1. Literatura podstawowa: „Podstawy biologii komórki” Bruce Alberts, 2007, PWN, Warszawa

2. Literatura uzupełniająca:

   1. „Biologia komórki roślinnej” P. Wojtaszek, 2008, PWN, Warszawa,

   2. „Strukturalne podstawy biologii komórki” Kilarski, 2003, PWN, Warszawa.

Wykład pierwszy – 5.12.2012

1. Wszystkie organizmy żywe zbudowane są z komórek.

   1. Komórki to twory otoczone błoną oddzielającą je od środowiska zewnętrznego.

   2. Woda, wodny roztwór organicznych i nieorganicznych substancji – tym jest wypełniona komórka,

   3. Komórki mają zdolność do samo powielania się,

   4. Nowe komórki powstają przez podział już istniejących komórek,

   5. Organizmy zbudowane z jednej komórki są najprostszą formą życia.

   6. Komórki różnią się wyglądem, wielkością i funkcją, ale są zbudowane z tych samych elementów strukturalnych

   7. Funkcje różnych komórek opierają się na tych samych podstawowych procesach chemicznych,

   8. Cechą wspólną wszystkich komórek jest:

      1. Informacja o strukturze i funkcjonowaniu komórki jest zapisana w DNA,

      2. We wszystkich typach komórek informacja ta jest zamieniana (transkrybowana) na RNA,

      3. Informacja w DNA po przepisaniu na RNA decyduje o strukturze białek – bialka decydują jak zbudowana jest komórka i jak funkcjonuje,

   9. Wszystkie żyjące dziś komórki powstały przez ewolucję z jednej, pierwotnej komórki.

2. HISTORIA BIOLOGII KOMÓRKI:

   1. 1655 r. Robert Hooke po raz pierwszy zaobserwował komórki,

   2. Za początek biologii komórki jako nauki uważa się prace botanika Matthiasa Schleidena w 1838 r. i zoologa Theodora Schwanna w 1839 r.

   3. Louis Pasteur w latach 60-tych XIX w. : nowe komórki powstają tylko przez podział już istniejących komórek,

3. Podział komórek ze względu na budowę:

   1. Prokariotyczne

   2. Eukariotyczne (jadro ograniczone błoną – tu jest zasób DNA)

4. Struktury komórkowe:

   1. Błony komórkowe:

      1. Oddziela komórkę od środowiska zewnętrznego albo od innych komórek

      2. Dzielą przestrzeń wewnątrz komórki na mniejsze przedziały (umożliwia to równoczesny przebieg różnych (i przeciwstawnych) reakcji)

      3. Błony kierują i regulują przepływ substancji z i do komórki oraz wewnątrz niej.

   2. Jądro komórkowe:

      1. Są tylko u eukariontów, zawierają główną część materiału genetycznego (informacji genetycznej),

      2. Na ogół największa organella wewnątrz komórki,

      3. Jest otoczone podwójną błoną jądrową,

      4. Wewnątrz jądra są chromosomy (długie odcinki DNA + białka)

   3. Mitochondria:

      1. W komórkach eukariotycznych,

      2. Otoczone podwójną błoną,

      3. Mają własne odcinki DNA (tutaj są kuliście zakręcone),

      4. Dzielą się przez podział, podobnie jak komórki prokariotyczne,

      5. Następuje tu rozkład cukrów i synteza ATP, który jest źródłem energii dla większości procesów komórkowych,

      6. Rozkład cukrów – oddychanie komórkowe (do niego potrzebny jest tlen, a produktem końcowym oprócz ATP jest CO₂)

   4. Chloroplasty:

      1. Energia promieniowania słońca zamieniana na energię chemiczną (wiązań chemicznych w cząsteczkach cukrów),

      2. Otoczone podwójną błoną chloro plastyczną, mają tez stosy błon, w których jest chlorofil (fotosynteza; substraty: CO₂, H₂O; produkty: cukier i O₂),

   5. Retikulum endoplazma tyczne (ER):

      1. Siateczka pojedynczych błon zamykająca część przestrzeni w komórce,

      2. Powstają tu błony komórkowe i szereg substancji wysyłanych przez komórkę na zewnątrz,

5. Budowa błony komórkowej:

   1. Grubość ok. 5nm (bez białek transbłonowych)

   2. Lipidy + białka,

   3. Struktura dwuwarstwowa – amfipatyczne cząsteczki lipidów przylegają do siebie odcinkami hydrofobowymi, a na zewnątrz kierują fragmenty hydrofilowe,

   4. Są też glikolipidy i glikoproteiny,

6. Właściwości i funkcje błon komórkowych:

   1. Otacza komórkę,

   2. Definiuje granicę komórki,

   3. Utrzymuje różnice między cytozolem (wnętrzem komórki) a środowiskiem zewnętrznym,

   4. Służy do wymiany substancji i informacji między komórkami i środowiskiem,

   5. U eukariontów błony tworzą lub otaczają:

      1. Jądro,

      2. Retikulum endoplazma tyczne,

      3. Aparat Golgiego,

      4. Mitochondria,

      5. Chloroplasty.

   6. Inne funkcje (poza rozgraniczaniem obszarów o różnych właściwościach):

      1. Aktywny transport wybranych związków chemicznych z i do wnętrza komórki i organelli komórkowych,

      2. Odbiór sygnałów z zewnątrz komórki,

      3. Synteza ATP – podstawowego źródła energii dla procesów komórkowych,

      4. Wytwarzanie i przenoszenie ładunków elektrycznych (komórki czerwone mięśniowe zwierząt)

   7. Błony komórkowe są nieprzepuszczalne i przez to komórka może zachowywać optymalny dla swego funkcjonowania skład i zawartość pierwiastków i związków chemicznych,

   8. Błony zbudowane są głównie ze struktur i białek powiązanych wiązaniami niekowalencyjnymi,

   9. Błony to struktury płynne w ciągłym ruchu, cząsteczki stale się przemieszczają w strukturze błony,

   10. Podstawą budowy jest podwójna warstwa lipidowa o grubości ok. 5nm,

   11. Warstwa lipidowa jest odpowiedzialna za izolację komórki od otoczenia lub jednych obszarów komórki od innych (lipidy nieprzepuszczalne są dla wody),

   12. Za inne funkcje błon (odbiór sygnałów, wytwarzanie sygnałów elektrycznych, przepuszczanie ?) odpowiadają białka.

7. Tłuszcze tworzące błony:

   1. Fosfoglicerydy,

   2. Sfingolipidy,

   3. Sterole.

8. Składniki lipidowe mają zdolność do samoorganizowania się w środowisku wodnym. Między innymi dlatego tworzą dwuwarstwowe błony.

9. W komórkach zwierzęcych najczęstszymi fosfolipidami są fosfoglicerydy, w tym:

   1. Fosfatydyloetanoloamina,

   2. Fosfatydyloseryna,

   3. Fosfatydylocholina.

10. W miejscu występowania podwójnych wiązań seryny, łańcuchy lekko się wyginają.

11. Fosfolipidy są najważniejszymi składnikami strukturalnymi błon – jest ich najwięcej.

    1. Mają polarną głowę i dwa hydrofobowe ogony o różnej długości (14-24 atomy węgla), niektóre wiązania między atomami węgla w jednym z ogonów są nienasycone (wyginają się),

       1. Cholina,

       2. Kwas winowy,

       3. Kwas oleinowy (częsty w strukturze błon),

       4. Kwas linolowy,

    2. Wpływ fosfolipidów z łańcuchami nienasyconych kwasów tłuszczowych na błonę: zmniejszenie grubości błony, struktura staje się mniej dokładna (zwarta),

12. Właściwości fizyko-chemiczne lipidów w błonie:

    1. Nie zajmują stałych miejsc i wykonują różne ruchy:

       1. Rotacyjne (obrót wokół własnej osi),

       2. Fleksyjne (wyginanie łańcucha alifatycznego),

       3. Dyfuzja boczna (w płaszczyźnie błony),

       4. Dyfuzja międzywarstwowa (pomiędzy warstwami błony – z małą intensywnością)

Wykład drugi – 12.12.2012

1. Fosfolipidy:

   1. Fosfatydylocholina,

   2. Sfingozyna,

   3. Sfingonilina,

   4. Sfingomielina – nie ma glicerolu.

2. Błona jądrowa jest różna od strony zewnętrznej i wewnętrznej (np. w krwinkach czerwonych człowieka prawie wszystkie fosfolipidy zawierające cholinę (fosfatydylocholina i sfingomielina) są w warstwie zewnętrznej, natomiast prawie wszystkie z końcową grupą aminową (fosfatydyloetanoloamina i fosfatydyloseryna) w warstwie wewnętrznej).

3. Cholesterol – składnik błon komórkowych zwierząt; ma łańcuch sterydowy – cząstka jest sztywna; ma grupę OH – tam jest hydrofilowa; ma ogon węglowodorowy – część niepolarna. Występuje między fosfolipidami w błonach – ogranicza ruchy innych części błon (zwiększa sztywność błon).

4. Asymetria rozmieszczenia lipidów błony komórkowej ma znaczenie funkcjonalne.

5. Szereg białek cytoplazmatycznych wiąże się specyficznie z głowami fosfolipidów z wewnętrznej warstwy błony komórkowej.

   1. Kinaza proteinowa (PKC) wiąże się specyficznie z wewnętrzną warstwą błony w miejscach, gdzie jest dużo cząsteczek fosfatydyloseryny. PKC to grupa enzymów, które reagują na zmiany stężenia diacylglicerolu i kationów wapniowych w cytozolu. Po uaktywnieniu PKC wpływa na aktywność innych enzymów poprzez fosforylację i hydroksylację seryny i treoniny.

   2. Jednym z lipidów biorących udział w przekazywaniu sygnałów z zewnątrz do wewnątrz komórki jest fosfatydyloinozytol (występuje głownie w wewnętrznej warstwie błony komórkowej). Kinazy lipidowe, które odbierają sygnały z zewnątrz komórki, fosforyzują pierścień inozytolu. Na skutek fosforylacji fosfatydyloinozytolu, staje się on miejscem dokowania dla białek cytozolowych, które biorą udział w zewnątrzkomórkowym przekazywaniu sygnałów.

   3. Inny sposób przekazywania sygnałów z zewnątrz komórki do wewnątrz opiera się na cięciu cząstki fosfolipidy na dwa fragmenty, z których jeden uwalniany jest do cytozolu, gdzie stymuluje uwolnienie Ca²⁺ z retikulum endoplazmatycznego. Fragment pozostający po przecięciu w błonie jądrowej, aktywuje kinazę białkową C. Cięcie fosfolipidy na dwa fragmenty jest katalizowane przez fosfolipazę C. Fosfolipaza C musi być wcześniej uaktywniona przez aktywne błonowe białko receptorowe.

      1. W zależności od tego, jaki rodzaj fosfolipazy przetnie cząsteczkę, powstają trzy rodzaje różnych cząsteczek sygnałowych.

      2. Występują cztery rodzaje fosfolipaz: A₁, A₂, C , D.

6. Glikolipidy – występują prawie zawsze zwrócone do zewnątrz w błonie komórkowej:

   1. Galaktocerebrozyd (cukier Gal galaktozyd)

   2. Gangliozyd G_M1 (glukoza – Glc, galaktoza – Gal, NANA – kwas N-acetyloneuraminowy)

   3. Gal NAc-N-acetylogalaktozoamina.

   1. Występują tylko w zewnętrznej warstwie błony komórkowej,

   2. Ich cząsteczki w błonie lipidowej wiążą się ze sobą wiązaniami wodorowymi i oddziaływaniami Van der Waalsa,

   3. Występują w błonie komórkowej i w błonach otaczających organelle,

   4. Chronią komórkę przed czynnikami zewnętrznymi, jak np. niskie pH, enzymy lipalityczne.

Wykład trzeci – 19.12.2012

1. Białka i lipidy występują w błonach komórkowych roślin i zwierząt w podobnych ilościach wagowych.

2. Systematyka funkcjonalna:

   1. Receptory,

   2. Białka enzymatyczne,

   3. Białka transportujące (tworzą kanały i pompy jonowe),

   4. Białka wiążące (łączą włókna cytoszkieletu z błonami komórkowymi).

3. Za transport jonów, atomów, cząsteczek przez błonę odpowiadają białka. Należą do trzech podstawowych rodzajów:

   1. Kanały,

   2. Pory,

   3. Pompy.

4. Gdyby błona zbudowana była wyłącznie z fosfolipidów, byłaby nieprzepuszczalna dla wody i substancji chemicznych oraz bodźców.

5. Kanały jonowe i pory przepuszczają selektywnie jony i cząsteczki. Ich aktywność jest regulowana przez moderatory. Moderatory mogą zarówno zamykać, jak i otwierać. Mogą nimi być czynniki:

   1. Fizyczne (np. potencjał elektryczny błony, nacisk, naprężenia, temperatura),

   2. Chemiczne (np. hormony).

6. Pompy jonowe są białkami enzymatycznymi. Ich funkcjonowanie wymaga energii, która najczęściej uzyskiwana jest z hydrolizy ATP.

7. Kolejną funkcja białek błonowych jest wzajemne rozpoznawanie się komórek w procesie powstawania zarodka i przemieszczających się komórek zwierzęcych.

8. Typy białek:

   1. Pojedyncza α-helisa transbłonowa,

   2. Wielokrotna α-helisa transbłonowa,

   3. Zwinięta β-harmonijka tworząca beczułkę (baryłkę),

   4. Białka zakotwiczone α-helisą w cytozolowej warstwie błony,

   5. Białko związane z błoną za pośrednictwem przyłączonego kowalencyjnie łańcucha kwasu tłuszczowego lub grupy prenylowej,

   6. Białko związane z błoną za pomocą łącznika oligosacharydowego – kotwica GPI,

   7. Białka związane z błoną za pomocą innych białek, z którymi łączą się oddziaływaniami niekowalencyjnymi .

9. Białka – systematyka strukturalna:

   1. Białka powierzchniowe: zewnątrzkomórkowe i cytozolowe (5,6,7)

   2. Białka integralne (1,2,3,4).

10. Sposób wiązania białka z błona definiuje jego funkcję. Tylko białka transbłonowe mogą być aktywne po obu stronach błony i np. brać udział w transporcie cząsteczek przez błonę. Powierzchniowe receptory komórkowe wiążą pozakomórkowe cząsteczki sygnałowe i wytwarzają odpowiedni sygnał po wewnętrznej – cytozolowej stronie błony.

11. Białka powierzchniowe – są hydrofilowe i łączą się wiązaniami jonowymi z białkami integralnymi lub polarnymi częściami lipidów:

    1. Kwas mirystynowy (muszkatołowy) – cząsteczka tego nasyconego kwasu tłuszczowego może być przyłączona do N-końca nowo syntetyzowanego w rybo somie polipeptydu, a następnie służyć jako kotwica utrzymująca białko przy powierzchni błony.

    2. Za pośrednictwem kotwicy mirystynowej wiąże się z wewnętrzną powierzchnią błony cytozolowej białkowa kinaza tyrozynowa, która bierze udział w przekazywaniu sygnałów wewnątrz komórki i regulacji cyklu komórkowego. Bezpośrednią funkcją tego białka jest fosforylacja innych. Białko to odgrywa ważną rolę w różnicowaniu limfocytów i komórek T człowieka. Wadliwe funkcjonowanie prowadzi do ciężkiego złożonego niedoboru odporności SCID. Objawem jest wysoka podatność na infekcje wirusowe, bakteryjne, grzybowe.

    3. Dla wzmocnienia połączenia cytozolowej peptydowej kinazy tyrozynowej dodawana jest druga kotwica lipidowa w postaci cząsteczki kwasu palmitynowego.

    4. Białka mogą również wiązać się z błoną za pośrednictwem kotwicy farnezylowej.

12. Białka integralne:

    1. Są związane z niepolarnymi domenami fosfolipidów błonowych,

    2. Szacuje się, że stanowią ok. 20% wszystkich białek organizmu,

    3. Większość to białka o strukturze α-helisy, ponieważ taka konformacja jest optymalna w środowisku bezwodnym, jakim jest błona lipidowa.

    4. Białka transbłonowe mają tylko jedną orientację względem błony, co wynika z jej asymetrii oraz innych funkcji, jakie pełnią cytozolowe i niecytozolowe domeny białek trans membranowych.

    5. Domeny cytozolowe i niecytozolowa białek transbłonowych połączone są fragmentem polipeptydowym, który składa się głównie z niepolarnych reszt aminokwasowych:

       1. Alaniny,

       2. Fenyloalaniny,

       3. Glicyny,

       4. Izoleucyny,

       5. Leucyny,

       6. Metioniny,

       7. Proliny,

       8. Waliny,

       9. Tryptofanu,

    6. Taki skład wynika z hydrofobowego charakteru lipidów, z którymi ten fragment cząsteczki białka się kontaktuje.

Wykład czwarty – 9.01.2012

1. W bezwodnym środowisku błony fosfolipidowej wiązania peptydowe domeny transbłonowej tworzą dodatkowe wiązania wodorowe.

   1. Domeny transbłonowe mają najczęściej po 20-30 aminokwasów.

   2. U różnych rodzajów białek transbłonowych cząsteczka przenika błonę jeden lub wiele razy,

   3. Białka transbłonowe, które ze względu na swoją strukturę pierwszorzędową muszą mieć domenę transbłonową w formie β-harmonijki, zwijają się, tworząc β-baryłkę.

      1. Taki kształt mają m.in. poryny,

      2. Β-baryłkę tworzy od 8 do 22 łańcuchów,

      3. Β-baryłki występują w bardzo dużych ilościach w błonach komórkowych bakterii, błonach mitochondriów i chloroplastów,

      4. Niektóre β-baryłki tworzą kanały wodne, przez które drobne jony mogą być selektywnie pobierane,

      5. Przykłady:

         1. Białko FepA – kanał żelazowy zbudowany z 22 β-harmonijek.

      6. Mniejsze β-baryłki nie mają w środku pustego kanału i pełnią funkcję receptorów lub białek enzymatycznych,

      7. Mogą służyć także jako kotwice ustalające położenia domeny cytozolowej i niecytozolowej względem błony fosfolipidowej,

      8. Przykłady:

         1. Białko błonowe OmpA E. coli – receptor bakteriofagów, zbudowane z 8 β-harmonijek,

         2. Białko błonowe OMPLA E. coli – lipaza, katalizuje hydrolizę lipidów, zbudowane z 12 β-harmonijek,

2. W komórkach zwierzęcych większość białek błonowych jest glikozylowana.

   1. Glikozylowane białka są syntetyzowane w lumenie retikulum endoplazma tycznego i w aparacie Golgiego,

   2. W wyniku ukierunkowanego transportu domeny tych białek z przyłączonymi cukrami trafiają do przestrzeni cytoplazmatycznej,

   3. W wyniku występowania po niecytozolowej stronie błony komórkowej dużej ilości sacharydów związanych z białkami i fosfolipidami, powierzchnia komórek zwierzęcych pokryta jest warstwą cukrów,

   4. Oligosacharydy związane ze składnikami błony komórkowej – białkami i fosfolipidami – są bardzo różnorodne,

      1. Na ogół składają się z mniej niż 15 monosacharydów,

      2. Ich łańcuchy są często rozgałęzione,

   5. Cząsteczki polisacharydów związane z błoną komórkową łączą się ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi,

   6. Polisacharydy związane z błoną biorą udział w procesie rozpoznawania komórek i ich adhezji,

3. Przemieszczanie się białek i fosfolipidów w błonie komórkowej nie jest przypadkowe.

4. Pewne typy cząsteczek mogą być skupiane przez komórkę w ściśle określonych miejscach.

5. Specyficzny kształt niektórych typów komórek wynika ze współdziałania białek błonowych z białkami cytoszkieletu (np. erytrocyty człowieka).

6. Transport przez błony plazmatyczne

   1. Ze względu na hydrofobowy charakter błony fosfolipidowej stanowi ona efektywną barierę dla przepływu cząstek polarnych,

   2. Umożliwia to komórce uzyskiwanie i utrzymywanie innego stężenia tych jonów niż w środowisku zewnętrznym,

   3. Dla transportu małych cząsteczek polarnych i jonów, komórki rozwinęły w toku ewolucji system białkowych przenośników błonowych

   4. Białka transportujące przez błony małe polarne cząsteczki i jony dzielimy na trzy grupy:

      1. Transportery (permeazy), które posiadają ruchome elementy transportujące ściśle określone rodzaje cząsteczek,

      2. Kanały – tworzące wąski hydrofilowy por w błonie,

      3. Pompy – transportują jony i cząsteczki wbrew gradientowi stężeń z wykorzystaniem energii komórki.

   5. Transportery błonowe są często połączone ze źródłami energii potrzebnej do aktywnego transportu jonów lub małych cząsteczek przez błony.

   6. Wszystkie kanały błonowe i niektóre transportery umożliwiają transport pasywny (ułatwioną dyfuzję) niepolarnych substancji drobnocząsteczkowych w kierunku prowadzącym do wyrównania stężeń po obu stronach błony,

   7. W przypadku cząsteczek niosących ładunek elektryczny o transporcie decyduje nie tylko różnica stężeń po obu stronach błony, ale również potencjał elektrochemiczny błony.

   8. Gradient stężenia i gradient elektryczny tworzą siłę napędową transportu transbłonowego – gradient elektrochemiczny.