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.