w formie określonych cząsteczek takich jak np. hormony.

Komórkowe jądro ma kształt najczęściej kulisty, choć posiada zdolność zmiany elastycznej kształtu (pałeczkowaty, soczewkowaty, wrzecionowaty), a jego wielkość jest w granicach 0,5 - 600 nm. Zwykle jedno jądro obecne jest w komórce, lecz spotyka się komórki, które zawierają kilka jąder. Takie komórki nazywane są komórczakami (np. gałęzatka, pełzatka, pleśniak). Istnieją także komórki mające dwa sprzężone jądra, tzw. dikariotyczne komórki, które występują u grzybów. Dwa jądra w tym makro- oraz mikronukleus spotyka się u pierwotniaków. Niektóre typy komórek z kolei są pozbawione jąder jak np. u ssaków erytrocyty, u okrytonasiennych roślin rurki sitowe.

Jądrowa otoczka (jądrowa błona) ma dwie plazmatyczne błony od siebie oddzielone wąską przestrzenią. Błona zewnętrzna tworzy uwypuklenia, przez co się łączy z śródplazmową siateczką. Plazmatyczne błony w wybranych miejscach zlewają się, tworząc jądrowe pory. Pory ułatwiają przepływ substancji z wewnętrznej części jądra w kierunku cytoplazmy oraz na odwrót. Proces ten jest jednak wysoce selektywny i umożliwia przepływ jedynie niektórych cząsteczek specyficznych. Do jądrowej otoczki od wewnętrznej strony przylega warstwa tworzona przez charakterystyczne białka, zwane laminowymi białkami albo laminami, tworzącymi zrąb szkieletu wewnętrznego jądra oraz odgrywającymi istotną rolę przy rozpadzie oraz odtwarzaniu jądrowej otoczki w trakcie komórkowego podziału.

Bardzo istotnym elementem komórkowego jądra jest chromatyna, zlokalizowana w kariolimfie, pod postacią splątanej, delikatnej niteczki. Złożona przede wszystkim jest z DNA oraz silnie zasadowych, niskocząsteczkowych białek noszących nazwę histonów. Jednak wbrew pozorom ona nie jest niezorganizowana. Ze względu na to, iż cząsteczki DNA to niezwykle cienkie i długie struktury, w jądrze muszą upakowane być w regularny ściśle sposób. Pozostałymi elementami chromatyny są niehistonowe białka i RNA. Isntieją dwie postacie chromatyny: skondensowana i luźna. Chromatyna jest zorganizowana w struktury - tzw. chromosomy. W czasie podziału komórkowego chromosomy zduplikować się muszą w jądrze, powstałe dwie kopie następnie muszą rozdzielić się tak, aby ich żadna część nie uległa zagubieniu albo nie trafiła do niewłaściwego miejscu. Kiedy komórka jest w trakcie przygotowań do podziału, białka, DNA ulegają spiralizacji jeszcze silniejszej niż zazwyczaj. Wskutek tego każdy z chromosomów staje się coraz grubszy i krótszy, a stają się w rezultacie widocznymi w mikroskopie strukturami. W licznych komórkach widoczna najbardziej struktura we wnętrzu jądra to jąderko, barwiące się zazwyczaj inaczej niż otaczająca chromatyna. Jąderko to nieobłoniona, zwarta struktura, która stanowi miejsce wytwarzania rybosomów. U prokariota rybosomy obecne są w cytoplazmie, u eukariota z kolei w plastydach i mitochondriach. Każdy rybosomy zbudowany jest z podjednostki dużej i małej. Rybosomy wchodzą w skład kompleksu rybosomowego RNA (tzw. rRNA) oraz rybosomowych białek. RNA rybosomowy syntetyzowany jest w jąderku, rybosomowe białka natomiast są syntetyzowane w cytoplazmie, a stamtąd wędrują z kolei do jąderka. Gotowe rybosomy po złączeniu się składników przemieszczają się poprzez jądrowe pory do cytoplazmy, a tam służą za składnik podstawowy maszynerii do syntezy białka.

Główne funkcje komórkowego jądra to:

  • Przechowywanie informacji dotyczącej przebiegu procesów, które zachodzą w organizmie
  • stanowienie centrum dowodzenia,
  • "magazyn genów"
  • udział w komórkowych podziałach
  • odpowiedzialność za przekazywanie potomnym komórkom genów
  • miejsce zachodzenia synteza nukleinowych kwasów
  • miejsce powstawania podjednostek budujących rybosomy

Endoplazmatyczne retikulum, czyli śródplazmatyczna siateczka to system kanalików o błoniastej strukturze, pęcherzyków albo cystern, które biorą udział w wewnątrzkomórkowym transporcie różnych substancji. Te błony na ogół stanowią upakowane ściśle struktury mające kształt spłaszczonych woreczków i na terenie cytoplazmy tworzą przedziały połączone wspólnie. Błonowe warstwy tworzą wewnętrzną przestrzeń, która nazywana jest światłem ER. Dla większości komórek jeden obszar tworzony jest przez światło ER, więc stanowi wewnętrzny, pojedynczy przedział komórkowy.

Światło ER oraz błony posiadają liczne różnorodne enzymy, katalizujące chemiczne reakcje różnych rodzajów. W niektórych przypadkach błony pełnią funkcje nośnika dla całości enzymatycznych systemów, katalizujących następujące po sobie kolejno biochemiczne reakcje.

Jedna ze stron błony, zwrócona w kierunku cytozolu (po zewnętrznej stronie) jest usiana zaciemnionymi cząstkami - rybosomami, a jej druga strona, zwrócona do światła, jest gładka. Rybosomy to podstawowe składniki maszynerii do syntezy w komórce białka. Nie każde białko syntezowane jest na terenie powierzchni błon należących do ER, część z nich jest syntezowana na rybosomach, które występują wolno w cytoplazmie. ER pełni rolę zasadniczą w syntezie oraz składaniu białek. Liczne eksportowane z komórki białka jak trawienne enzymy albo dla pozostałych organelli przeznaczone powstają na rybosomach będących związanymi z błoną ER. Te białka są transportowane poprzez błonę w kierunku światła ER, tam modyfikowane mogą być przez enzymy, dołączające do nich lipidy lub węglowodany o złożonej strukturze. Inne enzymy występujące w świetle retikulum zaangażowane mogą być w fałdowanie białek. Po tym białka są przenoszone w kierunku innych błon za pośrednictwem niewielkich transportujących pęcherzyków (przejściowych), odrywających się od błony retikulum oraz ulegających fuzji z docelową błoną.

Można wyróżnić wyraźne dwa rejony ER, ich błony połączone są, lecz pełnią różne role. Szorstkie (ziarniste) ER tak nazywane ze względu na rybosomy przyłączone do niego oraz gładkie ER, które nie zawierają rybosomów przyłączonych. Gładkie ER posiada bardziej rurkowatą postać, jest miejscem głównym metabolizmu kwasów tłuszczowych, fosfolipidów i sterydów. Dodatkowo pełni istotną funkcję detoksykacyjną w komórce, gdyż jest miejscem lokalizacji enzymów, które rozkładają rakotwórcze związki (cząsteczki tychże związków powoduję indukcję powstawanie nowotworów) nowotworów i przekształcają je do rozpuszczalnych w wodzie produktów, mogą ulec usunięciu z organizmu. Niektóre rodzaje komórek takie jak komórki wątroby, syntezujące i przerabiające w całym ciele większą część cholesterolu i innych lipidów oraz służące jako miejsce procesów detoksykacji, zawierają gładkie ER w bardzo dużej ilości.

Układ Golgiego (inaczej: aparat Golgiego albo ciałko Golgiego) został opisany pierwszy raz przez badacza włoskiego Camillo Golgiego Opracował on technikę barwienia specyficznego tej struktury w mikroskopowych preparatach. W licznych komórkach układ Golgiego ma formę stosu spłaszczonych, do siebie przylegających, cystern błonowych, które w niektórych rejonach rozszerzać się mogą w wyniku wypełnienia komórkowymi produktami.

Każdy spłaszczony worek ma wewnętrzną przestrzeń - światło. W przeciwieństwie do endoplazmatycznego retikulum w aparacie Golgiego wewnętrzne przestrzenie oraz błony je wyznaczające nie ulegają połączeniu się w ciągły sposób. W niektórych zwierzęcych komórkach układ Golgiego często obecny jest po jednej ze stron jądra. W pozostałych zwierzęcych komórkach i w roślinnych komórkach obecnych jest wiele struktur tego rodzaju.

Aparat Golgiego zasadniczo działa jak aparat do modyfikowania, przetwarzania i sortowania białek. Większa część białkowych cząsteczek przez komórkę wydzielanych, przechodzi przez aparat Golgiego. Białka po syntezie są transportowane do aparatu Golgiego w środku małych przejściowych pęcherzyków, utworzonych przez błony ER, ulegające następnie fuzji. W trakcie przemieszczania się białkowe cząsteczki są modyfikowane, w rezultacie stając się biologicznymi złożonymi cząsteczkami. Każdy rodzaj białkowych cząsteczek jest modyfikowany w inny sposób.

Lizosomy to małe, wypełnione trawiennymi enzymami woreczkami, umiejscowione w cytoplazmie zwierzęcych komórek. Enzymy obecne w tychże organellach powodują rozkład cząsteczek substancji złożonych (białek, lipidów, kwasów nukleinowych, węglowodanów). W lizosomach odkryto w przybliżeniu 40 enzymów; z których większość wykazuje aktywność w roztworze mającym pH równe w przybliżeniu 5. Enzymy skierowywane są do lizosomów poprzez do nich dołączone sygnałowe cząsteczki. W komórkach, w których obserwowany jest brak energetycznych substancji, możliwy jest rozkład organelli przez lizosomy, co umożliwia wykorzystanie składników tych struktur jako dawców energii. Dodatkowo lizosomy wykorzystywane są do degradacji cząsteczek obcych wchłoniętych poprzez komórkę (pozostałości komórek obumarłych lub bakterii).

Lizosomy pełnią istotną rolę w licznych procesach naturalnych w tym resorpcji ogona mającej miejsce u przechodzącej przeobrażenie kijanki. Postępujący stawowy gościec, jak się uważa, jest po części wynikiem uszkodzeń komórki chrzęstnej tkanki stawów poprzez enzymy, które zostały z lizosomów uwolnione.

Wakuole (tzw. wodniczki) roślinnych oraz grzybowych komórek wypełniają znaczną część komórki dojrzałej (do 90% objętości nawet) oraz pełnią mnóstwo różnorodnych funkcji. W ich składzie można wyróżnić: zapasowe odżywcze substancje, sole, wodą, odpadowe produkty i barwniki. Cząstki produktów metabolizmu agregują często ze sobą i tworzą niewielkie kryształy we wnętrzu wakuoli. Może ona także służyć jako miejsce magazynowania nieorganicznych związków oraz substancji takich jak białka. W niej mogą być także przechowywane szkodliwe substancje (jako obronny środek) dla roślinożernych organizmów. Wakuole obecne są również w zwierzęcych komórkach różnego rodzaju, u pierwotniaków występują tzw. tętniące wodniczki, które usuwają z komórki nadmiar wody.

Mikrociała to otoczone błoną organelle, które zawierają różnorodne enzymy, katalizujące różne metaboliczne reakcje. Mikrociała (zwane peroksysomami) posiadają enzymy, które rozkładają nadtlenek wodoru (H202 produkowany jest w trakcie rozpadu lipidów) do nie szkodzących komórce produktów. Peroksysomy w komórkach nerek i wątroby pełnią ważną rolę w procesie detoksykacji m.in. etanolu, który występuje w alkoholowych napojach. Peroksysomy obecne w komórkach liści biorą udział w procesach fotosyntezy (związane są z fotooddychaniem - fotorespiracją). Mikrociała nazywane glioksysomami posiadają enzymy, które służą do przekształcania w nasionach zapasowych tłuszczów w cukry, zwierzęce komórki nie posiadają takiej możliwości.

Mitochondria obecne są we wszystkich eukariotycznych komórkach, ich liczba, kształt oraz struktura uzależnione są od metabolicznej aktywności danej komórki, ściślej - intensywności tlenowego oddychania, zachodzącego w mitochondriach. Najliczniej występują w komórkach o bardzo dużej aktywności, mających duże na energię zapotrzebowanie. Długość mitochondriów najczęściej równa jest 0,5 - 1 nm, a kształt ich jest cylindryczny. Mitochondria nowe powstają na skutek podziału istniejących już.

Składowymi elementami mitochondrium są dwie błony. Błona wewnętrzna posiada ogromną powierzchnię stworzoną przez liczne wpuklenia, nazywane grzebieniami a także matrix (macierz), która wypełnia wnętrze struktury. Na terenie matrix obecne są takie struktury jak cząsteczki koliste mitochondrialnego DNA i rybosomy.

Błona zewnętrzna mitochondrium to przepuszczalna wysoce warstwa. Wewnętrzna błona natomiast jest zdecydowanie wybiórcza. Niektóre białka, które występują w mitochondriach zakodowana jest w DNA mitochondrialnym i syntetyzowana w macierzy na rybosomach. W mitochondriach mają miejsce różnorodne biochemiczne przemiany, do najważniejszych należą główne etapy tlenowego oddychania. Produkt powstający w pierwszym etapie wspomnianego procesu, który zachodzi w cytoplazmie, transportowany jest do mitochondrialnej macierzy, a tam już ulega przemianom dalszym; następny etap - oddechowy łańcuch zlokalizowany jest w błonie wewnętrznej mitochondrium. W tej fazie energia, która pochodzi z substratów wyjściowych oddychania gromadzona jest w postaci wysokoenergetycznych wiązań ATP - formie dla komórki dogodnej.

Z proplastydów przy obecności światła rozwijają się chloroplasty w asymilacyjnym miękiszu oraz niektórych pozostałych roślinnych tkankach. Ich długość to 3 - 10 nm. Zawierają różne barwniki, które absorbują światło - karotenoidy. Struktury te są strukturami złożonymi ograniczonymi wewnętrzną oraz zewnętrzną błoną. Przestrzeń ograniczona wewnętrzną błoną, nazywaną stromą, posiada enzymy, które uczestniczą w tworzeniu glukozy z CO2 oraz H2O przy wykorzystaniu energii słonecznego światła. Stosy deskowatych, płaskich woreczków nazywanych tylakoidami, który tworzy trzeciego rodzaju błonowy układ zwany jest granami. Błony tylakoidu stanowią wewnętrzny najbardziej przedział chloroplastu - tylakoidowa przestrzeń. W tych błonach mają miejsce procesy powiązane z wytwarzaniem ATP. Chloroplasty są jedynie jednym rodzajem plastydów. W plastydach w roślinnych komórkach oraz komórkach glonów są wytwarzane i magazynowane pokarmowe substancje. Stymulacja światłem doprowadza do powstania chloroplastów. Kwiatom i owocom kolor charakterystyczny nadają barwniki, które w chromoplastach są zawarte. W bulwach i korzeniach obecne są bezbarwne leukoplasty, służące do zmagazynowania skrobi.

W przedziałach wewnętrznych mitochondriów oraz chloroplastów obecne są ponadto cząsteczki DNA, kodujące nieliczne białka, będące częścią tych, które występują w tychże organellach.

Cytoszkielet jest złożoną siecią białkowych włókien, które występują we wszystkich eukariotycznych komórkach. Stanowi wysoce dynamiczną strukturą jako całość, ulegającą nieustannym zmianom. Główne rodzaje włókien budujących cytoszkielet to: mikrofilamenty (aktynowe włókna o średnicy 7nm) oraz mikrotubule (średnica równa 25 nm). W licznych zwierzęcych komórkach występują również włókna trzeciego rodzaju - pośrednie filamenty (średnica od 8-10 nm), od poprzednich bardziej stabilne. Mikrotubule to puste w środku struktury o kształcie rurek. Tworzone są z dimerów białkowych podjednostek - tubulin. Poza udziałem w wytwarzaniu struktur cytoszkieletu, są odpowiedzialne za poruszanie się chromosomów podczas komórkowego podziału, poza tym stanowią główny składnik wici i rzęsek - struktur specjalnych, które służą do ruchu.

Wici i rzęski - struktury, które umożliwiają ruch komórek. Na ogół wici są długie porównując je z rozmiarem komórki. Występują pojedynczo lub po kilka. Drugie z wymienionych struktur są z kolei krótkie a występują w większej ilości. Zarówno wici jak i rzęski wspomagają poruszanie się w wodnym środowisku albo przemieszczanie cząstek i płynów, które stykają się z powierzchnią komórki. Wici u zwierząt pełnią rolę witki w plemnikowej komórce, zaś rzęski powszechnie występują na powierzchni należącej do komórek, które wyścielają przewody ciała wewnętrzne (np. oddechowe drogi). Każda rzęska i wić zbudowana jest z cylindrycznego, cienkiego trzonka, który pokryty jest wypustką komórkowej błony. U podstawy organelli występuje podstawowe ciałko, które zawiera zestaw w postaci trójek mikrotubul w liczbie 9 (9x3). Przypuszcza się, że podstawowe ciałko pełni funkcje elementu, który organizuje tworzenia wici i cząstek w fazie początkowej.

W skład mikrofilamentów wchodzą dwa łańcuchy składające się z białkowych cząsteczek aktyny. System tworzony przez aktynę z innym białkiem - miozyną - został poznany najlepiej w mięśniach, w których te białka pełnią rolę zasadniczą w skurczu mięśniowych komórek i włókien. Mikrofilamenty najczęściej odpowiedzialne są za ruchy jakie wykonują komórki. W trakcie podziału zwierzęcej komórki mikrofilamenty tworzą zaciskowy pierścień, który umożliwia zajście cytokinezy i rozdziela cytoplazmę w komórkach powstających. Mikrofilamenty umożliwiają stabilizację połączeń komórek z pozostałymi komórkami oraz pozakomórkową substancją.

Pośrednie filamenty są elementem cytoszkieletu najbardziej stabilnym. Te przypominające sznury, długie struktury składające się z fibrylarnych białek (aktyna i tubulina są globularnymi białkami) przede wszystkim odpowiadają za usztywnienie elementów jakimi są komórki. Występują szczególnie obficie w częściach komórki, które narażone są na mechaniczny stres.

Roślinne komórki wytwarzają celulozę, polisacharydy inne, które wykorzystują do tworzenia sztywnej komórkowej ściany. U roślin w komórkowej ścianie każda z warstw celulozowych włókien biegnie w kierunku przeciwnym niż sąsiednia warstwa, przez co ściana wykazuje dużą mechaniczną wytrzymałość, ochrania przed zbyt dużym parowaniem, czy wniknięciem chorobotwórczych organizmów.

Zwierzęce komórki nie posiadają sztywnej komórkowej ściany. Otoczka jaka utworzona jest z fragmentów węglowodanowych glikolipidów i glikoprotein komórkowej błony nazywana jest glikokaliksem. Poza zwiększania mechanicznej wytrzymałości tkanek, komórkowa otoczka pełni określone funkcje w międzykomórkowych kontaktach oraz rozpoznawaniu wzajemnym komórek.

Organelle różnych rodzajów spełniają specyficzne, lecz niezbędne funkcje dla życia komórki. Swego rodzaju kluczem dla tychże odkryć w wieku XX było zastosowanie chemicznych odczynników, barwiących specyficznie zróżnicowane komórkowe struktury. W późniejszych latach opracowano nowego rodzaju optyczny mikroskop o złożonej budowie, w który przez wykorzystanie zjawiska interferencji świetlnych fal, komórkowe struktury są widoczne i można je w końcu poznać. Przy pomocy różnicowego interferencyjnego mikroskopu oraz kontrastowo-fazowego zaobserwować można, iż komórki żywe posiadają wiele wewnętrznych struktur, znajdujących się w ruchu nieustannie, zmieniając własne położenie oraz kształt.