dr n. med. Maciej Słodki

Plan

• Środowisko biologiczne organizmu

• Homeostaza

• Budowa i czynność komórki

Metabolizm

• Obejmuje dwa przeciwstawne procesy:

• ANABOLIZM

• polega na gromadzeniu energii w organizmie żywym

• KATABOLIZM

• rozpad związany ze zmniejszaniem się zapasu energii

W okresie wzrostu organizmu

anabolizm przeważa nad katabolizmem,

a po osiągnięciu dojrzałości

metabolizm wykazuje

równowagę energetyczną

Środowisko biologiczne organizmu

• metabolizm przebiega wewnątrz organizmu czyli w jego środowisku wewnętrznym

• każdy żywy organizm jest otoczony przez środowisko zewnętrzne

• środowisko zewnętrzne wywiera ogromny wpływ na metabolizm komórkowy

W organizmie człowieka

środowisko wewnętrzne od zewnętrznego

stale oddziela

co najmniej jedna warstwa komórek

Do środowiska zewnętrznego zaliczamy:

• treść wypełniającą przewód pokarmowy

• powietrze w drogach oddechowych i w pęcherzykach płucnych

Przestrzenie płynów ustrojowych

• Woda jest podstawowym składnikiem organizmu wszystkich ssaków

• Całkowita woda organizmu

TBW total body water

wynosi :

• u noworodka 80%

• u mężczyzny w przedziale 20-40 rż 60%

Przestrzenie płynów ustrojowych

Komórki i ich błony komórkowe dzielą wodę organizmu na trzy przestrzenie płynów ustrojowych:

• płyn w przestrzeni wewnątrzkomórkowej

• płyn w przestrzeni zewnątrzkomórkowej

• płyn w przestrzeni transkomórkowej

Przestrzeń wewnątrzkomórkową wypełnia płyn wewnątrzkomórkowy

ICF intracellular fluid

stanowiący ok 40% masy ciała mężczyzn i około 30% masy ciała kobiet

w wieku 20-40 lat

Rozmieszczenie wody w poszczególnych przestrzeniach wodnych u mężczyzn i kobiet w wieku 20 - 40 lat
Liczby wyrażają procent całkowitej masy ciała

Płyn zewnątrzkomórkowy
ECF extracellular fluid

• nie jest jednorodny pod względem składu i rozmieszczenia

• obejmuje:

• osocze krwi

• płyn tkankowy

• chłonkę

• soki trawienne

Płyn przestrzeni transkomórkowej

• płyn mózgowo-rdzeniowy

• płyn w komorach oka

• maź stawowa

• płyn surowiczy w jamie opłucnej

• płyn osierdziowy

Osmolarność płynu

• określa ciśnienie osmotyczne panujące w 1 litrze roztworu

• mówi o liczbie swobodnie poruszających się cząsteczek i wywieranym przez nie ciśnieniu na błony półprzepuszczalne

Ciśnienie osmotyczne płynów ustrojowych oznacza się na podstawie pomiaru obniżenia punktu zamarzania roztworu

Obniżenie punktu zamarzania o 1,86⁰ C odpowiada ciśnieniu osmotycznemu równemu 1 osmolowi

Osmolarność osocza wynosi 300 mOsm

Powstawanie ciśnienia osmotycznego

Właściwości ciśnienia osmotycznego

• ciśnienie osmotyczne przy stałej objętości zależy wprost proporcjonalnie od temperatury

Właściwości ciśnienia osmotycznego

• ciśnienie osmotyczne roztworu zawierającego kilka rozpuszczonych substancji jest równe sumie ciśnień osmotycznych poszczególnych składników

Ciśnienie osmotyczne wyrażamy w jednostkach stężenia – osmolach

1 osmol odpowiada ciśnieniu osmotycznemu, jakie w temperaturze 0^o C wywiera względem wody roztwór niedysocjującej substancji o stężeniu 1 mola/ kg rozpuszczalnika

Ciśnienie osmotyczne

Roztwory izoosmotyczne:

• roztwory oddzielone od siebie błoną idealnie półprzepuszczalną

• zawierające taką samą ilość cząsteczek osmotycznie czynnych

• wykazujące w tej samej temperaturze jednakowe ciśnienie osmotyczne

Ciśnienie osmotyczne

W układach biologicznych na powstanie ciśnienia osmotycznego mogą mieć wpływ:

• wzajemne oddziaływania między cząsteczkami

• obecność substancji tworzących koloidy

• zmiany w budowie białkowo-lipidowej błony

Ciśnienie osmotyczne

Roztwory izotoniczne:

• roztwory oddzielone od siebie błoną rzeczywistą (biologiczną)

• pozostające ze sobą w równowadze osmotycznej

Właściwości roztworów wodnych
Rozpuszczalność gazów w cieczach

Dyfuzja

proces samorzutnego przemieszczania się cząstek z przestrzeni o stężeniu wyższym do przestrzeni o stężeniu niższym

Właściwości roztworów wodnych
Rozpuszczalność gazów w cieczach

Szybkość dyfuzji gazów rośnie wraz ze wzrostem:

• temperatury

• powierzchni wymiany

• gradientu stężeń pomiędzy gazem nad cieczą i w cieczy

Szybkość dyfuzji gazów maleje wraz ze wzrostem:

• wymiaru cząsteczek, które są proporcjonalne do masy gazu

• lepkości cieczy

• długości drogi dyfuzyjnej

Właściwości roztworów wodnych
Rozpuszczalność gazów w cieczach

Rozpuszczalność gazów w cieczy zależy od:

• rodzaju obu substancji, gazu i rozpuszczalnika

„podobne rozpuszcza się w podobnym”

• reakcji towarzyszących rozpuszczaniu

• temperatury i ciśnienia:

Prawo Kennedy’iego

• masa gazu rozpuszczonego w określonej objętości cieczy jest wprost proporcjonalna do ciśnienia parcjalnego gazu znajdującego się nad roztworem

• ze wzrostem temperatury maleje rozpuszczalność gazów w cieczach

• W płynie zewnątrzkomórkowym występuje duże stężenie jonów sodowych i chlorkowych oraz małe stężenie jonów potasowych

• W płynie wewnątrzkomórkowym np. mięśni poprzecznie prążkowanych stężenie jonów sodowych i chlorkowych jest nieduże, natomiast jony potasowe i magnezowe występują w dużym stężeniu

Mimo różnic

w stężeniu poszczególnych składników

pomiędzy płynem

zewnątrz- i wewnątrzkomórkowym

ciśnienie osmotyczne obu płynów

jest jednakowe

izoosmotyczne- izotoniczne

Stężenie kationów

Stężenie anionów

Homeostaza

• Zdolność organizmu do zachowywania stałego środowiska wewnętrznego pomimo zmieniającego się środowiska zewnętrznego

• czynniki fizyczne

• wzrost, obniżenie temperatury

• promieniowanie cieplne

• czynniki chemiczne

• jony nieorganiczne zawarte w pokarmach

Czynność
komórki

• Błona komórkowa

• Jądro komórkowe

• Siateczka śródplazamtyczna ziarnista

• Siateczka środplazamtyczna gładka

• Aparat Golgiego

• Lizosomy

• Mitochondria

Komórka jest to najmniejsza strukturalna i funkcjonalna jednostka organizmów żywych. Jest zdolna do przeprowadzania wszystkich podstawowych procesów życiowych takich jak przemiana materii, wzrost, podział i różnicowanie

Zespoły komórek o takiej samej budowie, pochodzeniu i takich samych czynnościach tworzą tkanki, np. nabłonkową, mięśniową

Tkanki tworzą narządy

Współdziałające ze sobą narządy tworzą układy: krwionośny, oddechowy i inne

Natomiast organizm to zespół układów ściśle ze sobą współdziałających

Błona komórkowa

Błona komórkowa występuje we wszystkich żywych komórkach oddzielając je od środowiska zewnętrznego

Najprostsze formy komórkowe – bakterie mają tylko jedną błonę - błonę komórkową

Jednak komórki eukariotyczne zawierają dodatkowo wielką ilość błon wewnętrznych-

aparatu Golgiego, mitochondriów id.

Rola błony komórkowej

• odgraniczenie komórki od otoczenia

• kompartmentacja komórki

• podział na obszary, w których równocześnie odbywać się mogą różne, a często przeciwstawne procesy metaboliczne

• odgraniczenie jądra i innych organelli cytoplazmatycznych

Rola błony komórkowej

• chroni przed wnikaniem szkodliwych substancji i drobnoustrojów

• wybiórczo przyjmuje i oddaje różne substancje do środowiska zewnętrznego i wewnętrznego

• odpowiada za wrażliwość

Rola błony komórkowej

• nadaje reakcjom określony kierunek w sensie geometrycznym

• na skutek obecności w błonach enzymów, reakcje przez nie katalizowane zorientowane są przestrzennie, co stwarza możliwość sprzężenia z innymi procesami, np. transportem jonów

Budowa błon

Wszystkie błony w komórce są zbudowane z lipidów oraz białek i mają wspólny plan budowy ogólnej.

Komponent lipidowy stanowią miliony cząsteczek lipidów ułożonych w dwie ściśle do siebie przylegające, przeciwstawnie zorientowane warstwy tworzące dwuwarstwę lipidową.

Stanowi ona istotę struktury błony i działa jako bariera przepuszczalności.

Cząsteczki białek umożliwiają pozostałe funkcje błony i nadają różnym błonom indywidualne właściwości.

Budowa błony komórkowej

• grubość 7,4-10 nm

• płynna mozaikowa struktura

• składa się z dwóch warstw cząsteczek fosfolipidów ustawionych długą osią prostopadle do powierzchni błony

• hydrofobowe bieguny lipidowe obu warstw skierowane są do siebie- do wewnątrz błony

• bieguny hydrofilne –fosfatydowe od siebie – na zewnątrz błony

• białka globularne mogą zajmować różne położenie

Lipidy błonowe

• zbudowane są z hydrofilowej („lubiącej wodę”) głowy oraz z jednego lub dwóch hydrofobowych („nielubiących wody”) ogonów węglowodorowych

• cząsteczki o właściwościach zarówno hydrofilowych, jak i hydrofobowych określa się jako amfipatyczne

• cechę tę posiadają wszystkie rozdaje lipidów błonowych:

• fosfolipidy, które są najliczniej występującymi lipidami w błonie

• sterole, takie jak cholesterol w błonach komórek zwierzęcych

• glikolipidy, których hydrofilową głowę stanowią cukry

Amfipatyczność cząsteczek

Cząsteczki hydrofilowe rozpuszczają się w wodzie, ponieważ zawierają naładowane atomy lub grupy polarne (grupy o nierównomiernym rozmieszczeniu ładunków), mogące tworzyć wiązania z cząsteczkami wody, które same są polarne

Cząsteczki hydrofobowe są w wodzie nierozpuszczalne, ponieważ ich atomy są nie naładowane i niepolarne, dlatego też nie mogą tworzyć wiązań z cząsteczkami wody

Organizacja błony

Cząsteczki amfipatyczne są poddane zatem dwóm sprzecznie działającym siłom:

• hydrofilowa głowa jest przyciągana przez wodę, natomiast hydrofobowe ogony stronią od wody i dążą do agregacji z innymi cząsteczkami hydrofobowymi

Rozwiązanie tego konfliktu możliwe jest przez utworzenie dwuwarstwy lipidowej

która jest formą uporządkowania

satysfakcjonującą obie strony

Organizacja błony

hydrofilowe głowy są zwrócone ku wodzie po obu stronach dwuwarstwy

hydrofobowe ogony są osłonięte przed wodą i leżą tuż przy sobie we wnętrzu dwuwarstwy

Błona jest płynną strukturą

Wodne środowisko istniejące na zewnątrz komórki i w jej wnętrzu uniemożliwia ucieczkę lipidów błonowych z dwuwarstwy, ale nic nie powstrzymuje tych cząsteczek od przemieszczania się i wymieniania miejscami w obrębie jednej monowarstwy.

Dlatego też błona zachowuje się jak dwuwymiarowy płyn – mówimy, że jest substancją (ma strukturę) płynną.

Błona jest płynną strukturą

Stopień płynności błony zależy od długości i stopnia nasycenia ogonów węglowodorowych oraz od obecności cholesterolu

Te krótkie cząsteczki wypełniają przestrzenie pomiędzy fosfolipidami , usztywniając dwuwarstwę, zmniejszając jej płynność i przepuszczalność.

Błona jest asymetryczna

Błony eksponują na zewnątrz komórki lub danej organelli powierzchnię zupełnie inną niż ku wnętrzu, stąd można wyróżnić we wszystkich błonach w komórce– dwie wyraźnie różniące się powierzchnie:

wewnętrzną – cytozolową (eksponowaną do cytoplazmy)

zewnętrzną – niecytozolową (eksponowaną albo do otoczenia komórki, albo do zewnętrznej przestrzeni organelli)

Zasadniczą funkcją błony jest tworzenie bariery kontrolującej przechodzenie cząsteczek przez błonę.

Główną rolę odgrywa tu hydrofobowe wnętrze dwuwarstwy lipidowej, które stanowi barierę zapobiegającą przejściu większości cząsteczek hydrofilowych.

Dyfuzja przez dwuwarstwę jest tym szybsza, im cząsteczka dyfundująca jest mniejsza i im łatwiej rozpuszcza się w olejach

(tj. im bardziej jest hydrofobowa, czyli niepolarna)

Przepuszczalność błony

Małe cząsteczki hydrofobowe O₂, CO₂, N₂

Małe cząsteczki polarne bez ładunku: woda, glicerol, etanol

Większe cząsteczki bez ładunku: aminokwasy, glukoza, nukleotydy

Jony

Przepuszczalność błony

• Małe cząsteczki niepolarne, takie jak tlen, czy dwutlenek węgla łatwo rozpuszczają się w dwuwarstwie lipidowej i dlatego szybko przez nią dyfundują

• Nie naładowane cząsteczki polarne (o nierównomiernie rozmieszczonym ładunku) również dyfundują szybko przez dwuwarstwę, jeśli są dostatecznie małe, np. woda i etanol przechodzą szybko, a natomiast aminokwasy i glukoza nie dyfundują wcale

• Dwuwarstwy lipidowe są wysoce nieprzepuszczalne dla wszystkich jonów i cząsteczek naładowanych

Białka
błony
komórkowej

Białka błonowe

• większość funkcji błon pełnionych jest przez białka błonowe

• stanowią 40 – 50% suchej masy błony

• ze względu na pełnioną funkcję można wyróżnić białka:

• - transportujące

• - wiążące

• - receptorowe

• - enzymatyczne

Białka błonowe

Ze względu na stopień związania z błoną dzielimy je na:

• integralne

• są całkowicie lub w znacznym stopniu zanurzone w błonę i trudno je z niej usunąć

• stanowią 70% wszystkich białek błon

• zawierają znaczne ilości aminokwasów o apolarnych łańcuchach bocznych łączących się z lipidami oddziaływaniami hydrofobowymi bieguny hydrofilne ustawione na zewnątrz błony

• powierzchniowe-peryferyczne

• nie są zanurzone w błonie i łatwo je z niej usunąć

• stanowią 30% wszystkich białek błony

Białka błonowe

Białka nośnikowe

• białka penetrujące błonę na wskroś

• mogą tworzyć kanały do transportu substancji niskocząsteczkowych

Błony otaczające jądro komórkowe , siateczkę śródplazmatyczną , mitochondria, lizosomy zbliżone są budową do błony komórkowej,

różnią się:

- liczbą warstw cząsteczek fosfolipidów

-jakością cząsteczek białek osadzonych na błonach

Powierzchnia komórki jest pokryta cukrowcami

• wiele lipidów wchodzących w skład zewnętrznej warstwy błony ma przyłączone kowalencyjnie cukry, tworząc glikolipidy

• do większości białek również są przyłączone łańcuchy cukrowe, i stąd nazwa - glikoproteiny

Powierzchnia komórki jest pokryta cukrowcami

Wszystkie cukrowce wchodzące w skład glikolipidów i glikoprotein są umieszczone tylko po jednej stronie błony i tworzą na powierzchni komórki płaszcz cukrowy o nazwie glikokaliks.

Jest ona istotnym elementem ochrony powierzchni komórki przed uszkodzeniami mechanicznymi i chemicznymi, odgrywa znaczącą rolę we wzajemnym rozpoznawaniu komórek i ich przyleganiu.

Transport substancji przez błonę komórkową

• zależy od:

• masy cząsteczkowej

• właściwości związków chemicznych

• średnicy

• ładunku elektrycznego

Potencjał wody (Ψ)

Dla charakteryzowania układów biologicznych jako osmotycznych układów otwartych wprowadzono wielkość zwaną potencjałem wody Ψ (psi)

• jest miarą zdolności wody do wykonania pracy transportu w porównaniu ze zdolnością, jaką ma chemicznie czysta woda

• jednostką potencjału wody jest 1 paskal (Pa)

• potencjał czystej wody jest zawsze większy niż potencjał wody w roztworze – obecność w roztworze substancji powoduje obniżenie potencjału wody. Tak więc: im wyższe stężenie roztworu, tym niższy potencjał wody, tym mniejszą pracę transportu może ona wykonać. Ruch wody odbywa się zawsze w kierunku niższego potencjału, a więc do roztworu o wyższym stężeniu.

O kierunku przenikania wody w komórce decyduje różnica potencjału wody w komórce i w środowisku zewnętrznym.

Roztwory, w których Ψ są równe, nazywamy izoosmotycznymi (izotonicznymi).

W miejsce napływających do wnętrza cząsteczek wody tyle samo dyfunduje na zewnątrz.

Umożliwia to wymianę substancji ze środowiskiem, a jednocześnie nie wpływa na ilość wody w komórce.

Jeżeli dwa roztwory zewnętrzne mają różną wartość potencjału wody,

to ten którego Ψ jest mniejsze nazywamy

hiperosmotycznym (hipertonicznym) –

zawierającym mało wody, a dużo związków

osmotycznie czynnych,

zaś ten o wyższym Ψ – roztworem hipoosmotycznym (hipotonicznym)

• Jeżeli komórkę umieścimy w roztworze hiperosmotycznym, to woda przenika z niej na zewnątrz, w wyniku czego następuje wyrównanie potencjałów wody w układzie

W roztworach hipoosmotycznych ma miejsce przenikanie wody do wnętrza komórki, przez co następuje wzrost uwodnienia

Transport substancji przez błonę komórkową

Transport substancji przez błonę komórkową

Rodzaje transportu przez błonę komórkową

Rodzaje transportu przez błonę komórkową

Rodzaje transportu błonowego

Dyfuzja prosta

-jest to proces bierny w wyniku którego cząsteczki roztworu przemieszczają się zgodnie z gradientem stężeń -z obszaru o większym stężeniu do obszaru o mniejszym stężeniu

-takie właściwości mają cząstki O₂, CO₂

- ruch cząsteczek ustaje po wyrównaniu się ich stężenia w roztworze

Transport przez błony
DYFUZJA

Rodzaje transportu błonowego

Dyfuzja ułatwiona (wspomagana)

• polega na transporcie cząsteczek zgodnie z gradientem stężeń, za pomocą specjalnych przenośników

• proces ten umożliwia przechodzenie przez błonę cząstek, które ze względu na wielkość nie mogą przechodzić przez błonę na drodze dyfuzji prostej (wiele jonów i substancji odżywczych)

• dyfuzja wspomagana nie wymaga nakładu energii!

• za pomocą dyfuzji wspomaganej odbywa się transport glukozy przez błonę krwinek czerwonych i mięśni szkieletowych

Transport przez błony: ułatwiony na nośnikach

• przebiega zgodnie z gradientem stężeń

• wykazuje jednak większą specyficzność niż transport bierny oraz ma związek ze stanem funkcjonalnym błony

• mechanizm polega na tworzeniu przez substraty kompleksów ze związkami o większym powinowactwie do fazy lipidowej

• przykłady:

• kompleksy jonów Na i K z cyklicznymi peptydami oraz cukrów i aminokwasów z permeazami – specyficznymi białkami strukturalnymi błon

Rodzaje transportu nośnikowego

UNIPORT

• jedna cząsteczka jest przenoszona w jedną stronę przez białko nośnikowe do komórki zgodnie z gradientem stężeń

Rodzaje transportu nośnikowego

SYMPORT

• dwie cząsteczki przenoszone w jedną stronę – jedna zgodnie z gradientem stężeń, a druga wbrew (z wykorzystaniem energii wytworzonej podczas samorzutnego transportu pierwszej cząsteczki)

• Np. Jony Na⁺ i glukoza do enterocytów w jelicie cienkim

Rodzaje transportu nośnikowego

ANTYPORT

• dwie cząsteczki przenoszone w przeciwne strony – najczęściej jedna zgodnie z gradientem, a druga – wbrew (dzięki energii uwolnionej przez pierwszą)

• Np. błony komórkowe neuronów i komórek mięśniowych

Rodzaje transportu nośnikowego

Rodzaje transportu błonowego

Transport aktywny

• transport substancji wbrew gradientowi stężeń z wykorzystaniem energii pochodzącej bezpośrednio z rozkładu ATP

W ten sposób przenoszone są:

*monosacharydy

*aminokwasy

Transport przez błony
AKTYWNY

• sprzężenie transportu z rozpadem ATP stanowi tzw. pompę jonową

• ilość niezbędnej energii zależy od stężenia transportowanej substancji po obu stronach błony

• transport jonów wymaga większych nakładów energii niż transport substancji elektrycznie obojętnych

Pompa sodowo-potasowa

Schemat pompy jonowej

Receptory błonowe

*syntetyzowane w siateczce śródplazmatycznej ziarnistej

*podlegają procesowi eksternalizacji białek receptorowych

*po związaniu się przekaźników chemicznych :

• neurotransmiterów

• hormonów

z receptorami dochodzi do aktywacji innych białek błony komórkowej

*wówczas białka nośnikowe przyśpieszają lub zwalniają aktywny transport przez błonę komórkową, otwierają lub zamykają kanały dla prądów jonowych, następuje aktywacja lub inaktywacja białek enzymatycznych

Internalizacja receptorów

• białka receptorowe same transportują cząsteczki chemiczne z płynu zewnątrzkomórkowego do cytoplazmy

• po związaniu się np. insuliny z receptorami na zewnętrznej powierzchni błony komórkowej dostają się do wnętrza komórki

Receptory błonowe

• mają zdolność do swoistego wiązania się z określonymi substancjami chemicznymi- ligandami

• substancje chemiczne konkurują ze sobą o miejsce wiązania się z receptorem

• z kilku substancji o podobnej budowie receptor zwiąże się z tą , która ma największe powinowactwo do tego receptora

Pojemność wiązania
capacity binding site

• ilość receptorów dla danego ligandu

• pomimo zwiększania cząsteczek substancji w płynie zewnątrzkomórkowym nie będzie to miało wpływu na jej działanie na komórkę

Po zadziałaniu na błonę komórkową substancji egzogennych blokujących określone receptory- BLOCKERS- przestają one wiązać się z substancjami endogennymi.

Receptory pozostają na jakiś czas zablokowane i komórka przestaje odbierać informacje za pośrednictwem tego receptora

Odbiór informacji przez komórki

Informacja odbierana przez receptory w błonie komórkowej wywołuje reakcje:

• krótkotrwałe

• dłużej trwające

• długotrwałe

Odbieranie i przetwarzanie informacji przebiega w trzech etapach

• ETAP PIERWSZY

ROZRÓŻNIANIE SYGNAŁÓW

Discrimination

• informację odbieraną stanowią sygnały, cząsteczki przekaźników chemicznych, działające niezależnie od siebie na błonę komórkową

• receptory błonowe odróżniają cząsteczki na nie działające

• ETAP DRUGI

PRZENOSZENIE SYGNAŁÓW

Transduction

• białka receptorowe związane ze swoistymi przekaźnikami chemicznymi oddziałują na białka kanałów jonowych i białka enzymatyczne

• ETAP TRZECI

WZMACNIANIE SYGNAŁÓW

Amplification

• sygnały odebrane przez komórkę na wejściu układu są za słabe aby wpływać na metabolizm wewnątrzkomórkowy

• muszą zostać odpowiednio wzmocnione

• wzmacniaczami są enzymy wytwarzające drugi wewnątrzkomórkowy przekaźnik chemiczny

Wewnątrzkomórkowy system sygnalizacji

Drugi przekaźnik wewnątrzkomórkowy

• Cykliczny adenozynomonofosforan

• Cykliczny guanozynomonofosforan

• Inozytolotrifosforan

• Diacyloglicerol

• Jony wapniowe

Cyklazy nukleotydowe

• cyklaza adenylanowa

ATP cAMP

• cyklaza guanylanowa

GTP cGMP

Cyklaza adenylanowa

Cyklaza adenylanowa

Cykliczny AMP

• najważniejszy II przekaźnik

• wywołuje zwiększenie aktywności enzymu, fosforylazy glikogenowej i uwalniając glukozo-1-fosforan przyśpiesza metabolizm glukozy w komórkach

Białka błonowe G

• pośredniczą w przenoszeniu sygnałów pomiędzy receptorem i enzymem

• występują w wewnętrznej warstwie błony komórkowej

• mają zdolność do wiązania i hydrolizowania guanozynotrifosfornaów

• składają się z trzech podjednostek: alfa, beta , gamma

• działają aktywująco lub inaktywująco na cyklazę adenylanową

Sygnał od receptora w białku aktywującym G_s

Inozytolotrifosforan IP₃ Diacyloglicerol DAG

• powstają w wyniku hydrolizy 4,5- difosforanu fosfatydyloinozytolu pod wpływem fosfolipazy C

• IP₃ wywołuje przepływ jonów wapniowych z siateczki śródplazmatycznej do cytoplazmy

• DAG aktywuje kinazę białkową C i zwiększa metabolizm komórki

Jony wapniowe Ca ²⁺

• w płynie ECF występują jako jony wolne lub związane z zewnętrzną powierzchnią błony komórkowej

• wolne jony po wejściu do komórki wiążą się z błoną komórkową po stronie wewnętrznej , z błonami siateczki śródplazmatycznej i błonami mitochondrialnymi, kalmoduliną

• kompleks kalmodulina –jony wapniowe przyłącza się do enzymów wewnątrzkomórkowych powodując:

• przyśpiesznie egzocytozy

• uwalnianie transmiterów z zakończeń neuronów

Potencjał błony komórkowej

• różnica między potencjałem wnętrza komórki i środowiska zewnętrznego wynosi od –20 do –200mV

• wynika z potencjału błonowego wynoszącego od –50 do –55mV

• potencjał błonowy wynika z nierównomiernego rozmieszczenia jonów Na, K i Cl po obu stronach błony

Komórki pobudliwe

• charakteryzują się niższą wartością potencjału błonowego (< - 65 mV)

• wartość ich potencjału błonowego nazywamy potencjałem spoczynkowym

• przykłady komórek pobudliwych:

a) komórka nerwowa

b) komórka mięśniowa

Porównanie funkcjonowania komórek typowych i pobudliwych

Komórka typowa

- wraz z transportem jonów zmienia się potencjał błony w sposób płynny, aż do jej całkowitej depolaryzacji

Komórka pobudliwa

- po osiągnięciu potencjału –15 mV następuje jego dalszy spontaniczny wzrost do wartości + 30 mV, a następnie powrót do wartości wyjściowej

• - 65 mV

Potencjał czynnościowy

Gwałtowne zmiany wartości potencjału błonowego komórek pobudliwych

Odbiór bodźców

W stanie spoczynku powierzchnia zewnętrzna błony jest naładowana dodatnio, a wewnętrzna ujemnie. Błona jest więc spolaryzowana. Utrzymanie błony w stanie polaryzacji jest warunkiem pobudliwości. Możliwe jest to dzięki istnieniu specjalnego mechanizmu zapobiegającego wyrównaniu różnicy stężeń jonów po obu stronach błony.

Czynność komórki nerwowej jako przykładu komórki pobudliwej

• potencjał spoczynkowy wynosi – 90 mV

• potencjał czynnościowy pojawia się po osiągnięciu prze napięcie depolaryzujące wartości 20 – 40 mV (tzw. wartość progowa)

• w ciągu kilku sekund ulega depolaryzacji do 0 mV, a następnie przepolaryzowaniu do ok. + 40 mV, po czym spada do wartości potencjału spoczynkowego

Budowa komórki nerwowej

Czynność komórki nerwowej jako przykładu komórki pobudliwej

Czynność komórki nerwowej jako przykładu komórki pobudliwej

• wynika z gwałtownego wzrostu przepuszczalności błony dla kationów (szczególnie sodu), a następnie szybkiego jej zmniejszania

• przenikanie kationów do wnętrza komórki neutralizuje jej potencjał ujemny, a następnie zmienia na dodatni

• w chwili osiągnięcia maksimum potencjału przepuszczalność błony dla jonów Na spada, a wzrasta dla jonów K

• w komórce pobudzonej przepuszczalność dla jonów Na jest ok. 500-krotnie większa, czemu towarzyszy zmiana przewodnictwa elektrycznego

• zmiany w stężeniu jonów są po pewnym czasie wyrównywane przez pompę jonową

Komórka mięśnia poprzecznie prążkowanego - budowa

• kształt wydłużonego włókna o średnicy 0,01 mm i długości 0,1 mm

• zawiera do kilkunastu jąder i inne składniki cytoplazmy typowe dla innych komórek

• wypełniona jest włóknistymi strukturami – mikrofibrylami o średnicy 1 µm stanowiącymi 70% białkowych składników komórki

• błona komórkowa – sarkolemma tworzy system kanałów T skierowanych do wnętrza komórki oraz system kanałów podłużnych, mających za zadanie wprowadzenie do wnętrza komórki składników płynu międzykomórkowego

Komórka mięśnia poprzecznie prążkowanego jako przykład komórki pobudliwej

• potencjał spoczynkowy – 90 mV

• wnętrze komórki zawiera więcej jonów K oraz mniej jonów Na i Ca niż otoczenie

Funkcjonowanie komórki mięśniowej

• impuls nerwowy docierający za pośrednictwem synapsy do sarkolemmy depolaryzuje ją analogicznie do procesu zachodzącego w komórce nerwowej

• stan depolaryzacji, za pośrednictwem kanałów T przekazywany jest do wnętrza komórki, w bezpośrednie sąsiedztwo mikrofibryli

• zmiana potencjału błony powoduje uwolnienie jonów Ca, które w stanie spoczynku związane są ze specyficznym białkiem

• jony dyfundują do wnętrza komórki zapoczątkowując zmiany prowadzące do jej skurczu

Jądro komórkowe
nucleus

• składa się z otoczki jądrowej kariolimfy ,chromatyny oraz jąderka

• otoczka jądrowa składa się z dwóch błon plazmatycznych

• jest „poprzebijana” otworami – porami jądrowymi, dzięki którym możliwa jest wymiana substancji pomiędzy jądrem a cytoplazmą

• zewnętrzna błona jądrowa przechodzi w błony siateczki śródplazmatycznej szorstkiej pokrytej rybosomami

• wnętrze jądra wypełnia kariolimfa – sok jądrowy

• tworzy ona płynne środowisko, w którym zanurzona jest chromatyna

Składniki chemiczne jądra komórkowego

Jądro komórkowe
nucleus

Organizacja materiału genetycznego

• nici chromatynowe zbudowane są z kwasu deoksyrybonukleinowego – DNA „nawiniętego” na specjalne białka histonowe

• połączenie 8 cząsteczek histonów tworzy rdzeń, na który nawija się odcinek DNA w ten sposób powstaje nukleosom

• każda fibryla zwija się ciasno tworząc solenoid, czyli nić chromatynową

• długa i cienka nić tworzy pofałdowane pętle ułożone jedna przy drugiej, czyli domeny

• poprzez spiralizację chromatyny powstają chromosomy

Postacie chromatyny

W jądrze interfazowym w zależności od stopnia kondensacji wyróżnia się :

chromatynę luźną, aktywną w procesie syntezy RNA (transkrypcji) – euchromatynę

chromatynę skondensowaną, zbitą, nieaktywną transkrypcyjnie

– heterochromatynę

Budowa chromosomu

Pojedynczy chromosom składa się z ramion rozdzielonych przewężeniem pierwotnym centromerem– jest to odcinek pozbawiony DNA, zawiadujący ruchem chromosomu.

W niektórych chromosomach występuje także przewężenie wtórne -określane jako region jąderkotwórczy

Dystalny fragment chromosomu poza przewężeniem wtórnym to tzw. trabant -satelita

Widoczny jest także podział podłużny chromosomu na dwie połówki – chromatydy

Rodzaje chromosomów – w zależności od położenia centromeru

metacentryczny

• to taki chromosom, w którym centromer jest położony dokładnie w połowie długości chromatyd

submetacentryczny

• chromosom, w którym centromer położony jest w pobliżu środka chromosomu, ale nie dokładnie w środku

akrocentryczny

-to taki chromosom, w którym centromer położony jest blisko końca chromatyd

telocentryczny

- jest to chromosom, w którym centromer położony jest na końcu chromosomu dlatego posiada tylko jedną parę ramion

Chromosomy człowieka

U człowieka we wszystkich komórkach występują 22 pary autosomów i 1 para chromosomów płciowych -u kobiet złożona z dwóch chromosomów X, u mężczyzny z chromosomu X i chromosomu Y

Budowa chromosomu

Procesy zachodzące w jądrze komórkowym

• Replikacja DNA – podwojenie DNA, tuż przed podziałem komórki

• Transkrypcja – przepisanie informacji genetycznej z DNA na RNA

• Procesy potranskrypcyjne związane z dojrzewaniem RNA

W jądrze komórkowym na łańcuchach DNA syntetyzowane są

trzy rodzaje kwasów rybonukleinowych:

• matrycowy mRNA –o dużej cząsteczce zawierającej od kilkuset do kilku tysięcy nukleotydów

• transportujący tRNA o mniejszej cząsteczce zbudowanej z 75-85 nukleotydów

• rybosomalny rRNA

Siateczka śródplazmatyczna ER endoplasmic reticulum

• jest najlepiej rozwiniętym systemem błonowym w komórce eukariotycznej

• stanowi układ spłaszczonych błon, tworzących kanaliki, cysterny i pęcherzyki

• ma połączenie z błoną jądrową i błoną cytoplazmatyczną (plazmolemmą), ale w przeciwieństwie do błony komórkowej, błony siateczki nie są spolaryzowane

Retikulum endoplazmatyczne - rodzaje

Z uwagi na charakter błon ER wyróżnia się:

• siateczkę śródplazmatyczną gładką – retikulum endoplazmatyczne agranularne, w skrócie SER

• siateczkę śródplazmatyczną szorstką – retikulum endoplazmatyczne granularne, w skrócie RER

ER sarkoplazmatyczne, które występuje w komórkach mięśni i gromadzi jony wapnia niezbędne do skurczu

ER szorstkie

Na zewnętrznych powierzchniach błon ER zlokalizowane są rybosomy.

Jej główną funkcją jest synteza białek przeznaczonych na „eksport”, stąd też licznie występuje m.in. w:

• *komórkach nabłonka gruczołowego trzustki (wydzielają enzymy trawienne)

• *neuronach (o dużej ilości białek przenośnikowych)

• *komórkach kościotwórczych (wydzielają enzymy pomagające przy rekonstrukcji i przebudowie kości)

ER gładkie

Na powierzchni zewnętrznych błon nie występują rybosomy

Jej główną funkcją jest synteza lipidów, polimeryzacja glukozy , tworzenie ziarnistości glikogenu

SER jest szczególnie rozwinięta w komórkach specjalizujących się w syntezie niebiałkowych składników organicznych. Przykładami mogą być:

komórki śluzowe żołądka i jelita cienkiego

kora nadnerczy, jajników, jąder

komórki wątroby

komórki mięśni poprzecznie prążkowanych

Funkcje ER

• zwiększa powierzchnię wewnętrzną komórki

• dzieli cytoplazmę na sektory, umożliwiając jednoczesne przeprowadzanie różnych, często wzajemnie się wykluczających procesów, np. syntezy i rozpadu

• tworzy wewnętrzne kanały łączności pomiędzy różnymi strukturami w komórce

• syntetyzuje białka (RER) i lipidy (SER)

• przeprowadza detoksykację trucizn i leków (głównie w komórkach wątroby)

Rybosomy

Są to specjalne organella służące do produkcji białek.

Z chemicznego punktu widzenia w rybosomach występują dwa zasadnicze składniki: rybosomalny RNA (rRNA) i białka.

Każdy kompletny rybosom składa się zawsze z dwóch podjednostek - większej i mniejszej.

Organella te występują wolno w cytoplazmie oraz jako struktury związane z błonami ER.

Translacja

Translacja składa się z czterech faz:

• aktywacji

• inicjacji

• elongacji

• terminacji

Potranslacyjna enzymatyczna modyfikacja

• białko zsyntezowane w rybosomach gromadzi się w kanalikach siateczki śródplazmatycznej, następnie jest przesuwane do apartau Golgiego, w którym ulega zagęszczeniu i zostaje otoczone błoną

• w postaci pęcherzyków kierowane jest ku powierzchni komórki

• po zetknięciu się z błoną komórkową pęcherzyki otwierają się i opróżniają z zawartości na zewnątrz

W wyniku potranslacyjnej enzymatycznej

modyfikacji powstaje:

*białko strukturalne

-wchodzi w skład organelli cytoplazmatycznych

*białko enzymatyczne

-bierze udział w metabolizmie wewnątrzkomórkowym

*białko wydzielane przez komórki na zewnątrz

Aparat Golgiego

Jest to system błon złożony z płaskich cystern, rurek i pęcherzyków, blisko związany z siateczką śródplazmatyczną, stanowiący jakby jej przedłużenie pod względem pochodzenia i funkcji.

Strukturą podstawową aparatu Golgiego jest diktiosom – stos płaskich woreczków -cystern

Na brzegach cystern tworzą się liczne rozdęcia, które odłączają się następnie w postaci kulistych pęcherzyków

Rozpuszczalne białka wchodzą do sieci cis Golgiego poprzez pęcherzyki transportujące pochodzące z ER.

Białka wędrują poprzez cysterny, poprzez pęcherzyki transportujące, które odrywają się od jednej cysterny i łączą poprzez fuzję z następną.

Białka opuszczają sieć trans Golgiego w pęcherzykach transportujących, kierowanych albo do powierzchni komórki, albo do innych przedziałów.

Funkcje aparatu Golgiego

• modyfikacja i sortowanie białek, zwłaszcza przyłączanie do nich reszt cukrowych

• synteza niektórych cukrów

• udział w procesach wydzielniczych komórki,

• transport wydzielin w kierunku błony komórkowej

Lizosomy

Są to otoczone pojedynczą błoną biologiczną pęcherzyki o średnicy ok 400 nm

Zawierają enzymy hydrolityczne, które prowadzą kontrolowane wewnątrzkomórkowe trawienie zarówno materiału zewnątrzkomórkowego jak i zużytych organelli

Enzymy te są optymalnie aktywne w środowisku kwaśnym utrzymywanym w lizosomach, dzięki czemu nawet gdyby nastąpił jakiś przeciek, zależność enzymów od dużego zakwaszenia chroni zawartość komórki przed strawieniem.

Lizosomy

Trawienie wewnątrzkomórkowe doprowadza do uwolnienia substancji ze składników pokarmowych oraz prowadzi do rozkładu cząstek szkodliwych.

W trawieniu wewnątrzkomórkowym biorą udział różne enzymy hydrolityczne (proteazy, nukleazy, lipazy, fosfatazy, glikozydazy) zlokalizowane w tych organellach komórkowych.

Lizosomy zawierają aż 40 typów enzymów hydrolitycznych, które degradują białka, kwasy nukleinowe, fosfolipidy i oligosacharyd.

Rodzaje:

- trawienne – rozkładają substancje

- magazynujące – magazynują substancje

- „grabarze” – rozkładają obumarłe składniki cytoplazmy

Endocytoza

• FAGOCYTOZA

• większe fragmenty obcych komórek lub mikroorganizmy są wciągane do wnętrza komórki, gdzie tworzą wakuole

• do wakuoli przyłączają się lizosomy i uwalniają enzymy trawienne

• PINOCYTOZA

• przebiega podobnie do fagocytozy

• dotyczy mniejszych cząsteczek związków chemicznych

Egzocytoza

• proces uwalniania metabolitów powstających wewnątrz komórki (np. hormonów, neurotransmiterów, enzymów), ale także i produktów ubocznych metabolizmu i wydalin do przestrzeni pozakomórkowej

• proces ten zachodzi na drodze fuzji pęcherzyków transportujących metabolity z błoną komórkową od wewnątrz, co skutkuje wyrzuceniem ich zawartości do środowiska pozakomórkowego.

Mitochondria

Są to organella występujące u wszystkich Eucaryota (z wyjątkiem erytrocytów ssaków)

Zalicza się je do struktur błoniastych – otoczone są podwójną błoną lipidowo – białkową

Błona zewnętrzna jest gładka i dość łatwo przepuszczalna, natomiast wewnętrzna jest trudno przepuszczalna i tworzy do wnętrza mitochondrium głębokie, prostopadłe wpuklenia, inaczej grzebienie

Pomiędzy błonami znajduje się niewielka strefa, którą nazywa się przestrzenią perymitochondrialną

Wnętrze mitochondium wypełnia jednorodna macierz, w której znajdują się cząstki mitochondrialnego DNA, RNA, enzymy, rybosomy

Mitochondria

• Są organellami półautonomicznymi, zawierającymi własny, mitochondrialny DNA w formie podwójnej helisy nie związanej z białkami

• Informacja genetyczna zawarta w mitochondrialnym DNA pozwala jednak na syntezę tylko niewielkiej części białek znajdujących się w mitochondriach

• Podobieństwo mitochondriów do komórek prokariotycznych (nukleoid, rybosomy 70S, podwójna błona jak u bakterii gramujemnych) stanowi podstawę hipotezy o pochodzeniu tych organelli od jednokomórkowych organizmów prokariotycznych, które w zamierzchłych ewolucyjnie czasach wniknęły jako symbionty do komórek eukariotycznych i na tyle uzależniły się od swego partnera, że utraciły zdolność do samodzielnego życia i stały się jego integralnym składnikiem

• Mitochondria są zazwyczaj pod względem kształtu i wymiaru podobne do bakterii, aczkolwiek ich właściwości mogą się różnić w zależności od tylu komórki.

• Są niezwykle ruchliwymi organellami, stale zmieniają kształt i położenie.

• Występują w dużej ilości i mogą tworzyć długie łańcuchy związane z mikrotubulami cytoszkieletu.

• W niektórych komórkach pozostają jednak nieruchome, np. w komórce mięśnia sercowego mitochondria przylegają do aparatu kurczliwego, natomiast w plemniku ciasno oplatają ruchomą witkę.

Mitochondria – fabryki energii

Mitochondria dostarczają energii użytecznej biologicznie w postaci ATP

ATP (adenozynotrifosforan) nazywany jest uniwersalnym akumulatorem i przenośnikiem energii, głównym jego źródłem jest proces oddychania wewnątrzkomórkowego, polegającego na utlenianiu związków organicznych w następującej kolejności: węglowodany, tłuszcze i białka. Najwydatniejsze - tlenowe etapy tego procesu zachodzą właśnie w mitochondriach.

Budowa ATP

Cząsteczka ATP jest związkiem składającym się z zasady azotowej – adeniny połączonej z cząsteczką cukru – rybozy i trzech reszt fosforanowych

ATP powstaje w procesie fosforylacji z ADP (adenozynodwufosforanu) i Pi (fosforanu nieorganicznego).

Oddychanie wewnątrzkomórkowe

Jest to wielostopniowy proces utleniania związków organicznych związany z wytwarzaniem energii użytecznej metabolicznie w postaci ATP. Oddychanie przebiega w każdej żywej komórce w sposób stały.

Przebieg utleniania cząsteczki glukozy:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 36 ADP + 36Pi → 6CO₂ + 6H₂O +36 ATP

Etapy oddychania wewnątrzkomórkowego

• Glikoliza – zachodzi w cytoplazmie komórki i polega na przekształceniu cząsteczek glukozy do związku zwanego kwasem pirogronowym. Końcowy produkt glikolizy – pirogronian – wędruje z cytoplazmy do macierzy mitochondrium, gdzie współtworzy związek o nazwie acetylo-koenzym A (acetylo-CoA), który następnie jest stopniowo utleniany w kolejnym etapie oddychania

• Cykl Krebsa – cykl przemian zachodzący w macierzy mitochondrium, przebiegający z uwolnieniem cząsteczek dwutlenku węgla oraz syntezą ATP

Utlenienie końcowe – zachodzi w grzebieniach mitochondrialnych z udziałem tlenu cząsteczkowego. Końcowym produktem etapu jest woda. W przemianach tych możliwa jest synteza dużej liczby cząsteczek ATP

Oddychanie biologiczne:

• przeniesienie atomów wodoru z substratów na atomy tlenu

• zlokalizowane głównie w mitochondriach

• odpowiednie rozmieszczenie przestrzenne cząsteczek substratów i enzymów, zapewniające sprzężenie oddychania z fosforylacją, gwarantowane jest odpowiednim związkiem czynnych elementów z wewnętrzną błoną mitochondrialną

Zużytkowywanie energii:

• chemiczna praca (biosyntezy)

• praca osmotyczna (transportu)

• praca mechaniczna

Praca osmotyczna (transportu)

• zdolność komórek do wychwytywania z otoczenia i gromadzenia w swym wnętrzu składników pokarmowych

• umiejętność wychwytywania bądź wydalania jonów wbrew gradientowi stężeń (pompa jonowa)

• powyższe zjawiska odnoszą się także do różnych części tej samej komórki (np. mitochondria – cytoplazma, cytoplazma – jądro)

Praca mechaniczna

• skurcz komórki mięśniowej

• ruch elementów komórki w czasie mitozy

• ruch rzęsek

Termoregulacja

• część energii nie wykorzystana do wykonania pracy ulega rozproszeniu w postaci ciepła

• organizmy zwierząt stałocieplnych wykorzystują ją do utrzymywania stałej temperatury ciała

Mikrociałka

Są to bardzo małe oragnelle, dla których charakterystyczna jest obecność dużych ilości katalazy, enzymu rozkładającego nadtlenek wodoru na wodę i tlen.

Peroksysomy – pęcherzyki przeprowadzające reakcje utleniania z wykorzystaniem tlenu cząsteczkowego. Procesom tym zwykle towarzyszy wydzielanie się toksycznego nadtlenku wodoru, który jest rozkładany przez katalazę do produktów nieszkodliwych. U człowieka, w komórkach wątroby struktury te uczestniczą m.in. w neutralizowaniu etanolu.

Cytoplazma

Jest to płynny, złożony koloid wodny, w którym są rozpuszczone lub zawieszone białka, lipidy, kwasy tłuszczowe, aminokwasy oraz sole mineralne.

Cytoplazma tworzy środowisko reakcji dla większości reakcji biochemicznych.

Ważnym jej składnikiem jest cytoszkielet – przestrzenna sieć białkowych rureczek i włókienek, który jest odpowiedzialny m.in. za możliwość zmiany kształtu niektórych komórek i ich zdolność do poruszania się.