Wykładowca: mgr A. Szczepanek

Biofizyka - ćwiczenia 17.10.2010
(niedziela)

Dopuszczalna 1 nieobecność. Wymagane na zaliczenie to, co na zajęciach. Wszystkie obecności pomagają na zaliczeniu podnosząc ocenę o 0,5.

Na zaliczeniu krótkie pytania opisowe, po uprzednim podaniu zakresu materiału.

Komórka (łac. cellula) - elementarna jednostka życia, najmniejsza wysoce skomplikowana, doskonale zintegrowana fizykochemiczna jednostka struktury, funkcji i reprodukcji żywej materii. Komórka to mała, otoczona błoną, jednostka wypełniona stężonym roztworem związków chemicznych i wyposażona w niezwykłą zdolność tworzenia swych własnych kopii na drodze rozwoju i podziału na dwie jednostki potomne.

Komórki przybierają różne kształty w zależności od pochodzenia lokalizacji i pełnionej w organizmie funkcji. Najczęściej spotykaną u zwierząt formą jest kulista i jajowata.

Występują również komórki gwieździste z wypustkami - neurony, wrzecionowate - komórki mięśni gładkich.

Liczba komórek

Organizm dorosłego człowieka zbudowany jest z 6x10¹³ (60 bilionów) komórek z czego 2% codziennie traci i ulega odtworzeniu. Ciało niemowlęcia w momencie urodzenia zawiera 2x10¹² komórek

Skład chemiczny komórki

Spośród 92 pierwiastków naturalnie występujących w przyrodzie zaledwie 26 występuje w komórkach i uznawane są za stałe i niezbędne do funkcjonowania. Z pozostałych 66 około połowę spotyka się w niektórych genotypach komórek.

Pierwiastki występujące w komórce można podzielić na:

• Podstawowe

• Śladowe

• Mikroelementy

Podstawowe - od 2% do 60 % masy człowieka

• Tlen - 63%

• Węgiel - 19%

• Wodór - 9%

• Azot - 5%

• Razem - 96,625%

Śladowe - od 0,02% do 2% masy człowieka

• Wapń - 1,5%

• Siarka - 0,6%

• Fosfor - 0,6%

• Sód - 0,2%

• Potas - 0,2%

• Chlor - 0,2%

• Magnez - 0,04%

• Razem - 3,35%

Mikroelementy - ok. 0,01% masy człowieka

• Fluor - 0,009%

• Żelazo - 0,005%

• Glin - 0,001%

• Miedź - 0,0005%

• Magnez - 0,0001%

• Jod - 0,00004%

• Krzem - ślad

Zawartość substancji chemicznych w protoplazmie komórki

• Woda - 75-85%

• Białka - 10-20%

• Lipidy - 2%

• Kwasy nukleinowe DNA 0,4% i RNA 0,7%

• Cukrowe - 1%

• Sole mineralne 1%

Budowa komórki

• Kształt jądra jest przeważnie kulisty, wrzecionowaty (granulocyty człowieka są segmentowe)

• Średnica jądra wynosi 3,5 do 50 µm

• Większość komórek posiada jedno jądro (komórki wątroby i chrząstki są dwujądrowe, liczba jąder w szpiku kostnym może dochodzić do 100)

• Wnętrze jądra otacza nukleoplazma i podwójna błona jądrowa

• W obrębie jądra wyróżniamy obszar zagęszczony

Retikulum endoplazmatyczne

• Sieć połączonych ze sobą pęcherzyków błonowych, ograniczających daną przestrzeń

• Występuje we wszystkich komórkach poza plemnikiem

• Wyróżniamy szorstkie i gładkie retikulum endoplazma tyczne

Szorstkie:

• Posiada od strony zewnętrznej przyłączone rybosomy

• Rybosomy nie są związane w stały sposób, ich przyłączenie następuje, gdy zachodzi potrzeba biosyntezy białek

• Są miejscem syntezy białek sekrecyjnych, błonowych oraz protanslacyjnej modyfikacji

Gładkie:

• Nie posiada przyłączonych rybosomów

• Jest miejscem syntez
  - triacylogilecorli
  - fosfolipidów i glikolipidów
  - cholesterolu
  - kwasu L-askorbinowego
  - procesów detoksykacji

• Procesy te są możliwe dzięki obecności w siateczce wielu enzymów

Aparaty Golgiego

• Zbudowane ze spłaszczonych woreczków błonowych ułożonych w kształcie stos

• Zlokalizowane pomiędzy siateczką śródplazmatyczną a błoną komórkową

• Cechuje się biegunowością cis->trans

• Poszczególne przestrzenie różnią się składem enzymatycznym

• Rolą aparatu Golgiego jest:

- modyfikacja białek, glikoprotein, glikolipidów
- pakowanie w pęcherzyki i transportowanie białek

Mitochondria

• Centra energetyczne komórki

• Ich średnica wynosi od 0,2 do 3 µm

• Składają się z dwóch błon otaczających przestrzeń międzybłonową

• Większość komórek zwierzęcych zawiera kilkaset mitochondriów, ale np. komórki wątroby zawierają od 800 do 2000

• Ich liczebność zależy od intensywności metabolizmu tlenowego i zapotrzebowania energetycznego

• Zawierają własne koliste DNA

• Błona wewnętrzna tworzy grzebień wnikający do wnętrza matrix, będący miejscem transportu elektronów i fosforylacji desydacyjnej wytwarzającej ATP

W matrix zachodzi szereg reakcji metabolicznych

• Cykl kwasu cytrynowego

• Dekarboksylacja oksydacyjna pirograminu

• Rozkład kwasów tłuszczowych

• Katabolizm szkieletowych węglowych aminokwasów

• Wydłużenie łańcuchów kwasów tłuszczowych

Lizosomy

• Są strukturami otoczonymi pojedynczą błoną

• Występuje wyłącznie w komórkach zwierzęcych

• Ich średnica wynosi od 0,25 do 1 µm

• Główną ich funkcją jest degradacja makrocząsteczek, które dostały się do ich wnętrza na drodze endocytozy

• Mają lekko kwaśne pH oraz zawierają szereg hydroliz (lipoza, fasfatoza, nukleoza). W przypadku uszkodzenia lizosomy i wydostania się enzymów do cytoplazmy nie wyrządzają one większych uszkodzeń gdyż są niefunkcjonalne w pH cytoplazmy

Peryoksotny

• Mają kształt kulisty

• Otoczone pojedynczą błoną

• Zawierają enzymy degradujące kwasy tłuszczowe o długich łańcuchach nie mogące przedostać się do wnętrza mitochondriów

• Przekształcają dzięki enzymowi katalazie toksyczny nadtlenek wodoru w wodę i tlen

Rybosomy - organelle służące do produkcji białek w ramach translacji. Są zbudowane z rRNA i białek. Katalityczna aktywność rybosomu związana jest właśnie z zawartym w nim rRNA, natomiast białka budują strukturę rybosomu i działają jako kofaktory zwiększające wydajność translacji.

Cytozol - cytoplazma nie wchodząca w skład organelli komórkowych.

Błona komórkowa, plazmolema, plazmolemma (cytolemma, plasmolemma) - półprzepuszczalna błona biologiczna oddzielająca wnętrze komórki od świata zewnętrznego. Jest ona złożona z dwóch warstw fosfolipidów oraz białek, z których niektóre są luźno związane z powierzchnią błony (białka peryferyjne), a inne przebijają błonę lub są w niej mocno osadzone białkowym lub niebiałkowym motywem (białka błonowe).

Zazwyczaj inne białka występują po wewnętrznej, a inne po zewnętrznej stronie błony. Cząsteczki należące do błony mogą z łatwością poruszać się wewnątrz swojej warstwy (dyfuzja lateralna, o ile nie są związane na przykład od wewnątrz z białkami cytoszkieletu), jednak napotykają duże trudności z przejściem do warstwy przeciwnej.

Kwasy tłuszczowe

Kwasy monokarboksylowe o wzorze ogólnym R-COOH (R oznacza łańcuch węglowodorowy, a COOH jest grupą karboksylową znajdującą się na końcu tego łańcucha). Kwasy tłuszczowe występujące naturalnie wchodzą w skład tłuszczów lub występują w postaci "wolnej" (tzn. wolne kwasy tłuszczowe, ang. FFA od free fatty acids).
Połączenie 3 cząsteczek kwasów tłuszczowych z cząsteczką glicerolu tworzy triglicerydy.

Łańcuch węglowodorowy naturalnych kwasów tłuszczowych jest zazwyczaj prosty (nierozgałęziony) i może zawierać kilka wiązań podwójnych (o konfiguracji Z). Naturalne kwasy tłuszczowe zbudowane są z parzystej liczby atomów węgla, a ich liczba wynosi najczęściej 12-20. Pojęcie kwasów tłuszczowych bywa rozszerzane na wszystkie alifatyczne niecykliczne kwasy karboksylowe. Od niższych kwasów karboksylowych różnią się głównie tym, że z powodu przewagi części hydrofobowej nad hydrofilową są nierozpuszczalne w wodzie i mają neutralne pH. Kwasy tłuszczowe często oznacza się w notacji n:m, gdzie n to liczba atomów węgla w cząsteczce (wliczając w to atom zawarty w grupie karboksylowej), zaś m to liczba wiązań podwójnych między nimi.

Lipidy

Szeroka grupa występujących w naturze związków chemicznych. Zaliczają się do nich tłuszcze, woski, sterole, tak zwane rozpuszczalne w tłuszczach witaminy (jak witaminy A, D, E, K), monoacyloglicerole, diacyloglicerole, fosfolipidy i wiele innych grup. Główne biologiczne funkcje lipidów to magazynowanie energii, tworzenie błon biologicznych i udział w przesyłaniu sygnałów.

Związki te można szeroko zdefiniować jako niewielkie hydrofobowe bądź amfifilowe cząsteczki, amfifilowość niektórych z nich pozwala im w środowisku wodnym tworzyć struktury takie, jak pęcherzyki, liposomy czy błony. Biologiczne lipidy powstają w całości lub częściowo z dwóch odrębnych typów podjednostek ("cegiełek"): grup ketoacylowych i izoprenowych. Idąc tą drogą, lipidy podzielić można na 8 grup: kwasy tłuszczowe, glicerolipidy, glicerofosfolipidy, sfingolipidy, glikolipidy i związki poliketydowe (pochodne kondensacji podjednostek ketoacylowych), sterole i lipidy prenylowe (produkty kondensacji podejednostek izoprenoidowych).

Integralne białka błonowe - białka (lub ich agregaty), które są trwale związane z błoną biologiczną. Takie białka mogą być z niej wyizolowane tylko przy użyciu detergentów ^[1], rozpuszczalników niepolarnych lub czasami czynników denaturujących.

Białka peryferyjne (peryferyczne, przybłonowe, powierzchniowe) - białka błonowe, które łatwo można oddzielić od błony za pomocą roztworów soli. Nie perforują one żadnej z monowarstw błony, a z błoną związane są za pomocą słabych oddziaływań molekularnych, głównie wiązań jonowych, wodorowych i wiązanie van der Waalsa. Oddziałują w ten sposób z samą błoną lub z białkami integralnymi. Te białka mają zwykle duże fragmenty polarne i łączą się z fosfolipidami błony wiązaniami jonowymi.

Transport aktywny - rodzaj przenikania związków chemicznych przez błony komórkowe, który zachodzi z udziałem pewnych mechanizmów transportujących lub substancji przenośnikowych, ze środowiska o mniejszym stężeniu do środowiska o stężeniu większym, czyli wbrew gradientowi elektrochemicznemu. Taki transport wymaga dostarczenia energii chemicznej lub zmniejszenia entalpii swobodnej układu. Ich źródłami są odpowiednio:

• hydroliza cząsteczki ATP (dla transportu aktywnego pierwotnego)

• sprzężenie z transportem innego związku zgodnie z gradientem stężenia (dla transportu aktywnego wtórnego)

Przykładem mechanizmu transportującego (I rodzaju) jest pompa sodowo-potasowa.

I - uniport,

II - symport,

III - antyport

Aktywny transport substancji może być następujący:

• uniport - transport jednej cząsteczki (substancji)

• symport - transport dwóch substancji w tym samym kierunku (transport wtórnego)

• antyport - transport dwóch substancji w różnym kierunku (transport wtórnego).

Pompa sodowo-potasowa

Inna często używana nazwa to Na⁺/K⁺ ATP-aza to ważny enzym (EC 3.6.3.9) uczestniczący w aktywnym transporcie kationów sodu (Na⁺) i potasu (K⁺). Ma on podstawowe znaczenie dla każdego rodzaju komórek żywych, utrzymując potencjał błonowy i objętość komórki. Za badania nad tą cząsteczką Jens C. Skou otrzymał nagrodę Nobla z chemii w 1997 r.

Pompa sodowo-potasowa składa się z dwóch rodzajów podjednostek: α (112 kDa) i β (35 kDa) tworzących w błonie komórkowej heterotetramer α 2β 2. Miejsce wiązania ATP znajduje się na podjednostce α. Na tej podjednostce, na powierzchni skierowanej do środowiska zewnątrzkomórkowego, znajdują się również miejsca wiązania dla steroidów kardiotonicznych (np.: digitoksygenina), które hamują aktywność pompy przez blokowanie defosforylacji.

Hydroliza ATP jest siłą napędową tego enzymu, potrzebną do pompowania jonów sodu i potasu:
ATP-aza jest fosforylowana przez ATP w obecności jonów sodu i magnezu. Do podjednostki α, która jest związana z ATP wiązane są trzy jony sodu. Następnie ATP ulega hydrolizie, a zmiana konformacji białka pozwala na przetransportowanie jonów sodu na zewnątrz komórki, gdzie jony zostają uwolnione z kompleksu. Następuje tu związanie dwóch jonów potasu, a następnie defosforylacja - wywołująca ponowną zmianę konformacji, pozwalającą na przeniesienie jonów potasu do wnętrza komórki. Tu uwolnienie jonów następuje po przyłączeniu cząsteczki ATP.

Fosforylacja zależna od Na⁺ i defosforylacja zależna od K⁺ są krytycznymi reakcjami enzymu. Cykl enzymatyczny trwa 10 ms. Pojedyncza ATP-aza kosztem hydrolizy jednej cząsteczki ATP transportuje, przy maksymalnej prędkości 100 obrotów na s, w ciągu sekundy 300 jonów Na⁺ i 200 jonów K⁺. Gradient sodowo-potasowy wytwarzany dzięki enzymatycznej aktywności Na⁺/K⁺-ATP-azy:

• kontroluje objętość komórki;

• jest niezbędny dla pobudzenia nerwów i mięśni;

• jest siłą napędową transportu aktywnego cukrów oraz aminokwasów.

Działanie pompy wymaga:

• stałego dopływu glukozy i tlenu

• stałej resyntezy ATP (Zobacz: syntaza ATP)

• zachowania temperatury ok. 37 °C

• odprowadzania CO₂

• odpowiedniego stężenia jonów Mg²⁺

• odpowiedniego stężenia jonów Na⁺ i K⁺

Zatrzymanie pompy prowadzi do:

• zmian składu płynu wewnątrzkomórkowego

• zmian składu płynu zewnątrzkomórkowego, w którym stężenie jonów Na⁺ zmniejsza się i zwiększa stężenie jonów K⁺

• utraty przez komórki własnych właściwości

• braku reakcji komórek na bodźce i do ich niepobudliwości.

---