Wykład 1 Biofizyka komórki

Podstawowe rodzaje makrocząsteczek biologicznych

• Warunkują budowę, właściwości i zasadnicze funkcje żywych komórek i organizmów

• Makrocząsteczkowe polimery: białka, kwasy nukleinowe, wielocukry i lipidy

Rodzaj substancji	Budowa i właściwości	Rola biologiczna
Białka	Linearne polimery aminokwasów, złożone struktury wtórne. Masy cząsteczkowe od kilku do kilkuset tysięcy Daltonów,	Większość to enzymy (biokatalizatory). Stanowią składniki błon biologicznych, występują w płynach ustrojowych. Główny składnik włókien mięśniowych i kolagenowych
Kwasy nukleinowe	Linearne polimery nukleotydów, składają się z zasad purynowych i piramidowych, pentozy i kwasu fosforowego. Wyróżnia się: RNA i DNA	DNA stanowi materiał genetyczny komórek i niektórych wirusów. Różne rodzaje RNA uczestniczą w procesach biosyntezy białek. Niektóre wirusy- RNA jako materiał genetyczny
Wielocukry	Linearne lub rozgałęzione polimery cukrów i ich pochodnych	Materiał zapasowy wyższych organizmów (magazynowanie glukozy-glikogen, skrobia). Jeden z podstawowych składników ścian komórek roślinnych (celuloza), wchodzą w skład ściany komórek bakteryjnych (mureina)
Lipidy	Głównym składnikiem są kwasy tłuszczowe lub kwas fosforowy i zasady azotowe. W środowiskach wodnych tendencja do agregacji w duże skupiska	Główny składnik błon komórkowych i błon otaczających organelle wewnątrzkomórkowe. Niekiedy odkładane jako materiał zapasowy (utlenianie= energia dla organizmu)

Białka

• α-helisa umożliwia stworzenie maksymalnej liczby wiązań wodorowych pomiędzy grupami >C=O i H-N< łańcucha polipeptydowego

• β-heliks struktura warstwowa, przypomina wyglądem harmonijkę. Kształt stabilizowany przez wiązania wodorowe występujące pomiędzy sąsiednimi łańcuchami (nićmi beta)

Denaturacja białka

• zmiana konformacji białka pod wpływem środowiska różniącego się od środowiska naturalnego np. znaczna zmiana pH, znaczne podwyższenie temperatury

• rozerwanie wiązań wodorowych

• ewentualne utworzenie innych wtórnych oddziaływań

• cząsteczka osiąga stan zapewniający jej osiągnięcie lokalnego minimum energii swobodnej w nowych warunkach

• efekt: utrata aktywności biologicznej białek

Kwasy nukleinowe

• budowa linearna

• 4 rodzaje nukleotydów

• Kwasy dezoksyrybonukleinowe-nukleotydy których najważniejszym elementem są zasady azotowe ( A, G, C, T)

• Kwasy rybonukleinowe- nukleotydy których najważniejszym elementem są zasady azotowe (A, G, C, U)

Skład chemiczny i właściwości	DNA	RNA
Cukier pięciowęglowy	dezoksyryboza	Ryboza
Zasady azotowe purynowe	Adenina, guanina	Adenina, Guanina
Zasady azotowe pirymidowe	Cytozyna, Tymina	Cytozyna, Uracyl
Grupa kwasowa	Reszta fosforanowa	Reszta fosforanowa
Liczba łańcuchów (nici)	2 (niezbędna do prawidłowej replikacji, biosyntezy RNA na matrycy DNA)	1
Rodzaje kwasów nukleinowych	Jeden rodzaj DNA	mRNA- przekazuje informację genetyczną z jądra do cytoplazmy tRNA- transportuje aminokwasy z cytoplazmy do rybosomów rRNA- buduje rybosomy (wraz z białkami)
Funkcje	Źródło informacji genetycznej, sterują syntezą białek	mRNA- zawiera kopię kodu i przenosi ją na rybosomy tRNA- transportuje aminokwasy do rybosomów rRNA- udział w biosyntezie białka
Miejsce występowania w komórce	eukariotyczna: jądro, mitochondria, chloroplasty prokariotyczna: genofor, plazmid	eukariotyczna: jądro, cytoplazma, mitochondria, chloroplasty, rybosomy prokariotyczna: cytoplazma, rybosomy

Właściwości optyczne kwasów nukleinowych:

• silna absorpcja promieniowania nadfioletowego, maksimum absorpcji 260nm (obecność zasad purynowych i pirymidynowych)- ułatwienie wykrywania i ilościowego oznaczania

Lipidy

• kwasy tłuszczowe o kilkunastowęglowych łańcuchach węglowodorowych połączonych wiązaniami estrowymi z glicerolem lub rzadziej z innymi alkoholami złożonymi

• tłuszcze proste- główna część materiału zapasowego tkanki tłuszczowej

• tłuszcze złożone- zawierają dodatkowo reszty kwasu fosforowego, zasady azotowe (kolamina, cholina), cukry Np. Lecytyna (jeden z głównych składników błon komórkowych)

Hydrofobowość tłuszczów

• z uwagi na łańcuchy węglowodorowe

• skłonność cząsteczek chemicznych do odpychania od siebie cząsteczek wody

• tłuszcze nie rozpuszczają się w wodzie, gdyż oddziaływania van der Waalsa pomiędzy kwasami tłuszczowymi są silniejsze od oddziaływań pomiędzy tłuszczem a polarnym rozpuszczalnikiem

• najlepsze izolatory elektryczne- błony lipidowe i tkanka tłuszczowa odznaczają się małą zawartością wody i jonów

Amfifilowość tłuszczów

• strony polarne grupy tłuszczów złożonych (reszty fosforanowe, zjonizowane zasady azotowe) są hydrofilowe i ich kontakt z wodą jest korzystny

• tłuszcze złożone kontaktując się z wodą tworzą struktury uzupełniające warunki hydrofobowe i hydrofilowe. Uporządkowanie umożliwia kontakt grup polarnych z wodą zaś hydrofobowe obszary cząsteczek powstają w kontakcie ze sobą, tworząc wewnętrzne, niewodne środowisko

• zjawisko obserwowane w przypadku niektórych związków chemicznych, polegające na jednoczesnej niepełnej rozpuszczalności danego związku w dwóch różnych rozpuszczalnikach

Komórka

• podstawowy element budulcowy organizmów żywych

• różnice w zależności od budowy, wielkości, spełnianych funkcji

• „typowa komórka”-1-3 µm wielkości, 2-3µm³ szerokości, 70% substancji komórkowej to białka, 15% kwasy nukleinowe, 10% lipidy, 5% cukrowce

Komórka odrębność od otoczenia

• Odrębność od otoczenia= odrębność składu chemicznego

• Organizmy żywe żyjące w wodach słodkich z reguły mają w swoich komórkach wyższe stężenie jonów (K⁺, Na⁺, Cl^-) niż wynosi ono w środowisku zewnętrznym

• Organizmy żywe żyjące w wodach słonych z reguły usuwają nadmiar jonów i ich stężenie wewnątrz komórki może być niższe od zewnętrznego

• Tylko organizmy żywe- po śmierci organizmu przeważają procesy niwelujące tę granicę

Komórka- wysoki stopień organizacji

• Poziom cząsteczkowy (białka i inne makrocząsteczki)

• Poziom subkomórkowy

• Wyższe szczeble organizacji (tkanki, narządy, organizmy, gatunki, biocenoza)

Komórka- wzrost i rozmnażanie

• Powiększanie ilości wysoko zorganizowanej materii kosztem nieuporządkowanych (pod kątem termodynamicznym) składników otoczenia

• Powstanie wysoko zorganizowanego układu prowadzi do znacznego obniżenia się entropii

Komórka- wzrost i rozmnażanie się. Przemiany materii

• Pobieranie z otoczenia składników pokarmowych

• Utlenianie niektórych składników pokarmowych uzyskiwanie energii chemicznej przetworzenie na inne rodzaje energii

• Termodynamika istota procesów życiowych to sprzężenia pomiędzy przemianami zwiększającymi entropię a przemianami lokalnie zmniejszającymi entropię

Komórka- wzrost i rozmnażanie się. Pobudliwość

• Specyficzna reakcja na bodźce zewnętrzne

• Bodziec o niewielkiej energii (zmiana oświetlenia, drobne ilości różnych substancji) często wywołują wyraźne, gwałtowne zmiany np. ruch całego organizmu

• Dochodzi do bardzo dużego wzmocnienia na drodze pomiędzy bodźcem a efektem

Komórka- wzrost i rozmnażanie się. Homeostaza

• W stosunku do niektórych bodźców organizmy adaptują się przy możliwie małych zmianach środowiska wewnętrznego ustroju

• Zdolność organizmu do samoregulacji

Źródła energii komórki. Utlenianie biologiczne

• Przeniesienie atomów wodoru do zredukowanych substratów na atomy tlenu lub przeniesienie elektronów z układu o niskim potencjale utleniająco-redukującym na tlen

• Odbywają się w mitochondriach

• Elipsoidalne organelle ograniczone dwiema warstwami błon lipidowo-białkowych

• Błona wewnętrzna

• Na błonie wewnętrznej osadzone są kompleksy enzymów katalizujących utleniania i sprzężone z nimi procesy fosforylacji ADP do ATP

• Pozwala to na zachowanie części energii procesów utleniania w postaci nadającej się do wykorzystania dla prowadzenia innych przemian w żywej komórce

• Warunek niezbędny- odpowiednie rozmieszczenie przestrzenne cząstek substratów i enzymów biorących udział w procesach sprzężenia utlenień z fosforylacją

• Rozmieszczenie jest zapewnione przez związanie czynnych elementów z błoną mitochondrialną

Źródła energii komórki. Fotosynteza

• Chloroplasty

• Absorpcja kwantów promieniowania widzialnego w zakresie 600-700nm i wykorzystanie tej energii do przeniesienia elektronów z układu o wysokim potencjale utleniająco-redukującym (H₂O) do układów o niskim potencjale

• Fotosynteza jako odwrócenie utleniania

Zużytkowanie energii przez komórkę

• 3 rodzaje pracy

• Chemiczna praca biosyntezy

• Praca osmotyczna czyli praca transportu

• Praca mechaniczna

Zużytkowanie energii przez komórkę. Chemiczna praca biosyntezy.

• Syntezy wielu związków jakie zachodzą w komórce są procesami endoenergetycznymi wymagającymi dostarczenia swobodnej energii

• Z reakcjami biosyntezy wiąże się zmniejszenie entropii układów. Tworzenie makrocząsteczek o ściśle ustalonej sekwencji z mieszaniny monomerów (aminokwasów, nukleotydów) obniża entropię i wymaga sprzężenia z procesami które powodują znaczniejsze zwiększenie entropii

Zużytkowanie energii przez komórkę. Praca osmotyczna.

• Żywe komórki mają zdolność do wychwytywania ze środowiska składników pokarmowych (nawet jeśli te składniki występują w niewielkich stężeniach) i nagromadzania w ich wnętrzu

• Komórki mają również zdolność do wychwytywania bądź wydalania jonów wbrew gradientom stężeń w wyniku działania pompy jonowej

• Przemieszczenie jonów przeciwko gradientom potencjałów elektrochemicznych prowadzi do zwiększania uporządkowania układów a więc do zmniejszania entropii (jak w pracy chemicznej)

Zużytkowanie energii przez komórkę. Praca mechaniczna

• Ruch protoplazmy w komórce – zazwyczaj ruch powolny o prędkości rzędu mikrometra na minutę. W niektórych komórkach może być intensywniejszy, prowadzić do uwypukleń błony komórkowej i zmian położenia komórki. Tak przemieszczają się ameby, podobnie leukocyty.

• Ruch elementów komórki podczas mitozy

• Rozdwojone chromosomy przemieszczają się ku biegunom jądra. Istotną rolę w tym procesie odgrywają mikrotubule (włókienka białkowe). Włókna te zaczepione do chromosomów przesuwają się aktywnie wzdłuż pozostałych mikrotubul pociągając chromosomy w stronę biegunów wrzeciona mitotycznego. W miarę tego ruchu odcinki włókien w pobliżu biegunów ulegają depolimeryzacji i zanikają

Błona komórkowa

• Warstwa odgraniczająca komórkę od otoczenia

• Występują również we wnętrzu komórki

• Umożliwia rozgraniczenie procesów przebiegających w różnych częściach komórki

• Nadaje reakcjom chemicznym określony kierunek w sensie geometrycznym, nie przestrzennym (zgodnie z zasadą Curie-Prigogine’a). Reakcje chemiczne zlokalizowane w błonach i katalizowane przez enzymy tam umiejscowione są zorientowane w przestrzeni. Takie procesy mogą być sprzężone w sensie termodynamicznym z ukierunkowanymi przepływami np. transportem jonów.

Zasada Curie-Prigogine’a

• O związkach między symetrią przyczyn a symetrią skutków które występują w przyrodzie po raz pierwszy wypowiedział się w 1894r. Piotr Curie „Gdy kilka różnych zjawisk natury nakłada się nawzajem tworząc jeden układ ich dyssymetrię sumują się. W rezultacie pozostają tylko te elementy symetrii, które są wspólne dla każdego zjawiska wziętego oddzielnie”.

Błona komórkowa

• Podstawowy składnik budowy-lipidy

• Podstawowa organizacja układów lipid-woda – tworzenie dwumolekularnych warstw

• Siły utrzymujące błonę i umożliwiające jej samoorganizację:

1. Siły van der Waalsa (oddziaływania między dipolem trwałym a indukowanym. Siły te powstająca skutek wzajemnego oddziaływania jąder i elektronów w cząsteczkach. W wyniku nieustannego ruchu elektronów i oscylacji jąder atomowych dokonuje się czasowa polaryzacja ładunków i powstają indukowane chwilowe dipole).

2. Oddziaływania hydrofobowe pomiędzy apolarnymi resztami wewnątrz błony- polegają na łączeniu się grup hydrofobowych w celu ochrony cząsteczki przed oddziaływaniem na nie cząsteczek wody. Oddziaływanie to odpycha cząsteczki wody. Jest to szczególne oddziaływanie ponieważ najczęściej rozpuszczalnikiem jest woda. Oddziaływanie to występuje w białkach ze strukturą trzeciorzędową oraz czwartorzędową. Oddziaływanie hydrofobowe występuje zwykle w cząsteczkach, które nie posiadają momentu dipolowego. Istnieją cząsteczki , które są jednocześnie hydrofilowe i hydrofobowe, gdyż na jednym końcu posiadają grupy polarne a na drugim niepolarne.

3. Oddziaływania elektryczne pomiędzy polarnymi grupami w zewnętrznych warstwach błony a dipolami wodnymi.

• Kolejny istotny element budowy- białka

• Część z nich jest związana z zewnętrzną bądź wewnętrzną powierzchnią błony lipidowej natomiast inne są zakotwiczone w błonie

• Białka zakotwiczone w błonie mają na powierzchniach styku z lipidami znaczne ilości aminokwasów apolarnych, natomiast ich części znajdujące się na zewnątrz błony są obdarzone ładunkami elektrycznymi.

• Białka, które penetrują błonę mogą tworzyć kanały, przez które może postępować transport substancji małocząsteczkowych.

• Wiele białek błon to enzymy z których część odpowiedzialna jest za aktywny transport substancji przez błonę.

Transport przez błony. Transport aktywny

• Transport najczęściej wbrew gradientowi stężenia danej substancji dla podtrzymania którego potrzebny jest nakład energii

• Energia jest dostarczana przez egzoergiczną reakcję chemiczną sprzężoną w sensie termodynamicznym z transportem

• Reakcją egzoergiczną jest rozpad ATP do ADP i fosforan

• Mechanizm- pompa jonowa

Transport przez błony. Transport bierny.

• Ze względu na mozaikową strukturę błon biologicznych możliwy jest transport substancji małocząsteczkowych przez błony, którego siłą napędową jest gradient potencjału chemicznego (gradient stężenia)

• Może pojawić się przeszkoda dla dyfundujących jonów w postaci kanałów białkowych.

Transport przez błony. Transport na nośnikach.

• Niektóre substancje mogą łatwiej przenikać przez błony, jeśli są związane w kompleksy Ze związkami o większym powinowactwie do apolarnej fazy lipidowej.

• Przykład: cykliczne peptydy dla jonów sodu i potasu.

Potencjał spoczynkowy

• Występuje pomiędzy wnętrzem komórek tkanek pobudliwych a płynem zewnątrzkomórkowym

• Stała, występująca w spoczynku różnica potencjału elektrycznego

• Spowodowany właściwościami błony komórkowej przez którą jony o dodatnim ładunku elektrycznym przenikają z trudnością

• Przykład: wnętrze neuronu ma ładunek ujemny w stosunku do otoczenia. Ujemny potencjał spoczynkowy wewnątrz neuronu wynosi od -60 do -80mV, średnio -70mV; natomiast w komórkach mięśniowych poprzecznie-prążkowanych od -80 do -90mV

Komórka nerwowa

• Tkanka nerwowa to skupisko wyspecjalizowanych komórek, które mają zdolność do reagowania szybkimi zmianami potencjałów na określone bodźce zewnętrzne

• Otoczka lipidowo-białkowa (osłonka mielinowa) charakteryzuje się małą przepuszczalnością dla wody i jonów, posiada znaczną oporność elektryczną

• W przewężeniach Ranviera oporność elektryczna znacznie spada. Akson w tych miejscach kontaktuje się ze swoim otoczeniem- płynem śródtkankowym.

• Komórka nerwowa kontaktuje się z innymi komórkami nerwowymi lub mięśniowymi za pomocą synaps.

• Potencjał wnętrza komórki w stanie spoczynku jest ujemny i wynosi ok. -90mV s stosunku do otaczającego komórkę płynu międzytkankowego.

• Działaniem czynników chemicznych np. acetylocholiną, względnie fizycznych np. elektrycznych można wywołać depolaryzację błony komórkowej.

• Gdy napięcie depolaryzujące przekracza pewną wartość krytyczną (progową-20-40mV) pojawia się potencjał czynnościowy

• Bezwzględna wartość ujemnego potencjału wnętrza komórki gwałtownie spada do zera- błona ulega depolaryzacji po czym przepolaryzowuje się na znak dodatni

• Po osiągnięciu wartości maksymalnej (ok. 440mV) szybko opada nawet poniżej wartości spoczynkowej i dopiero wraca do wartości wyjściowej

• Gwałtowna zmiana potencjału przy pobudzeniu komórki nerwowej jest wynikiem szybkiego wzrostu przepuszczalności błony dla kationów, w pierwszym rzędzie sodu a następnie podobnie szybkiego zmniejszenia tej przepuszczalności

• W pierwszej fazie jony Na⁺ gwałtownie dyfundują do wnętrzna komórki neutralizując jej potencjał ujemny a następnie zmieniają ten potencjał na dodatni względem płynu międzykomórkowego na skutek wytworzenia własnego potencjału dyfuzyjnego.

• Mniej więcej od chwili osiągnięcia maksimum potencjału dodatniego błony komórkowej zaczyna się zmniejszać jej przepuszczalność dla jonów Na⁺ natomiast w międzyczasie wzrasta przepuszczalność dla jonów K⁺.

• Po ustaleniu się przepuszczalności błony komórkowej na poziomie normalnym potencjał spoczynkowy stabilizuje się również na poziomie -90mV

• Zmiany w stężeniu sodu i potasu w komórce na skutek pojedynczego procesu depolaryzacji są nieznacznie w porównaniu z całkowitymi stężeniami tych jonów

• Zmiany są wyrównywane po pewnym czasie dzięki stale działającemu mechanizmowi pompy jonowej

Przewodzenie impulsów nerwowych

• Depolaryzacja błony komórkowej w jakimś miejscu przy niezmienionym potencjale sąsiednich odcinków błony wywołuje przepływ prądu skierowany tak, aby wyrównać różnicę potencjałów. Powoduje to obniżenie potencjału sąsiedniego obszaru błony i wyzwala jej dalszą, samorzutną depolaryzację. W ten sposób wzdłuż włókna przemieszcza się fala zmian potencjału.

• W przypadku nerwu, porytego osłonką mielinową która jest dobrym izolatorem elektrycznym, prądy mogą płynąć tylko od jednego do drugiego węzła Ranviera

• Pobudzenie rozchodzi się skokowo co znacznie zwiększa szybkość przemieszczania się

• Dochodząc do zakończenia włókna nerwowego fala depolaryzacji powoduje aktywację synaps

• Wydziela się mediator, który przekazuje impuls na nowe włókno nerwowe

Percepcja i przekazywanie informacji. Komórki receptorowe.

• Rola układu nerwowego

• Odbieranie informacji dochodzących ze środowiska zewnętrznego

• Odbieranie, przetwarzanie, przechowywanie, przekazywanie informacji o stanie organizmu

• Element wejściowy: komórki receptorowe

• Reakcja na ściśle określone bodźce, substancje chemiczne, zmiany temperatury, naprężenia mechaniczne

Percepcja i przekazywanie informacji. Chemoreceptory.

• Receptory węchowe i smakowe

• Reagują na zetknięcie z pewnymi substancjami chemicznymi.

• Na powierzchniach błon receptorów muszą znajdować się centra wiążące o określonym kształcie

• Związanie substancji wywołuje zmiany konformacji białka receptorowego

Percepcja i przekazywanie informacji. Receptory wzrokowe.

• W bardzo silnie rozwiniętej błonie receptorów wzrokowych znajduje się kompleks białka (opsyny) z substancją małocząsteczkową (retitenem)

• W wyniku absorpcji kwantu świetlnego retinen zmienia swoją konformację z cis na trans. Trans-retinen oddziela się od cząsteczki opsyny. W ciemności kompleks regeneruje się.

Percepcja i przekazywanie informacji. Przenoszenie informacji przez włókna nerwowe.

• Potencjał generowany zależy od natężenia bodźca

• Im wyższe natężenie bodźca tym wyższy potencjał depolaryzacji komórki receptorowej

• Potencjał generujący wywołuje depolaryzację neuronu inicjując przenoszenie informacji wzdłuż włókna nerwowego

• Gdy potencjał generatorowy receptora pobudza neuron w sposób ciągły neuron reaguje serią impulsów depolaryzacji

• Informacja o natężeniu bodźca zostaje zakodowana w formie modulacji amplitudy przez receptor i w formie modulacji częstotliwości przez neuron (dalej przekazywana do OUN)

• System modulacji częstotliwości jest znacznie mniej wrażliwy na zakłócenia w przekazywaniu informacji niż system oparty na modulacji amplitudy

• Pojedynczy impuls nie jest odbierany przez układ nerwowy jako sygnał niosący informację. Mogą powstawać przypadkowo i stanowić szumy, dlatego seria impulsów o cechach regularności stanowi sygnał sensowny.

Percepcja i przekazywanie informacji. Przetwarzanie informacji przez sieci nerwowe

• Sieć nerwowa= nerwy obwodowe + komórki OUN

• Analiza odbieranych bodźców zewnętrznych, przechowywanie informacji w pamięci, kojarzenie, porównywanie informacji oraz sterowanie czynnościami organizmu

Percepcja i przekazywanie informacji. Przechowywanie informacji w systemie nerwowym

• Układy impulsów dochodzące do OUN mogą być po pewnym czasie odtwarzane pamięć

• Pamięć krótkotrwała rozciąga się w czasie kilkudziesięciu do stu kilkudziesięciu sekund. Można ją usunąć np. przez szok elektryczny, silny szok mechaniczny, oziębienie tkanki mózgowej.

• Podłożem pamięci krótkotrwałej są impulsy elektryczne krążące po obwodach zamkniętych składających się z komórek nerwowych

• Impuls dochodzący z zewnątrz do neuronu 1 krąży po pętli składającej się z neuronów 2,3,4 i przy dodatkowej aktywacji innym czynnikiem może być odbierany przez neuron 5

• Czynniki zaburzające przepływ impulsów w pętli trwale niszczą ten element pamięci

• Z pamięci krótkotrwałej informacje są przekazywane do pamięci długotrwałej i tam mogą być przechowywane przez dziesięciolecia

• Dwie hipotezy powstawania pamięci długotrwałej

• Utrwalenie połączeń pomiędzy neuronami szczególnie łatwo przewodzących impulsy. Ogólny bodziec działający następnie na ten obszar miałby tendencję do przebiegania przede wszystkim przez tak utrwalone połączenie

• Biosynteza substancji (kwas nukleinowy lub białko) modyfikowanych pod wpływem impulsów elektrycznych pamięci krótkotrwałej. Substancje te mogą być również materialnym nośnikiem pamięci osobniczej, tak jak chromosomalny DNA jest nośnikiem pamięci gatunkowej.

Tkanka mięśniowa

• Sarkolemma jako błona lipidowo-białkowa

• Kanały T jako kanały poprzeczne sięgające wgłąb komórki

• Błona komórkowa komórki mięśniowej jest bardziej przepuszczalna dla jonów K⁺ niż Na⁺ a zlokalizowany w niej mechanizm pompy jonowej powoduje iż wewnątrz komórki mięśniowej stężenie jonów K⁺ jest większe, a jonów Na⁺ i Ca²⁺ mniejsze niż w płynie otaczającym komórkę

• Potencjał wnętrza komórki mięśniowej wynosi ok. -90mV

• Do komórek mięśniowych dochodzą zakończenia nerwów i łączą się z nimi przez synapsy nerwowo-mięśniowe

• Impuls nerwowy dociera za pośrednictwem synapsy do błony komórki mięśniowej i depolaryzuje ją analogicznie do komórki nerwowej

• Depolaryzacja przez system kanalików T dociera do wnętrza włókienek w bezpośrednie sąsiedztwo miofibryli

• Zmiana spadku potencjału na błonie powoduje uwolnienie jonów wapnia które w fazie spoczynku komórki związane są ze specyficznym białkiem.

• Zmiana potencjału elektrycznego wywołuje taką zmianę konformacji tego białka iż zmniejsza się jego powinowactwo do jonów Ca²⁺

• Jony dyfundują do wnętrza miofibryli i zapoczątkowują tam dalszy etap zmian prowadzących do skurczu komórki

Właściwości białek mięśniowych. Struktura sarkomeru

• Aktyna- 25% białkowych składników miofibryli

• Na spiralach zlokalizowane są dodatkowo białka troponina i tropomiozyna

• Układ tych białek ma zdolność wiązania wapnia wnikającego do wnętrza sarkomeru i w odpowiedzi na ten sygnał reguluje procesy skurczu i rozkurczu mięśnia

• Miozyna- 50-55% białek miofibryli

• Miozyna ma tendencje do polimeryzacji- cząsteczki łączą się w wydłużone agregaty- włókna wypełniające pasma anizotropowe A miofibryli

• Miofibryle poprzedzielane są poprzecznymi błonami (błonami podstawowymi) czyli błonami Z, na odcinki zwane sarkom erami

Właściwości białek mięśniowych. Mechanizm skurczów sarkomerów.

• W stanie spoczynku w miofibrylach znajdują się znaczne ilości ATP związanego z białkami włókienkowymi- jest to rodzaj inhibitora nie dopuszczającego do ścisłego połączenia się włókien aktyny z włóknami miozyny

• Pod wpływem depolaryzacji sarkolemmy w obszarach kanałów T dochodzi do wniknięcia jonów Ca²⁺ wgłąb miofibryli, uaktywniona ATP-aza rozkłada ATP, a włókna aktyny zostają nasunięte na włókna miozyny tak aby wytworzyła się znaczna liczba połączeń między monomerami tych białek.

• Wówczas błony Z zbliżają się do siebie a cały sarkomer ulega skróceniu mimo iż długość samej aktyny i miozyny nie uległa zmianie

• W tym czasie jony wapnia znikają z wnętrza miofibryli. Aktywność ATP-azowa znika, ATP ulega odtworzeniu i wiązania między monomerami aktyny i miozyny zostają zerwane. Włókna rozsuwają się i sarkomer wraca do pierwotnej długości

• Przy oddziaływaniu włókien aktyny z miozyną powstaje siła skierowana równolegle do osi włókien- wyrażona w sile skurczu mięśnia

• Od włókien miozyny do włókien aktyny przebiegają połączenia „mostki” skierowane ukośnie do osi włókien

• Siła oddziaływania ma składową równoległą i prostopadłą do osi sarkomeru. Składowa równoległa zsumowana dla wszystkich połączeń jest siłą skurczu mięśnia.

Właściwości białek mięśniowych. Energetyka mięśnia.

• Rozkład ATP oraz łączenie aktyny z miozyną- procesy samorzutne, egzogenne

• Mięsień w stanie rozkurczu- sprężyna gotowa do wykonania skurczu. ATP- inhibitor, który nie dopuszcza do skurczu. Usunięcie inhibitora= samorzutny skurcz połączony z wykonaniem pracy. Proces rozkurczu wymaga odtworzenia ATP na włóknach białkowych a więc nakładu energii.

Właściwości białek mięśniowych. Energetyka mięśnia- regeneracja ATP.

• Główny proces- przemiana tlenowa odbywająca się w mitochondriach

• Zależność między intensywnością pracy normalnie wykonywanej przez mięsień a liczbą mitochondriów w komórce mięśniowej

• Gdy tlen jest niedostatecznie doprowadzany do silnie pracującego mięśnia, w odtwarzaniu ATP zaczyna ogrywać proces glikolizy- beztlenowego rozpadu cukrów (mniej wydajny energetycznie od utleniania)

• W mięśniu znajdują się zapasy glikogenu, który w razie potrzeby zostaje rozłożony na monomer, glukozę i zmetabolizowany.

• Część energii chemicznej jest magazynowana w mięśniu w formie fosfokreatyny skąd reszta fosforanowa może być przerzucona na ADP regenerując zapas ATP.

Właściwości białek mięśniowych. Energetyka mięśnia

• Równanie Hilla

• Zależność między siłą wywieraną przez mięsień a szybkością z jaką się kurczy

• Moc wyzwalana przez mięsień jest proporcjonalna do różnicy między maksymalną siłą, jaką może wywrzeć mięsień przy skurczu izometrycznym a aktualnie przyłożoną siłą

Tkanka łączna i kostna

• Podstawowy element budowy tkanki łącznej- kolagen

• Oprócz nich występują: substancja międzykomórkowa i komórki np. fibroblasty (komórki produkujące cząsteczki tropokolagenu, polimeryzującego następnie na kolagen)

• Zależnie od sposobu ułożenia włókien kolagenowych i rodzaju materiału wypełniającego przestrzenie między włóknami, organizmy wytwarzają tkanki o różnych właściwościach- duża wytrzymałość na zerwanie- ścięgna, duża sztywność- kość, duża elastyczność- skóra, duża przezroczystość- rogówka oka, niski współczynnik tarcia- chrząstka.

Ułożenie kolagenu w tkankach

• Ścięgna- włókna kolagenu przebiegają równolegle do siebie wzdłuż osi ścięgna; duża wytrzymałość na rozerwania w kierunku podłużnym, mniejsza w kierunku poprzecznym

• Skóra- włókna ułożone w różnych kierunkach i w wielu warstwach; znaczna elastyczność, znaczna wytrzymałość mechaniczna w dwóch kierunkach, w płaszczyźnie skóry; wytrzymałość w kierunku prostopadłym do tej płaszczyzny jest znacznie mniejsza.

• Rogówka-przezroczysta dla promieni świetlnych, pomimo złożonej struktury; warstwowe ułożenie kolagenu; w każdej warstwie przebiegają w przybliżeniu równolegle do siebie w sąsiednich warstwach krzyżują się pod kątem prostym

Kości i chrząstki

• Kości- przebieg włókien kolagenowych odpowiada przebiegowi linii naprężeń występujących w kościach

• W ten sam sposób ułożone są kryształy związków nieorganicznych (fosforanów wapnia) wypełniające znaczną część przestrzeni między włóknami kolagenu

• Składniki te razem tworzą blaszkowatą strukturę kości

• Dzięki występowaniu w strukturze kości dwóch rodzajów materiałów bardzo różniącymi się właściwościami fizycznymi

• Nieorganiczne fosforany nadają kości twardość i sztywność, zwiększają wytrzymałość kości na złamanie

• Włókna kolagenowe nadają kości odporność na rozerwanie

• Chrząstka- bezładnie ułożone, bardzo cienkie włókna kolagenu; znaczne ilości substancji międzykomórkowej; zapewnienie elastyczności , powodują niski współczynnik tarcia