Protoplazma: vēsturisks šūnas satura jēdziens

Klasiskajā izpratnē protoplazma ir viss, kas atrodas šūnas membrānas iekšpusē un ir dzīvs. Tā neietver augu šūnas sienu, ko uzskata par nedzīvu izdalījumu, un neietver arī uzkrājumus, piemēram, cietes graudus vai tauku pilienus.

Mūsdienu terminoloģija to pašu telpu sadala daudz precīzāk, un tieši šī precizitāte ir iemesls, kāpēc vecais vārds izgāja no lietošanas. Ja pētnieks saka „citosols", ir skaidrs, ko tieši viņš domā; ja viņš saka „protoplazma", nav skaidrs, vai runa ir par kodolu, organellām vai šķidrumu starp tām.

Latviešu valodā radniecīgs un joprojām lietots vārds ir protoplasts. Tas apzīmē auga vai baktērijas šūnu, kurai laboratoriski noņemta siena, un tas ir konkrēts, izmantojams jēdziens augu biotehnoloģijā.

Ķīmiski šūnas saturs ir ūdens šķīdums ar ļoti augstu izšķīdušo un suspendēto vielu koncentrāciju. Lielākā daļa masas ir ūdens, un tieši ūdens īpašības nosaka, ka vielmaiņa vispār var notikt: tas ir šķīdinātājs, siltuma buferis un pats piedalās daudzās reakcijās.

Pārējā daļa ir organiskās makromolekulas un joni. Katrai grupai ir sava loma, un šo lomu pārklāšanās ir iemesls, kāpēc šūnas saturu nevar aprakstīt ar vienu vienkāršu formulu.

• Ūdens: lielākā masas daļa, šķīdinātājs un reakciju dalībnieks.
• Olbaltumvielas: fermenti, citoskeleta pavedieni, transporta un regulējošās molekulas.
• Nukleīnskābes: dažādu veidu RNS citoplazmā un DNS kodolā.
• Lipīdi: visu membrānu pamats, kā arī enerģijas uzkrājumi un signālmolekulas.
• Ogļhidrāti: enerģijas avots un olbaltumvielu marķēšanas sastāvdaļa.
• Joni: kālijs, nātrijs, kalcijs, magnijs, hlorīds; to nevienmērīgais sadalījums rada elektrisko potenciālu.
• Mazās molekulas: aminoskābes, nukleotīdi, vielmaiņas starpprodukti.

Šūnas saturs nav ne īsts šķīdums, ne suspensija. Lielās olbaltumvielu molekulas ir pietiekami mazas, lai nenosēstos, bet pietiekami lielas, lai izkliedētu gaismu un savstarpēji mijiedarbotos. Tieši šī īpašību kopa padara to par koloīdu.

Koloīds var atrasties divos stāvokļos: šķidrākā, plūstošā, ko sauc par zolu, un recekļveida, ko sauc par gelu. Pāreja starp tiem ir atgriezeniska un notiek, mainoties citoskeleta pavedienu sasaistei, kalcija koncentrācijai un temperatūrai.

Tieši šī pāreja izskaidro parādības, kuras vēroja jau pirmie mikroskopisti. Amēbas kustība balstās uz to, ka šūnas ārējā kārta ir recekļveida un notur formu, bet iekšējā ir šķidrāka un plūst uz priekšu. Auga šūnās vērojamā citoplazmas straumēšana savukārt ir citoskeleta motoru darbs, nevis vienkārša plūsma.

19. gadsimta vidus bioloģijā pastāvēja pamatota vēlme atrast dzīvības fizisko nesēju. Protoplazma šai lomai šķita ideāla: to varēja redzēt, tā kustējās, tā reaģēja uz kairinājumiem un tā bija atrodama visos organismos. Tā radās jēdziens, kas bija vienlaikus aprakstošs un filozofisks.

Sabrukums nenāca no vienas atklāsmes, bet no metodikas. Centrifūga ļāva šūnu sadalīt frakcijās, un izrādījās, ka katrai frakcijai ir sava fermentu kopa. Elektronmikroskopija parādīja membrānu sistēmas. Bioķīmija pierādīja, ka dažādas reakcijas notiek dažādās vietās, nevis visur vienādi.

Šodien vārdu saglabā galvenokārt skolu mācību grāmatas, augu bioloģija un vienšūņu apraksti. Zinātniskā rakstā to gandrīz neredz, un tas nav trūkums, bet gan zīme, ka jēdziens ir sekmīgi aizstāts ar precīzākiem.

Medicīnā šūnas iekšējā satura izmaiņas ir viens no pamatmehānismiem, kā audi cieš. Ja šūnai pietrūkst skābekļa, apstājas enerģijas ražošana, un nātrija un kālija sūknis membrānā pārstāj darboties. Nātrijs ieplūst šūnā, tam seko ūdens, un šūna uzbriest.

Ja bojājums ir atgriezenisks, šūna atgūstas. Ja nē, membrānas plīst, fermenti izplūst, un notiek nekroze ar iekaisumu apkārtējos audos. Pilnīgi citādi norit apoptoze, kurā šūna savu saturu sapako mazos, ar membrānu apvilktos gabaliņos, un iekaisums nerodas.

Arī visa organisma līmenī svarīgs ir tas pats princips. Straujas asins nātrija koncentrācijas izmaiņas maina ūdens sadalījumu starp šūnu iekšpusi un ārpusi, un vissmagākās sekas rodas smadzenēs, kur šūnu uzbriešanai nav kur izplesties. Tieši tāpēc ārsti šādus stāvokļus labo pakāpeniski, nevis strauji, un tos ārstē slimnīcā.

Vecās metodes bija vienkāršas: dzīvas šūnas vērošana, krāsošana un fiksēšana. Problēma ir tā, ka fiksēšana un krāsošana pati maina šūnas saturu, un daudzas agrīnās „struktūras" izrādījās tieši šādi radīti artefakti.

Mūsdienu pieeja cenšas šūnu netraucēt. Fluorescējošas iezīmes ļauj sekot konkrētai olbaltumvielai dzīvā šūnā, fotoizbalēšanas metodes ļauj izmērīt, cik ātri molekulas izkliedējas, bet daļiņu mikroreoloģija mēra šūnas iekšējo viskozitāti pēc sīku lodīšu kustības.

Vislielākais pagrieziens ir kriostruktūru metodes, kurās šūnu sasaldē tik strauji, ka ledus kristāli nepaspēj izveidoties, un tad nogriež plānas šķēles elektronmikroskopijai. Šādi iegūtie attēli parāda šūnas iekšieni tuvu dabiskajam stāvoklim, un tie pilnīgi noraida priekšstatu par viendabīgu vielu.

1. Izvēlas, vai šūnai jāpaliek dzīvai; no tā atkarīgas visas turpmākās metodes.
2. Interesējošo molekulu iezīmē ar fluorescējošu marķieri vai antivielu.
3. Ar konfokālo vai virsizšķirtspējas mikroskopiju nosaka, kur molekula atrodas.
4. Ar fotoizbalēšanas atgūšanas metodi mēra, cik brīvi tā pārvietojas.
5. Ar frakcionēšanu un masspektrometriju nosaka, kuras olbaltumvielas atrodas kopā.
6. Ar krioelektronu tomogrāfiju iegūst telpisku attēlu ar minimāli mainītu šūnas saturu.

Pirmā sajaukšana ir ar citoplazmu. Tās nav sinonīmi: protoplazma klasiskajā nozīmē ietver arī kodola saturu, bet citoplazma ir tikai tas, kas ir ārpus kodola. Skolas tekstos šī atšķirība bieži pazūd.

Otrā ir ar citosolu. Citosols ir tikai šķidrā daļa bez organellām, tātad daudz šaurāks jēdziens nekā citoplazma un vēl jo vairāk nekā protoplazma.

Trešā ir ar protoplastu, kas izklausās līdzīgi, bet nozīmē pavisam ko citu: tā ir auga vai baktērijas šūna ar noņemtu sienu. Šo jēdzienu izmanto augu šūnu saplūdināšanā un gēnu pārnesē, un tas ir pilnīgi mūsdienīgs.

Pēdējo gadu atklājumi vecajam novērojumam daļēji devuši taisnību, kaut ne tajā nozīmē, kādā to domāja. Izrādījās, ka šūnas iekšienē ir daudz nodalījumu, kuriem vispār nav membrānas. Tie veidojas, olbaltumvielām un RNS savstarpēji savienojoties un atdaloties no apkārtējā šķidruma tāpat kā eļļas piliens ūdenī.

Šādus veidojumus sauc par bezmembrānas kondensātiem, un pie tiem pieder arī kodoliņš, stresa granulas un vairāki citi jau sen zināmi veidojumi, kuriem tikai tagad ir izskaidrots rašanās mehānisms. Tas nozīmē, ka šūnas saturs patiešām uzvedas kā sarežģīta šķidruma sistēma ar vairākām fāzēm, nevis kā vienkāršs šķīdums.

Vēl viens mūsdienu jēdziens, kas tuvina veco priekšstatu jaunajam, ir makromolekulārā blīvība. Šūnā izšķīdušo un suspendēto molekulu ir tik daudz, ka brīvas telpas paliek maz, un tas maina gan reakciju ātrumu, gan olbaltumvielu salocīšanos salīdzinājumā ar to, kas notiek atšķaidītā mēģenē. Vecais vārds tāpēc ir novecojis, bet novērojums, kas to radīja, nav.