II Osnove fiziologije stanice

ANIMALNA STANICA

membrana

jezgra

citoplazma

Voda i biomakromolekule

Voda

• polarne kovalentne veze • dipol

mogućnost stvaranja vodikovih veza umreženje (povišena točka tališta, vrelišta i isparavanja)

1) Otapanje kristali: solvatacija (hidratacija)

• elektroliti disociraju na anione i katione → provodljivost

• dobro otapa polarne organske molekule (alkoholi, šećeri)

• ne otapa nepolarne molekule (masti, ulja)

• djelomično otapa amfipatske molekule → micele

2) Amfoteričnost

• može donirati i primiti proton (kiselina/baza) • → ionizacija: 2H2O H3O+ + OH-

• pH

⇒ neutralizacija skupina na biološki aktivnim molekulama (aktivacija enzima, selektivnost ionskih kanala)

Ostale polarne biološke molekule:

⇒ elektrostatska interakcija s ionima u otopini

1) Lipidi: masti, fosfolipidi, steroidi, (voskovi)

A) MASTI • glicerol + 3 masne kiseline

CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH

- nezasićene (oleinska, linoleinska, arahidonska) ulja

- zasićene (palmitinska, stearinska) masti

CH3(CH2)14COOH

- u vakuolama adipoznih stanica - izvor energije

B) FOSFOLIPIDI • sadrže fosfatnu skupinu

(fosfatidil-inozitol, fosfatidil-kolin, fosfatidil-serin, sfingomijelin)

• amfipatske molekule • u membranama

3) STEROIDI • 4 C prstena • hormoni (spolni, nadbubrežne

žlijezde) • kolesterol → membrane

VOSKOVI • vodonepropusni sloj kukaca

2) Ugljikohidrati - polihidroksil aldehidi i ketoni: (CH2O)n

A) MONOSAHARIDI • heksoze: izvor energije • pentoze: tvore nuleotide

B) DISAHARIDI • izvor energije

C) POLISAHARIDI • energetska rezerva (škrob, glikogen)

• strukturni dijelovi (celuloza, hitin)

• glikoproteini, glikolipidi → prepoznavanje (razgranati lanci)

3) Proteini

• građevni elementi • funkcionalni elementi

(enzimi, prenosioci, protutijela, hormoni)

• aminokiseline • peptidne veze

• primarna struktura

sekundarna struktura (H-veze)

• α-uzvojnica α-keratini (kosa, nokti, vuna, rogovi) • β-nabrani list β-keratini (ljuske, oklop, kliješta, perje) fibroin (mreža)

tercijarna struktura • Coulombove sile, van der Waalsove

sile, kovalentne veze

kvartarna struktura • agregacija podjedinica • H-veze, elektrostatske interakcije,

agregacija nepolarnih grupa

• kidanje nekovalentnih veza → DENATURACIJA

• šaperoni

4) Nukleinske kiseline

• osnova nasljeđa

• uloga u stanici: ATP – kemijska energija

GTP – sinteza proteina

UTP – sinteza glikogena

CTP – sinteza fosfolipida

derivati nukleotida (cAMP, NAD) - drugi glasnici koenzimi

Građa i funkcija membrane

MEMBRANA

Singer-Nicolsonov model tekućeg mozaika

LIPIDI • fosfolipidi dvosloj

Gibanje molekula fosfolipida u lipidnom dvosloju

• kolesterol

MEMBRANSKI PROTEINI

• periferni (ekstrinzički) • integralni (intrinzički)

• rotacija, lateralna difuzija

• komunikacija

UGLJIKOHIDRATI – samo s vanjske strane membrane specifičnost

• selektivnost

LIPIDI I PROTEINI kontrolirani transport

GRADIJENT: razlika u količini tvari

• tlaka, električni, koncentracijski

→ kretanje tvari kroz tijelo

1) Kretanje tvari u otopini: DIFUZIJA

• smjer neto gibanja ovisi o konc. gradijentu

• dinamička ravnoteža

tok (J)→

dQ dt

AD dc dx

= −

Fickov zakon

permeabilnost membrane: topivost u lipidima, veličina

dQdt

P C C= −( )1 2 AP(C1-C2)

nepolarne molekule polarne molekule Overtonova pravila:

- Površina membrane (A)

- Razlika koncentracija tvari u odjeljcima (C1-C2)

- Permeabilnost membrane (P)

2) Kretanje nenabijenih tvari preko membrane

[ ][ ]

[ ][ ]

K

K

Cl

Cl

+I

+II

II

I

=−

−

3) Kretanje nabijenih tvari (iona) preko membrane gradijent: koncentracijski + električni = elektrokemijski Donanova ravnoteža:

OSMOZA: difuzija čestica vode

• osmotska koncentracija: osmol= n x mol (glukoza, NaCl, CaCl2)

4) Kretanje molekula vode preko membrane

OSMOLARNOST • otopine međusobno:

izo-, hiper-, hipo- osmolarne

TONICITET • otopine prema stanici: izo-, hiper-, hipo- tonične

KRETANJE TVARI KROZ MEMBRANU

Jednostavna difuzija Olakšana difuzija

PASIVNI TRASPORT niz gradijent

AKTIVNI TRASPORT uz gradijent

PASIVNI TRANSPORT

AKTIVNI TRANSPORT

JEDNOSTAVNA (pasivna) DIFUZIJA

• nepolarne molekule

• male polarne molekule: voda, CO2, NO, CO

↓ AKVAPORINI (NN 2003)

OLAKŠANA DIFUZIJA (pasivni transport)

• ioni

(Na+, K+)

• velike polarne molekule (glukoza, aminokiseline)

SLIČNOST S ENZIMSKOM REAKCIJOM: • veća brzina • specifičnost • saturabilnost • mogućnost kompetitivne inhibicije

PRIMARNI AKTIVNI TRANSPORT

• direktno vezan uz reakciju koja oslobađa energiju

• Na/K pumpa

SEKUNDARNI AKTIVNI TRANSPORT

• vezan uz transport tvari koja se kreće u smjeru gradijenta (Na+):

• simport: ak, uh • antiport: Ca++

MAKROMOLEKULE: endocitoza

PINOCITOZA - neselektivan unos tvari iz izvanstanične tekućine

ENDOCITOZA POSREDOVANA RECEPTOROM - visoko selektivan proces (željezo, vitamin B12, virusi!)

FAGOCITOZA - unošenje velikih molekulskih kompleksa (bakterije, stanični debris)

egzocitoza

Stanična energetika

TERMODINAMIKA I zakon: Energija se ne može stvoriti ni uništiti II zakon: Entropija svemira stalno raste

ŽIVA BIĆA: visokoorganizirani, uređeni sustavi

održanje: RAD

vršenje rada: ENERGIJA

• energija zračenja (svjetlost, toplina)

• mehanička

• kemijska

• električna

⇑

METABOLIČKI PUTEVI

STANICA:

• rad: sinteza molekula koje održavaju strukturu i funkciju

• kemijske veze ← potencijalna energija

• vršenje rada ← slobodna energija G (J, kcal)

1 kcal 1 kg vode 1 ºC

• promjena u slobodnoj energiji: Δ G

• egzergona reakcija - energija se oslobađa - teče spontano

↕ • endergona reakcija - energija se apsorbira - nije spontana

ATP

ATP • elektrostatsko odbijanje

fosfatnih grupa • hidroliza/fosforilacija • povezuje egzergone i

endergone reakcije ↓ biosinteza mehanički rad transport

2 oblika metaboličkih puteva za stvaranje ATP:

NAD+ + 2e- + H+ NADH

FAD + 2e- + 2H+ FADH2

Peter Mitchell: teorija kemiosmotskog povezivanja: kemijski (kemi) + transportni (osmotski) procesi

ENZIMI

• prirodni katalizatori • najpovoljnija orijentacija • niža aktivacijska energija • veća učestalost reakcije

(103-1017 puta)

AKTIVACIJSKA ENERGIJA

<: neživi sustavi zagrijavanje živi sustavi enzimi

• aktivno mjesto: specifičnost • klasifikacija prema vrsti reakcije (dehidrogenaze, oksidaze,

transferaze, izomeraze, hidrolaze, ligaze) • supstrat + enzim: privremene H-veze nastali produkt +

nepromijenjeni enzim

Aktivnost enzima ovisi o: temperaturi i pH ↓ ↓ kidanje nekovalentnih veza dodavanje/oduzimanje protona ⇓ KATALITIČKA SPOSOBNOST

Kontrola enzimske reakcije

kompetitivna inhibicija

• reverzibilna • ireverzibilna: lijekovi (MAOi), toksini (bojni otrovi)

nekompetitivna inhibicja

Kofaktori: ioni alosterička aktivacija

kofaktor

organske molekule (koenzimi)