Biofizyka komórki
Komórka jako układ fizyczny
Różnorodność komórek
Od 100 czy też kilkunastu cm (włókna nerwowe, jednokomórkowe glony) do 1 m (organizmy jednokomórkowe)
Cechy komórki „typowej”
Wymiary 1 – 3 m,Objętość 2 – 3 m3,Skład: 70% białka, 15% kwasów nukleinowych, 10% lipidów i 5% cukrowcówOgólna liczba makrocząsteczek wynosi 107
Przykłady „typowych” komórek
(a) Typowa komórka zwierzęca
(b) Typowa komórka roślinna
Charakterystyka komórki „typowej” c.d.
Otoczona jest błoną cytoplazmatyczną,Zawiera jądro i cytoplazmę otoczone podobnymi błonami,W cytoplazmie występuje retikulum endoplazmatyczne i organella, tj. mitochondria, rybosomy, pęcherzyki pinocytarne, układ Golgiego, plastydy (u roślin) i in.
Cechy żywego organizmu (np. jednokomórkowego) traktowanego jako układ fizycznya) Odrębność od otoczenia:
Wynika z obecności błon komórkowych, pełniących błon komórkowych, pełniących funkcję granicy fazfunkcję granicy faz. Struktury te pokryte są często dodatkowymi warstwami (np. śluzem, ścianą komórkową i innymi. Podobne granice występują wewnątrz cytoplazmy, oddzielając poszczególne organella. Cecha ta zapewnia odrębność składu odrębność składu chemicznego komórki w stosunku do otoczeniachemicznego komórki w stosunku do otoczenia. Dotyczy to np. stężenia jonów K, Na i Cl. Stosunek Na/K jest z reguły wyższy wewnątrz komórek niż na zewnątrz. Odrębność składu chemicznego komórki utrzymywana jest do śmierci organizmu.
Cechy żywego organizmu (np. jednokomórkowego) traktowanego jako układ fizyczny c.d.b) Wysoki stopień organizacji
Złożoność ta uwidacznia się na poziomie:
- cząsteczkowym,
- struktur subkomórkowych,
- wyższym (tkanek, narządów, organizmów, gatunków i biocenoz),
Złożoność procesów zachodzących w żywych Złożoność procesów zachodzących w żywych organizmach znacznie przewyższa reakcje mające organizmach znacznie przewyższa reakcje mające miejsce w materii nieożywionejmiejsce w materii nieożywionej. Wiąże się ona m.in. z koniecznością precyzyjnej kontroli metabolizmukoniecznością precyzyjnej kontroli metabolizmu.
Cechy żywego organizmu (np. jednokomórkowego) traktowanego jako układ fizyczny c.d.
c) Wzrost i rozmarzanie się
Traktowane jako tendencje do powiększania ilości materii wysoko zorganizowanej, kosztem nieuporządkowanych składników otoczenia. W ujęciu W ujęciu termodynamicznym powstawanie komórki prowadzi do termodynamicznym powstawanie komórki prowadzi do obniżenia entropiiobniżenia entropii11
Przykłady odpowiadających sobie układów o niskiej i wysokiej entropii1
Niska entropia Wysoka entropiaLód w temperaturze 273K Woda w temperaturze 273KDiament w temperaturze 0 K Opary węgla w
temperaturze 1 000 000 K
Cząsteczka białka o regularnej, natywnej strukturze
Ta sama cząsteczka w postaci rozwiniętej, przypadkowej wstęgi
Sonet Szekspira Przypadkowy ciąg literBiurko kierownika banku Biurko profesora
Cechy żywego organizmu (np. jednokomórkowego) traktowanego jako układ fizyczny c.d.d) Przemiany energii
Uzyskiwanie energii z utleniania składników pokarmowych. W przypadku roślin istnieje możliwość bezpośredniego przekształcania energii słonecznej w chemiczną (głównie na drodze biosyntezy ATP1) na drodze fosforylacji fotosyntetycznej.
Przemiany te stanowią sprzężenie między procesami zwiększającymi entropię oraz lokalnie ją obniżającymi (anabolizm – katabolizm)
Termodynamiczne konsekwencje wartości entalpii swobodnej procesu
Jeżeli G jest... Proces jest...Ujemna Termodynamicznie
korzystnyZerowa Odwracalny; w równowadzeDodatnia niekorzystny; korzystniejszy
jest proces odwrotny
.. subspr GGG i
n
ii nG
1
gdzie µi i ni – stanowią odpowiednio potencjał chemiczny i liczbę moli i-tego składnika
ATP1 jako główny nośnik energii w żywych organizmach Podczas hydrolizy ATP do
ADP wydzielane jest 31 kJ energii (G = -31kJ)
Podczas hydrolizy ADP do AMP wydzielane jest 31 kJ energii (G = -31kJ)
Podczas hydrolizy AMP do adenozyny i Pi wydzielane jest 14 kJ energii (G = -14kJ)
Inne fosforany uczestniczące w transporcie energii w żywych organizmach
Cechy żywego organizmu (np. jednokomórkowego) traktowanego jako układ fizyczny c.d.
e) Pobudliwość
Zdolność specyficznego reagowania na bodźceZdolność specyficznego reagowania na bodźce. Złożoność tych reakcji wynika z bardzo dużego wzmocnienia na drodze między bodźcem a skutkiem
Cechy żywego organizmu (np. jednokomórkowego) traktowanego jako układ fizyczny c.d.
f) Homeostaza
Samoregulacja Samoregulacja przejawiająca się działaniami zmierzającymi do zaadoptowania się do zmian środowiska zewnętrznego kosztem jak najmniejszych zmian środowiska wewnętrznego organizmu
Źródła energii żywej komórki
Utlenianie biologiczne
Fotosynteza
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
Struktura i funkcje mitochondrium
Błona zewnętrzna Błona wewnętrzna
Cytozol
Matriks
Przestrzeń między błonami
MatriksGrzebienie
Membrana wewnętrzna
Przestrzeń między błonami
Utlenianiu biologicznemu zaczynającemu się od
substratów o potencjale
-0,30mV i kończącemu na ,30mV i kończącemu na tlenie (+82mV)tlenie (+82mV) towarzyszy
G = - 218 kJ G = - 218 kJ ·· mol mol-1-1
Potencjał redoks najbardziej zredukowanych substratów
występujących w organizmach wynosi od
––0,60 do –0,50 mV0,60 do –0,50 mV
Wędrówka elektronów w mitochondriach
FotosyntezaOdbywa się w chloroplastach (obecnych tylko w komórkach roślinnych), zawierających barwniki rozmieszczone w błonie lipidowo-białkowej,Istotą jest absorpcja kwantów promieniowania świetlnego w zakresie 600-700nm i przeniesienie elektronów z substratów o wysokim potencjale redoks (H2O) na substraty o potencjale niskim,W sensie fizycznym jest więc odwróceniem oddychania
Budowa chloroplastu
Tylakoid
Błona wewnętrzna
Błona zewnętrzna
Stroma Stroma lamelli
Światło tylakoidu
Przebieg i lokalizacja procesów fotosyntezy
Fotosynteza c.d.
Fotosynteza sprzężona jest z fosforylacją (biosyntezą ATP),Wydajność fotosyntezy i oddychania w komórce wynosi 20-30%, a pozostałą część energii (70-80%) ulega rozproszeniu w postaci ciepła
Reakcje redoks w komórkach
Reakcje redoks zwiększają entropięzwiększają entropię, są więc potencjalnie, a często także faktycznie, samorzutnesamorzutne
W komórkach żywych, stanowiących układ otwarty, reakcje redoks pozostają w powiązaniu z fosforylacją, która obniża entropięfosforylacją, która obniża entropię
Schemat sprzężenia reakcji redoks z fosforylacją
Bodziec termodynamiczny: Różnica potencjałów redoks
Skoniugowany przepływ:
Reakcja oksydoredukcji (przeniesienie elektronów)
Sprzężony przepływ:
Powstanie ATP (fosforylacja)
Wtórny bodziec termodynamiczny: Potencjał chemiczny ATP
Zużytkowywanie energii:
Chemiczna praca (biosyntezy),Praca osmotyczna (transportu),Praca mechaniczna
Nakłady energii potrzebne do biosyntezy wiązań w makrocząsteczkach
Makro-cząsteczka
Monomer Typ wiązania
+G’m na
wiązanie w kJmol-1
Liczba wiązań w cząsteczce
Białko Aminokwas Peptydowe 17 120 -10000Kwas nukleinowy
Nukleotyd Fosfodi-estrowe
21 3000 -1000000
Polisacharyd Cukier prosty
Glikozy-dowe
17 2000 - 10000
Przykłady procesów biosyntezy w ciągu 1 sekundy w komórce E.coli
10 cząsteczek RNA,1400 cząsteczek białek,30 cząsteczek polisacharydów,4 cząsteczki DNA o masie 2 x 106 (w ciągu 20 min. – pełen cykl życia komórki),Zapotrzebowanie na 2,5 x 109 cząsteczek ATP, którego pula musi być w ciągu sekundy kilkakrotnie odnawiana (komórka E.coli zawiera ich zaledwie 1 x 106)
Schemat sprzężenia reakcji biosyntezy makrocząsteczek z hydrolizą ATP
Bodziec termodynamiczny: Potencjał chemiczny ATP
Przepływ termodynamiczny:
Rozkład (hydroliza) ATP
Sprzężony przepływ:
Biosynteza makrocząsteczek
Wtórny bodziec termodynamiczny: Potencjał chemiczny makrocząsteczek
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 osmotyczna (transportu) c.d.
2
1lncc
RT
Zmiana potencjału chemicznego w wyniku transportu 1 mola substancji o stężeniu c1 do c2:
Konsekwencją transportu jonów są zjawiska elektryczne zachodzące w komórkach
Schemat sprzężenia pracy osmotycznej z hydrolizą ATP
Bodziec termodynamiczny: Potencjał chemiczny ATP
Przepływ termodynamiczny:
Rozkład (hydroliza) ATP
Sprzężony przepływ:
Transport jonów
Wtórny bodziec termodynamiczny: Gradient stężeń
Praca mechaniczna
Skurcz komórki mięśniowej,Ruch protoplazmy, mogący prowadzić do powstawania uwypukleń błony komórkowej, a w dalszej konsekwencji do zmian położenia (poruszania się) komórki,Ruch elementów komórki w czasie mitozy,Ruch rzęsek komórek eukariotycznych
Ruch elementów komórki w czasie mitozy
Podstawą ruchu rozdwojonych chromosomów do biegunów jądra są mikrotubule mikrotubule o średnicy 15-20nm zbudowane z białek globularnych o masie 55 kDa,Włókna połączone z chromosomami przemieszczają się aktywnie wzdłuż pozostałych mikrotubul, pociągając chromosomy ku biegunom wrzeciona. Prędkość ruchu wynosi 0,2-4 m · min-1,Po osiągnięciu biegunów włókna ulegają depolimeryzacji i zanikają
Ruch elementów komórki w czasie mitozy c.d.
Ruch rzęsek komórek eukariotycznych
Wymiary rzęsek; grubość ok. 0,25 nm i długość 10 – 20 nm,Mają zdolność wykonywania ruchów falistych z częstotliwością 10 – 40 cykli · min-1,Struktura: układ włókien 2 centralnych + 9 obwodowych o wymiarach 15 nm długości i 8 nm – grubości,Włókna zbudowane są z dwóch białek: tubuliny i tubuliny i dyneiny, dyneiny, mającej zdolność rozkładania ATP,Ruch rzęski spowodowany jest przesuwaniem się włókien względem siebie
Przekrój rzęski komórek eukariotycznych
Włókienka tubuliny
Cząsteczka dyneiny
Mechanizm ruchu rzęsek komórek eukariotycznych
ab
cd
Ruch rzęsek komórek eukariotycznych c.d.
Mechanizm ten zdaje się być podstawowym mechanizmem ruchu w żywych organizmach – występuje m.in. we włóknach mięśniowych i przy ruchach trombocytów
Termoregulacja
Część energii nie wykorzystana do wykonania pracy ulega rozproszeniu w postaci ciepła,Organizmy zwierząt stałocieplnych wykorzystują ją do utrzymywania stałej temperatury ciała (termoregulacja).
Bioenergetyka w ujęciu globalnym
Utlenione substraty
O2
Utlenianie
CO2
ATP
BiosyntezaPraca
mechanicznaPraca
osmotyczna
ADP P
Bioenergetyka w ujęciu globalnym c.d.
Roczna produkcja wszystkich substancji organicznych przez organizmy fotosyntetyzujące na Ziemi wymaga ok. 1018J energii,Po uwzględnieniu strat energetycznych fotosyntezy otrzymuje się 1021J (0,001 energii słonecznej docierającej rocznie do Ziemi),Biorąc pod uwagę powyższe dane oraz fakt, że procesy wzrostu i rozmnażania się żywych organizmów zmniejszają entropię, można sądzić, że żywe organizmy nie stosują się do II zasady termodynamiki,
Bioenergetyka w ujęciu globalnym c.d.
Organizmy żywe nie są jednak układami zamkniętymi, bowiem jednym z warunków życia jest ciągłą wymiana materii i energii z otoczeniem, co z kolei kolei zwiększa entropię,Procesy kataboliczne (zwiększające entropię) i metaboliczne (zmniejszające entropię) są w organizmach żywych sprzężone termodynamicznie.
Błona komórkowa
Rola błony komórkowejOdgraniczenie 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 c.d.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 błony komórkowej
Składniki błony komórkowej
Lipidy – składnik podstawowy. Strukturę błony zapewniają oddziaływania van Der Wallsa i hydrofobowe między częściami apolarnymi ich cząsteczek oraz siły elektrostatyczne między częściami polarnymi a dipolami wody,
Składniki błony komórkowejBiałka:Białka: stanowią 40 – 50% suchej masy błony. Często mają charakter enzymów. Dzielą się na:a) peryferyczne: luźno związane z wewnętrzną lub wewnętrzną powierzchnią błony; stanowią 30% wszystkich białek błony,b) integralne: trwale związane ze strukturą błony – stanowią 70% wszystkich białek błony. Zawierają znaczne ilości aminokwasów o apolarnych łańcuchach bocznych łączących się z lipidami oddziaływaniami hydrofobowymi
Białka błony komórkowej
Białka peryferyczneBiałko integralne Białko penetrujące
Składniki błony komórkowej c.d.Białka penetrujące błonę na wskroś mogą tworzyć kanały do transportu substancji niskocząsteczkowych.
Błony są półprzepuszczalne, tzn. że Błony są półprzepuszczalne, tzn. że łatwo łatwo przenika przez nie wodaprzenika przez nie woda. Przepuszczalność . Przepuszczalność innych substancji zależy od ich rozpuszczalności innych substancji zależy od ich rozpuszczalności w tłuszczach. w tłuszczach. Najtrudniej przenikają przez błony Najtrudniej przenikają przez błony substancje polarne (np. sacharoza) oraz jonysubstancje polarne (np. sacharoza) oraz jony..
Transport substancji przez błonę komórkową
Transport substancji przez błonę komórkową c.d.
Rodzaj cząsteczki
Współczynnik przepuszczalności
Rodzaj cząsteczki
Współczynnik przepuszczalności
Na+ 10-12cm/s tryptofan 10-7cm/sK+ 5 x 10-12cm/s glicerol 5 x 10-6cm/sCl- 10-10cm/s indol 5 x 10-4cm/s
glukoza 5 x 10-8cm/s H2O 5 x 10-3cm/s
Transport substancji przez błonę komórkową c.d.
Zmiana entalpii swobodnej w wyniku transportu 1 mola substancji o stężeniu c1 do c2:
zFcc
RTG *ln1
2
1
2lncc
RTG
a) Dla cząsteczek pozbawionych ładunku
b) Dla cząsteczek obdarzonych ładunkiem
R – stała gazowa, T – temperatura bezwzględna, c2, c1 – stężenie substancji w środowisku 2 i 1, zF - ładunek elektryczny
Rodzaje transportu przez błonę komórkową
a) Transport bierny
b) Transport czynny
0G 0G
Rodzaje transportu przez błonę komórkową c.d.
Transportowana molekuła
Transport przez błony: bierny (dyfuzja)
Stan początkowy Stan końcowy
Czas
Błona
Transport przez błony: ułatwiony na nośnikach
Transport 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 permeazamipermeazami – specyficznymi białkami strukturalnymi błon
Rodzaje transportu nośnikowego
UniportUniport: jedna cząsteczka jest przenoszona w jedną stronę zgodnie z gradientem stężeń,SymportSymport: dwie cząsteczki przenoszone w jedną stronę – jedna zgodnie z gradientem stężeń, a druga wbrew (z wykorzystaniem energii wytworzonej podczas samorzutnego transportu pierwszej cząsteczki,AntyportAntyport: dwie cząsteczki przenoszone w przeciwne strony – najczęściej jedna zgodnie z gradientem, a druga – wbrew (dzięki energii uwolnionej przez pierwszą)
Rodzaje transportu nośnikowego c.d.
Transport przez błony: aktywnyPrzebiega wbrew gradientowi stężeń, wymaga energii pochodzącej ze sprzężenia z odpowiednią reakcją egzoergiczną (np. rozpadem ATP),Powyższe sprzężenie stanowi tzw. pompę pompę jonowąjonową,Ilość niezbędnej energii zależy od stężenia transportowanej substancji po obu stronach błony,Transport jonów wymaga do 107 większych nakładów energii niż transport substancji elektrycznie obojętnych
Transport przez błony: aktywny
Schemat pompy jonowej
Bodziec termodynamiczny: Potencjał chemiczny ATP
Przepływ termodynamiczny:
Rozkład (hydroliza) ATP
Sprzężony przepływ:
Transport jonów
Wtórny bodziec termodynamiczny: Gradient stężeń
Potencjał błony komórkowejRóżnica 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
Stężenie jonów w mM · (dm3) –1 po dwóch stronach błony mięśnia szkieletowego ssaków oraz odpowiadające im wartości potencjału równowagi (V)
Jony Wnętrze komórki
Ci
Zewnątrz komórki
Ce
Ce / Ci V = 0,06 log Ce / Ci
Dla T = 310 K
Na+ 12 145 12 : 1 + 65 mVK+ 155 4 1 : 39 - 95 mV
Cl- 3,8 120 32 : 1 - 90 mV
Potencjał błonowy zmierzony: V = -90 mV
Komórki pobudliwe
Charakteryzują się niższą wartością potencjału błonowego (< - 65 mV),Wartość ich potencjału błonowego nazywamy potencjałem spoczynkowympotencjałem spoczynkowym,Przykłady komórek pobudliwych:a) komórka nerwowa,b) komórka mięśniowa
Porównanie funkcjonowania komórek typowych i pobudliwychKomórka 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 Gwałtowne zmiany wartości potencjału błonowego komórek pobudliwychbłonowego komórek pobudliwych
Budowa komórki nerwowej
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
Czynność komórki nerwowej jako przykładu komórki pobudliwej
Czynność komórki nerwowej jako przykładu komórki pobudliwej c.d.
Wynika z gwałtownego wzrostu przepuszczalności błony dla kationów (szczególnie sodu), a następnie szybkiego jej zminiejszania,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 – mikrofibrylamimikrofibrylami o średnicy 1 µm stanowiącymi 70% białkowych składników komórki,Błona komórkowa – sarkolemma 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 - struktura
Miofibryle
Linia Z
Pasmo I
Pasmo A
Błona komórkowa
System T
Retikulum sarkoplazmatyczne
Mitochondrium
Komórka mięśnia poprzecznie prążkowanego jako przykład komórki pobudliwej
Potencjał spoczynkowy – 90 mV,Wnętrz 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 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.
Top Related