2. biologia komórki.docx

BIOFIZYKA KOMÓRKI

Ogólne właściwości komórek jako układów fizycznych

Komórka jest podstawowym elementem strukturalnym żywych organizmów. Często pojedyncze komórki są kompletnymi organizmami w innych przypadkach uległy one wyspecjalizowaniu i funkcjonują tylko jako części składowe złożonego organizmu.

Istnieje ogromna różnorodność komórek pod względem ich wielkości, budowy i pełnionych funkcji. Starając się opisać typowe, wspólne dla większości komórek właściwości, możemy mówić o pewnej abstrakcyjnej, „typowej komórce”, mającej cechy najczęściej spotykane.

Taka „typowa komórka” ma:

-   wymiary (długość i średnicę) 1 ÷ 5 μm,

-   białka stanowią 70% suchej masy komórkowej,

-   kwasy nukleinowe stanowią 15% suchej masy komórkowej,

-   lipidy stanowią 10% suchej masy komórkowej,

-   węglowodany stanowią 5% suchej masy komórkowej,

-  komórka zawiera ok 107 makrocząsteczek

Rozpatrując żywy organizm, jako układ fizyczny możemy wskazać cechy charakterystyczne, które wyróżniają go spośród układów nieożywionych, jakie spotyka się w przyrodzie.

Cechy charakteryzujące żywe układy:

-     Odrębność od otoczenia,

-     Wysoki stopień organizacji,

-     Zdolność do wzrostu i rozmnażania,

-     Zaawansowane metody przemiany materii i energii,

-     Pobudliwość,

-     Homeostaza.

Każda z tych cech z osobna nie stanowi kryterium wyróżniającego organizm żywy od nieżywego, jednak wszystkie one występując jednocześnie są charakterystyczne dla zjawiska życia.

Odrębność od otoczenia. Organizm żywy jest zawsze oddzielony od otoczenia powierzchniami granicznymi. Granice te stanowią błony komórkowe, u organizmów bardziej złożonych granicami są warstwy specjalnych komórek ochronnych. Analogiczne granice występują także wewnątrz komórki, oddzielając poszczególne organelle od reszty cytoplazmy.

Odrębność ta pociąga za sobą także odrębność składu chemicznego sąsiadujących obszarów

Wysoki stopień organizacji. Podkreślaliśmy już wysoką złożoność strukturalną żywej komórki. Obserwujemy ją zarówno na poziomie cząsteczkowym (budowa białek i innych makrocząsteczek), jak też i na poziomie struktur subkomórkowych. Analogiczną złożoność obserwujemy także na wyższych szczeblach organizacji: tkanek, narządów, całych organizmów, gatunków i biocenoz.

Także procesy zachodzące w żywych organizmach wykazują wielką złożoność, przewyższającą znacznie złożoność procesów zachodzących w przyrodzie nieożywionej. Inną wyraźną cechą jest precyzyjna kontrola przebiegu tych procesów, odbywająca się na zasadzie wielorakich sprzężeń zwrotnych.

Wzrost i rozmnażanie się. Zarówno wzrost organizmu, jak i jego rozmnażanie się, a więc wzrost liczebności gatunku, są z punktu widzenia fizyki przykładami tendencji do powiększania ilości wysoko zorganizowanej materii kosztem nieuporządkowanych (w sensie termodynamicznym) składników otoczenia.

Przemiany energii. Organizmy żyją tak długo, jak długo zachodzą w nich procesy przemiany energii i warunkujące je procesy przemiany materii. Organizmy stale pobierają z otoczenia pewne składniki pokarmowe; mogą one utleniać niektóre z nich, uzyskując w ten sposób energię chemiczną, przetwarzaną następnie na inne formy energii. Rośliny zielone mogą pochłaniać wprost energię kwantów światła i przetwarzać ją na energię zawartą w związkach chemicznych.

Pobudliwość. Organizmy żywe mają zdolność specyficznego reagowania na bodźce zewnętrzne. Nieraz bodziec o niewielkiej energii (zmiana oświetlenia, drobne ilości pewnych substancji w środowisku) może wywołać wyraźny, niekiedy gwałtowny skutek, np. ruch całego organizmu, w celu ucieczki, bądź ścigania źródła pożywienia. Mamy więc do czynienia z bardzo dużymi wzmocnieniami na drodze między bodźcem a skutkiem.

Homeostaza. Zdolność organizmu do zachowania stałości podstawowych parametrów biologicznych, dzięki sprawnej czynności układów regulacyjnych.

W stosunku do niektórych bodźców organizmy podejmują działania prowadzące do zaadaptowania się do nich, przy możliwie małych zmianach środowiska wewnętrznego organizmu. Jest to jeden z przejawów zdolności organizmów do samoregulacji, cecha bardzo wyraźnie zaznaczonaw organizmach żywych

Źródła energii komórki

Pobieranie i przetwarzanie różnych form energii przez żywe organizmy jest jedną z fundamentalnych cech życia.

Zasadniczo istnieją dwa różne sposoby „pozyskiwania” energii przez

żywe układy:

-    komórki heterotroficzne poprzez utlenianie substancji

pokarmowych,

-    komórki autotroficzne na drodze fotosyntezy.

Utlenianie biologiczne polega na przeniesieniu elektronów z układów o niskim potencjale oksydoredukcyjnym na tlen. Ciąg procesów oksydoredukcyjnych i związane z nimi procesy przetwarzania energii odbywają się w mitochondriach.

Na błonie wewnętrznej mitochondrium osadzone są kompleksy enzymów katalizujących procesy utleniania i sprzężone z nimi procesy fosforylacji  adenozynodifosforanu  (ADP) do adenozynotrifosforanu (ATP). Proces ten pozwala na zachowanie części energii uwalnianej podczas procesów utleniania w postaci nadającej się do dalszego wykorzystania w komórce.

Warunkiem niezbędnym dla zaistnienia sprzężenia utleniania z fosforylacją jest odpowiednie rozmieszczenie przestrzenne cząsteczek substratów i enzymów, biorących udział w tych procesach; rozmieszczenie to zapewnia związanie czynnych elementów z błoną mitochondrialną.

1

Energia uzyskana przez komórkę na drodze procesów oksydoredukcyjnych bądź fotosyntezy jest magazynowana w wysokoenergetycznych związkach (głównie ATP), a następnie wykorzystywana do wykonywania

„pracy” właściwej żywej komórce. Pojęcie pracy zostało tu użyte w szerokim sensie i obejmuje wszystkie przemiany związane z użytkowaniem i oddawaniem nagromadzonej energii.

Schemat uzyskiwania i przetwarzania energii przez komórkę heterotroficzną.

Chemiczna praca biosyntezy. Syntezy wielu związków, jakie zachodzą w komórce, są procesami endoergicznymi, wymagającymi dostarczenia energii.

Praca transportu (praca osmotyczna). Powszechnie znany jest fakt, że żywe komórki mają zdolność wychwytywania ze środowiska składników pokarmowych (nawet, jeśli składniki te występują w niewielkich stężeniach) i gromadzenia ich w swym wnętrzu.

Podobnie komórki mają zdolność wychwytywania bądź wydalania jonów wbrew gradientom stężeń w wyniku działania pomp jonowych. Podobne zjawiska transportu obserwujemy także wewnątrz komórki, pomiędzy poszczególnymi jej częściami (cytoplazma − mitochondria, cytoplazma − jądro).

Na utrzymanie właściwego stężenia jonów i innych składników wewnątrz komórki zużywane są znaczne ilości energii uzyskiwanej przez komórkę. Bezpośrednim źródłem energii dla funkcjonowania pompy jonowej jest ATP.

Praca elektryczna. Przemieszczanie jonów przeciwko gradientom potencjałów elektrochemicznych prowadzi do zwiększania uporządkowania układów, a więc, podobnie jak w przypadku pracy chemicznej, do zmniejszenia entropii. Proces taki nie może być samoistny, źródłem energii dla niego jest hydroliza ATP.

Praca mechaniczna. Najbardziej rzucającym się w oczy przykładem wykonywania pracy przez żywy organizm jest skurcz komórki mięśniowej. Jednakże z podobnymi lub analogicznymi procesami mamy do czynienia w każdej komórce. Powszechnie występującym zjawiskiem jest ruch protoplazmy w komórce.

Każdej z opisanych przemian energetycznych towarzyszy zamianaczęści energii na ciepło i rozproszenie go w otoczeniu.

Błona komórkowa

Pojęcie plazmatycznej błony komórkowej wprowadził w 1855 r. C.Nagäli. Błony komórkowe otaczają komórki roślinne, zwierzęce, bakteryjne oraz organelle komórkowe (jądro, mitochondrium, lizosomy, retikulum endoplazmatyczne, w komórkach roślinnych: chloroplasty, wakuole).

Istnieją też błony tkankowe złożone z wyspecjalizowanych komórek

(przepona jelitowa, błony nerek itp.).

Dzięki specyficznym właściwością fizykochemicznym i strukturalnym błony spełniają szereg ważnych funkcji w organizmie.

Prawidłowy stan czynnościowy komórki charakteryzuje się utrzymywaniem stałości składu środowiska wewnątrzkomórkowego przy jednoczesnej ciągłej, ale wybiórczej wymianie materii, energii i informacji z otoczeniem. Miejscem tych funkcji jest błona komórkowa.

Układy żywe można traktować jako układy błon, tworzące zlokalizowane obszary, w których zachodzą różnorodne procesy życiowe.

Główne funkcje błon komórkowych:

-    zapewnienie stałości składu środowiska wewnątrzkomórkowego,

-    selektywna wymiana substancji:

stałość składu, potencjały spoczynkowe i czynnościowe,

-    stanowią matryce strukturalne umożliwiające odpowiednie ustawienie enzymów katalizujących reakcje:

- błony mitochondriów − przemiany energetyczne, chloroplasty − fotosynteza,

- retikulum endoplazmatyczne − synteza białek, tłuszczy, fosfolipidów,

-    odpowiadają za recepcję bodźców: markery, bodźce hormonalne, w komórkach wyspecjalizowanych innych bodźców.

Argumenty przekonujące o istnieniu błon komórkowych:

-   izolacja błon komórkowych erytrocytów przez hemolizę

(obserwacja tzw. cieni),

-   rozrywanie błon ultradźwiękami, flotacja cytoplazmy, wirowanie,

-   badania przy użyciu mikroskopu elektronowego umożliwiło „zobaczenie” martwej błony (utrwalanie, odwodnienie, zabarwienie solami).

Poniżej pokazano „zdjęcia” błon komórkowych otrzymane w mikroskopie elektronowym

Inne sposoby wizualizacji błon komórkowych. Błona komórkowa drożdży

zwizualizowana w mikroskopie fluorescencyjnym.

Białka błonowe nasycono markerami fluorescencyjnymi świecącymi na zielono i czerwono.

Badania składu chemicznego izolowanych błon komórkowych i organelli wskazują na dominujący w nich udział:

-   lipidów (około 60 % s.m.),

-   białek (około 40 % s.m.).

Skład błon zależy od funkcji komórek:

-    Mielina zawiera tylko 18% białek i aż 76% lipidów,

-    Wewnętrzna błona mitochondriów zawiera 76% białek i tylko 24% lipidów,

-    Błona plazmatyczna czerwonych krwinek ludzi i wątroby myszy zawierają

prawie równe ilości białek i lipidów, odpowiednio 44%, 49% 43%, 52%.

Lipidy są nierozpuszczalne lub trudno rozpuszczalne w wodzie zatem hydrofobowe), zalicza się do nich: tłuszcze, woski, fosfolipidy, glikolipidy.

Niektóre lipidy posiadają także grupy polarne (hydrofilowe: estrowe, fosforowe, aminowe, wodorotlenowe).

Rozpatrzmy ważną klasę lipidów − fosfolipidy.

Są to pochodne glicerolu (gliceryny) C3H5(OH)3.

Glicerol C3H5(OH)3

Wodory z grup hydroksylowych glicerolu w fosfolipidach zastępowane są przez reszty kwasów tłuszczowych lub polarne grupy fosforanowe.

Fosfolipidy zawierają reszty kwasów tłuszczowych np:

Wzory strukturalne wybranych nasyconych kwasów tłuszczowych:

Kwas mirystyrynowy

CH3(CH2)12COOH

Kwas palmitynowy

CH3(CH2)14COOH

Kwas stearynowy

CH3(CH2)16COOH

Zazwyczaj dwa wodory z dwóch grup hydroksylowych gliceryny zastępują reszty kwasów tłuszczowych, a trzeci wodór z 3. grupy hydroksylowej może zastąpić grupa polarna.

Jeśli będzie to reszta fosforanowa powstają fosfolipidy.

Miejsce wiązania reszty fosforanowej z glicerolem

Możliwa struktura fosfolipidu jest zatem następująca:

Jedną z klas fosfolipidów jest lecytyna, w której grupa fosforanowa związana jest z choliną X, a do glicerolu podłączone są dwa „ogony” węglowodorowe.

Zazwyczaj w fosfolipidach występują dwa łańcuchy reszt kwasów tłuszczowych, ale możliwe są układy z jednym, bądź trzema łańcuchami.

Zatem lipidy to substancje

amfifilowe (amfifiline).

Lipidy, a w szczególności lipidy z dwoma łańcuchami węglowodorowymi, posiadają szczególną zdolność do tworzenia na granicy faz o różnej stałej dielektrycznej warstw molekularnych. Posiadają zdolność do samoorganizacji.

Lipidy obniżają  napięcie  powierzchniowe wody.

...