Fizjologia człowieka - wykłady

SAVE OFFLINE

02.01.2021

Fizjologia człowieka

1

Podręczniki

2

1

02.01.2021

FIZJOLOGIA (gr. φυσιολογία, od φύσις - natura + λόγος - nauka) – nauka o mechanizmach rządzących przebiegiem czynności życiowych wszystkich organizmów (w tym również człowieka), jak i budujących ich układów, narządów, tkanek oraz komórek. FIZJOLOGIA w swych badaniach opiera się na pracach z innych nauk przyrodniczych takich jak m.in.: cytologia, anatomia, biofizyka czy biochemia. FIZJOLOGIA, jako nauka, stanowi swego rodzaju zbiór praw fizjologicznych, jakim podlega cały organizm. Prawa te są wykrywane doświadczalnie i określają zarówno warunki, w jakich przebiega prawidłowa czynność, jak i mechanizmy fizjologiczne zapewniające prawidłową czynność całego organizmu i jego poszczególnych komórek. ŚRODOWISKO BIOLOGICZNE – warunki, w jakich żyje każdy żywy organizm i w jakich obowiązują prawa fizyczne, chemiczne, biologiczne oraz społeczne.

3

Mechanizmy fizjologiczne występują jednocześnie na wielu poziomach budowy organizmów żywych

4

2

02.01.2021

Mechanizmy fizjologiczne występują jednocześnie na wielu poziomach budowy organizmów żywych

5

PRZEMIANA MATERII oznacza ogół przemian biochemicznych i towarzyszących im przemian energii, które zachodzą w żywych organizmach. nazwa pochodzi od greckiego słowa metabolé – przemiana Przemiany zachodzące we wnętrzu komórek określamy mianem metabolizmu komórkowego. Procesy przemiany materii są bezwzględnie związane z przemianami energetycznymi: ▪ nie ma przemian materii bez zaangażowania zgromadzonej w organizmie energii, ▪ nie ma pozyskiwania przez organizm energii bez przekształcania materii.

6

3

02.01.2021

Na proces metabolizmu składają się dwa główne typy procesów: ▪

katabolizm (reakcje dysymilacji, rozpadu),

▪

anabolizm (reakcje asymilacji, przyswajania, syntezy).

Metabolizm

Anabolizm

Katabolizm

Reakcja

Reakcja syntezy A+ B= C

Reakcja rozpadu C=A+ B

Energia

Dostarczenie energii

Uwolnienie energii

Poziom energetyczny

Podwyższenie poziomu energetycznego

Obniżenie poziomu energetycznego

Powstawanie związków budulcowych, energetycznych i zapasowych

Powstawanie energii do syntezy związków chemicznych oraz energii umożliwiającej wykonanie pracy

Funkcja

7

KATABOLIZM: ▪ ten typ reakcji polega na rozpadzie wysokocząsteczkowych związków (białek, węglowodanów i tłuszczów) na związki proste, ▪

reakcje te dostarczają dużej ilości energii gromadzonej w formie związków fosforoorganicznych, jak ATP i fosfokreatyna – procesy egzotermiczne,

▪

dzięki zgromadzonej energii możliwy jest przebieg wszystkich reakcji fizjologicznych i biologicznych będących cechą charakterystyczną istot żywych,

▪

dzięki energii możliwa jest homeostaza ustrojowa, czyli stałość środowiska wewnętrznego organizmu.

8

4

02.01.2021

Cały katabolizm można sprowadzić do trzech zasadniczych procesów: ▪ uwalniania energii cieplnej wykorzystywanej do utrzymywania stałej temperatury ciała, ▪

syntezy ATP dostarczającej organizmowi energii swobodnej, niezbędnej do przebiegu wszystkich procesów życiowych,

▪

usuwania z organizmu związków wchłoniętych w przewodzie pokarmowym, a aktualnie niepotrzebnych (aminokwasów nie wykorzystywanych w procesie syntezy białek ciała), związków szkodliwych (pestycydów, antywitamin), a także związków wadliwie zsyntetyzowanych w organizmie lub zsyntetyzowanych prawidłowo, ale w danym czasie zbędnych.

9

ANABOLIZM: ▪ to szereg reakcji, których efektem jest synteza wysokocząsteczkowych składników budulcowych i energetycznych organizmu, ▪

synteza tych związków ma miejsce dzięki składnikom podstawowym: ▪ aminokwasy → białka, ▪ cukry proste → węglowodany, ▪ glicerol i kwasy tłuszczowe → tłuszcze,

▪

procesy syntezy wymagają nakładów energetycznych zgromadzonych w formie ATP – procesy endotermiczne.

10

5

02.01.2021

Procesy kataboliczne i anaboliczne u dorosłych zdrowych osób przeważnie przebiegają równocześnie – zrównoważony bilans energetyczny. Bilans dodatni to przewaga procesów anabolicznych nad katabolizmem: ▪ pewna część energii została w organizmie zmagazynowana w postaci substancji zapasowych, zwłaszcza tłuszczu i w niewielkiej ilości węglowodanów, ▪

dzięki zgromadzonym substancjom zapasowym obserwujemy przyrost masy ciała,

▪

ma on miejsce wtedy, gdy organizm znajduje się w okresie wzrastania, podczas ciąży, u rekonwalescentów oraz po okresie głodu

11

Procesy kataboliczne i anaboliczne u dorosłych zdrowych osób przeważnie przebiegają równocześnie – zrównoważony bilans energetyczny. Bilans ujemny ma miejsce, gdy katabolizm dominuje nad anabolizmem: ▪ charakteryzuje się wykorzystywaniem na potrzeby organizmu substancji zapasowych, ▪

masa ciała ulega zmniejszeniu,

▪

ma on miejsce podczas głodu.

12

6

02.01.2021

Metabolizm wymaga: ▪ odżywiania, a więc pobierania ze środowiska zewnętrznego materiałów energetycznych i budulcowych, ▪

oddychania, czyli doprowadzania ze środowiska zewnętrznego tlenu niezbędnego do procesów utleniania wewnątrzkomórkowego i usuwania nadmiaru dwutlenku węgla ze środowiska wewnętrznego,

▪

krążenia materiałów energetycznych, budulcowych, gazów (02 i C02), produktów przemiany materii i innych ciał pomiędzy wyspecjalizowanymi komórkami stykającymi się bezpośrednio ze środowiskiem zewnętrznym i niestykającymi się z nim,

▪

wydalania, czyli usuwania ze środowiska wewnętrznego wytworzonych nielotnych produktów przemiany materii.

13

Jednym z podstawowych pojęć fizjologii jest HOMEOSTAZA, która charakteryzuje zdolność organizmów żywych do zachowania stałego środowiska wewnętrznego pomimo zmieniającego się środowiska zewnętrznego. Pojęcie homeostazy wprowadził w 1939 roku Walter Cannon, który swą teorie oparł na podstawie założeń Claude Bernarda z 1857 roku dotyczących stabilności środowiska wewnętrznego. Homeostaza jest niezbędnym warunkiem zdrowia organizmu, zaś wszelkiego rodzaju choroby u swego podłoża mają zaburzenia mechanizmów utrzymania homeostazy.

14

7

02.01.2021

Najważniejsze parametry wewnętrznego środowiska organizmu: ▪

ciśnienie parcjalne tlenu i dwutlenku węgla we krwi,

▪

stężenie związków chemicznych w płynach,

▪

temperatura ciała,

▪

pH krwi i płynów ustrojowych,

▪

ciśnienie osmotyczne,

▪

objętość płynów ustrojowych,

▪

ciśnienie tętnicze krwi.

15

Utrzymanie stałego środowiska wewnętrznego wymaga stałej precyzyjnej kontroli czynności układów związanych z odżywianiem, oddychaniem, krążeniem i wydalaniem. Taka kontrola środowiska wewnętrznego jest możliwa dzięki współdziałaniu układu nerwowego, hormonalnego i immunologicznego. Całość współzależności zachodzących pomiędzy tymi trzema układami określa się mianem sieci neuro-immuno-endokrynowej.

16

8

02.01.2021

Kontrola (nerwowa lub humoralna) środowiska wewnętrznego, czyli pracy poszczególnych narządów może być: ▪ jednokierunkowa, o typie sprzężenia prostego: • polega na przekazywaniu informacji tylko w jednym kierunku, z jednego narządu do drugiego, np. nerwowa kontrola pracy mięśni, ▪

dwukierunkowa, czyli wzajemnie zwrotna o typie sprzężenia zwrotnego: • wzmożona czynność jednego narządu jest źródłem informacji pobudzającej drugi narząd, który z kolei wysyła informacje hamujące czynność pierwszego narządu, • kontrola wzajemnie zwrotna jest wyższą formą kontroli u organizmów stojących na wysokich szczeblach rozwoju filogenetycznego.

17

Wyróżniamy fizjologiczne i behawioralne mechanizmy utrzymania homeostazy. Fizjologiczne mechanizmy utrzymujące homeostazę opierają się w głównej mierze na mechanizmie sprzężenia zwrotnego: ▪ ujemnym: • odpowiedź wpływa hamująco na bodziec wyzwalający, ▪ dodatnim: • odpowiedź wpływa pobudzająco na bodziec wyzwalający.

18

9

02.01.2021

19

Nieznaczna nawet zmiana w środowisku jest źródłem sygnałów odbieranych przez receptory. Każdy sygnał niesie informację ze środowiska zewnętrznego (np. fale świetlne, fale akustyczne itp.), lub ze środowiska wewnętrznego (np. prężność tlenu we krwi, koncentracja jonów wodoru itp.). W obrębie receptorów zachodzi przetwarzanie informacji. W organizmie informacja jest stale przetwarzana w sposób analogowy i cyfrowy, jak również jest stale przenoszona. W procesie tym ilość informacji się nie zmienia.

20

10

02.01.2021

Przetwarzanie i przenoszenie informacji może zachodzić w sposób: ▪ ciągły (analogowy): • odbywa się np. za pośrednictwem cząsteczek krążących we krwi, np. hormonów, • przenoszenie analogowe informacji zachodzi zazwyczaj na drodze humoralnej (poprzez płyny ustrojowe), ▪

przerywany (cyfrowy): • zachodzi np. we włóknach nerwowych i włóknach mięśniowych, • narządy receptorowe spełniają funkcję przetworników zamieniających informację ze środowiska zewnętrznego lub wewnętrznego organizmu na salwy impulsów nerwowych przewodzonych przez włókna nerwowe.

21

KOMÓRKA (łac. cellula) – najmniejsza jednostka wszystkich organizmów żywych:

strukturalna

i

funkcjonalna

▪ każda komórka zdolna jest do przeprowadzania wszystkich podstawowych procesów życiowych, takich jak przemiana materii, wzrost i rozmnażanie ▪ komórkę stanowi przestrzeń ograniczoną błoną komórkową ▪ każda komórka wypełniona jest zagęszczonym żelem wodnym różnych cząsteczek ▪ układ termodynamiczny otwarty, który wymienia ze swym otoczeniem materię i energię w różnych postaciach, co zapewnia łączność informacyjną komórek ze środowiskiem zewnętrznym

22

11

02.01.2021

Człowiek zbudowany jest z około 30 bilionów komórek!

23

KOMÓRKA EUKARIOTYCZNA – KOMÓRKA ZWIERZĘCA SER

mikrotubule filamenty pośrednie mikrofilamenty

RER

centriole

jądro komórkowe jąderko otoczka jądrowa por jądrowy

rybosomy peroksysomy

cytoplazma mitochondrium pęcherzyk sekrecyjny

SER – gładkie retikulum endoplazmatyczne RER – szorstkie retikulum endoplazmatyczne

błona komórkowa lizosomy aparat Golgiego

dwuwarstwa lipidowa białka błonowe

24

12

02.01.2021

Komórka zwierzęca – dwa przedziały: ▪ jądro komórkowe ▪ cytoplazma (cytozol + organelle komórkowe)

Organelle komórkowe otoczone dwoma błonami: ▪ jądro komórkowe ▪ mitochondria

Organelle komórkowe otoczone jedną błoną: ▪ retikulum endoplazmatyczne szorstkie i gładkie ▪ aparat Golgiego ▪ lizosomy, wakuole, peroksysomy, endosomy

Struktury wolno leżące w cytoplazmie: ▪ rybosomy ▪ cytoszkielet (mikrotubule, mikrofilamenty, filamenty pośrednie) ▪ centrosom wraz z centriolami ▪ materiały zapasowe, wydzieliny, barwniki

25

Cytoplazma: ▪

jest to lepka, bezbarwna, półpłynna, galaretowata substancja wykazująca pewną elastyczność i ciągliwość, która wypełnia wnętrze komórki i stanowi środowisko wewnętrzne komórki,

▪

dzieli się na: cytozol,

▪

zwany

też

cytoplazmą

podstawową

(macierzą

cytoplazmatyczną), organella i struktury komórkowe,

▪ ▪

cytozol to koloid białkowo-wodny w skład którego wchodzą: ▪

związki organiczne: białka, lipidy), cukry, RNA, w mniejszych ilościach inne metabolity, np. wolne aminokwasy,

▪

związki nieorganiczne następujących pierwiastków: wapń, magnez, potas,

cynk,

miedź,

mangan,

fosfor,

tlen,

chlor,

siarka, węgiel, azot, bor, ▪

faza rozpraszająca: woda.

26

13

02.01.2021

Funkcje cytozolu: ▪

zapewnia

komórkom

wytrzymałość elastyczność,

określoną mechaniczną,

pewną

sztywność

i

kurczliwość ▪

umożliwia

transport

substancji

pokarmowych wewnątrz komórki ▪

umożliwia

wykonywanie

ruchów

ameboidalnych niektórym organizmom, ▪

umożliwia

ruchy

chromosomów

w

czasie mitozy i mejozy ▪

stanowi

środowisko

dla

organelli

komórkowych ▪

umożliwia przebieg reakcji chemicznych

27

JĄDRO KOMÓRKOWE mikrotubule euchromatyna

blaszka jądrowa jąderko RER macierz jądrowa otoczka jądrowa

ziarna interchromatynowe ziarna ciałka jądrowe perychromatynowe

pory jądrowe rybosomy heterochromatyna

28

14

02.01.2021

Funkcje biologiczne jądra komórkowego: o magazynowanie i ochrona materiału genetycznego przed uszkodzeniem o powielanie zawartego w nim materiału genetycznego i przekazywanie go do komórek potomnych o przekazywanie materiału genetycznego z pokolenia na pokolenie – tworzenie komórek płciowych o sterowanie

podstawowymi

procesami

życiowymi

komórki,

poprzez

regulowanie ekspresji genów o wytwarzanie podjednostkek rybosomów (jąderko)

29

MITOCHONDRIA – ORGANELLE PÓŁAUTONOMICZNE

30

15

02.01.2021

MITOCHONDRIA – ORGANELLE PÓŁAUTONOMICZNE o

mitochondria to organella komórkowe przekształcające energię w komórce, które wykazują pewien stopień autonomii

o

zawierają własny, mitochondrialny DNA w formie podwójnej helisy nie związanej z białkami, przypominającej nukleoid prokariotyczny (kolista cząsteczka DNA)

o

nukleoid ten znajduje się w macierzy mitochondrialnej, w której zawarte są własne rybosomy typu 70S oraz enzymy

o

informacja genetyczna zawarta w mitochondrialnym DNA oraz rybosomy pozwalają na syntezę niewielkiej części białek znajdujących się w mitochondriach

o

dzielą się niezależnie od komórki

o

w

błony

wewnętrzne

tych

organelli

wbudowane

są

przenośniki

elektronów

i zachodzi w nich synteza ATP

31

Funkcje biologiczne mitochondriów: o najważniejszymi rolami mitochondriów są wytwarzanie ATP poprzez oddychanie komórkowe oraz regulacja metabolizmu komórki o produkcja ciepła (obecność termogeniny) o magazynowanie jonów wapnia o regulowanie potencjału błonowego o apoptoza – programowana śmierć komórki o regulacja stanu redoks komórki o synteza hemu i sterydów o w mitochondriach wątroby zachodzi cykl mocznikowy

32

16

02.01.2021

ATP - ADENOZYNOTRÓJFOSFORAN ATP nazywany jest uniwersalnym akumulatorem i przenośnikiem energii, którego głównym źródłem jest proces oddychania wewnątrzkomórkowego, polegającego na utlenianiu związków organicznych w następującej kolejności: węglowodany, tłuszcze i białka. Najwydatniejsze, tlenowe etapy tego procesu zachodzą właśnie w mitochondriach.

33

Wakuola (wodniczka) to przestrzeń komórki ograniczona błoną śródplazmatyczną (tonoplastem), zawierająca sok wakuolarny

centralna wakuola

cytoplazma

ściana komórkowa

34

17

02.01.2021

Funkcje biologiczne wakuol: ▪

utrzymywanie turgoru komórki

▪

magazyn jonów i związków istotnych metabolicznie oraz miejsce stałego gromadzenia składników zapasowych i toksycznych

▪

stanowi wewnętrzne środowisko komórki, zapewniający jej względny stan równowagi fizjologiczno-biochemicznej przy niekorzystnych zmianach w środowisku zewnętrznym

35

SIATECZKA ŚRÓDPLAZMATYCZNA – ER ▪

złożony, trójwymiarowy system spłaszczonych błon, kanalików i niewielkich pęcherzyków

▪

ma połączenie z błoną jądrową i błoną cytoplazmatyczną (plazmolemmą), ale w przeciwieństwie do błony komórkowej, błony siateczki nie są spolaryzowane (z obu stron wykazują te same właściwości)

▪

występuje w dwóch zasadniczych postaciach: ER szorstkie i ER gładkie

gładkie ER

rybosomy szorstkie ER

36

18

02.01.2021

Funkcje biologiczne retikulum endoplazmatycznego: ▪

zwiększają powierzchnię wewnętrzną komórki,

▪

system błon retikulum endoplazmatycznego tworzy rejony subkomórkowe (kompartmenty)

▪

tworzą wewnętrzne kanały łączności pomiędzy różnymi strukturami w komórce

▪

szorstkie retikulum endoplazmatyczne jest odpowiedzialne za syntezę białek eksportowych, białek integralnych błon i lizosomowych oraz ich modyfikacje poprzez ich glikozylację, formowanie połączeń dwusiarczkowych, fałdowanie łańcucha polipeptydowego oraz oligomeryzację w podjednostki białkowe

▪

gładkie

retikulum

endoplazmatyczne

odpowiada

za

syntezę

lipidów,

metabolizowanie glikogenu oraz detoksykację leków i neutralizację trucizn pochodzenia egzogennego ▪

gromadzenie i transport różnych substancji, np. jonów Ca2+

▪

błony retikulum przechodzą w sposób ciągły w zewnętrzną błonę otoczki jądrowej

37

Rybosomy to struktury będące kompleksami rRNA oraz białek przeprowadzające proces biosyntezy białek rybosomy

cytoplazma szorstkie retikulum endoplazmatyczne wolne rybosomy zakotwiczone rybosomy duża podjednostka mała podjednostka

38

19

02.01.2021

APARAT GOLGIEGO biegun cis

pęcherzyki pochodzące od ER cysterny

formujące się pęcherzyki biegun trans

pęcherzyki odrywające się od aparatu Golgiego

pęcherzyki sekrecyjne

Każdy diktiosom aparatu Golgiego ma dwie strony: wejściową – czyli cis i wyjściową, czyli trans. Strona cis jest zorientowana w stronę ER, natomiast strona trans – w kierunku błony komórkowej.

39

Funkcje biologiczne aparatu Golgiego: ▪

dojrzewanie prekursorowych form białek

▪

aktywacja i modyfikacja białek oraz lipidów (procesy fosforylacji, glikozylacji i siarkowania białek)

▪

centrum sortujące białka do odpowiednich przedziałów komórkowych,

▪

udział w procesie egzocytozy

▪

w komórkach roślinnych wytwarza wielocukry niezbędne do budowy ściany komórkowej, w zwierzęcych zaś mukopolisacharydy budujące np. substancje pozakomórkowe w chrząstce

▪

formowanie i odnowa błony komórkowej

▪

tworzenie pęcherzyków i ziaren wydzielniczych oraz pęcherzyków hydrolazowych

▪

z odrywających się od aparatu Golgiego pęcherzyków powstają lizosomy

40

20

02.01.2021

LIZOSOMY o

lizosomy to główne organella trawienne komórki, które wypełnione są enzymami hydrolitycznymi, odpowiedzialnymi za rozkładanie substancji wielkocząsteczkowych

o

lizosomy są przedziałem cytoplazmy komórki, szczelnie oddzielonym od cytozolu, w którym istnieje specjalne kwaśne środowisko umożliwiające degradację materiału, bez naruszenia kompozycji cytosolu otaczającego lizosomy

o

enzymy te działają optymalnie w środowisku kwaśnym utrzymywanym w lizosomach, dzięki czemu nawet gdyby nastąpił jakiś przeciek, zależność enzymów od dużego zakwaszenia chroni zawartość komórki przed strawieniem

o

typy lizosomów: o trawienne o magazynujące o oraz „grabarze”

41

Funkcje lizosomów: ▪

biorą udział w trawieniu wewnątrzkomórkowym substancji o zewnętrznym pochodzeniu (heterofagia) lub własnych struktur komórkowych (autofagia)

▪

zawartość lizosomów może być wydzielona poza komórkę, gdzie uczestniczy w trawieniu pozakomórkowym

▪

biorą udział w procesach metamorfozy płazów i owadów

▪

biorą

udział

w

modyfikacji

substancji

biologicznie

czynnych,

np. w proteolitycznym dojrzewaniu białek prekursorowych.

42

21

02.01.2021

PEROKSYSOMY (MIKROCIAŁKA) o peroksysomy to otoczone pojedynczą błoną małe organella komórkowe, które zawierają enzymy odpowiedzialne za przeprowadzanie specyficznych procesów utleniających w komórce o enzymy te to katalazy, które rozkładają nadtlenek wodoru na wodę i tlen o ziarnista macierz mikrociał może zawierać krystaliczny rdzeń, zwany nukleoidem, który przybiera różne formy

43

Funkcje peroksysomów: ▪

biorą

udział

w

procesach

utleniania

biologicznego

(system

oksydoreduktaz flawinowych i katalaza neutralizująca nadtlenek wodoru) ▪

neutralizują alkohol etylowy utleniając go do aldehydu octowego

▪

zaangażowane są w metabolizm kwasów tłuszczowych i aminokwasów

▪

biorą udział w syntezie cholesterolu

▪

u roślin uczestniczą w fotooddychaniu.

44

22

02.01.2021

CYTOSZKIELET mikrofilamenty

mikrotubule

filamenty pośrednie

45

Funkcje mikrofilamentów: o

odpowiadają za zmianę kształtu i ruch pełzakowaty komórki

o

wraz z miozyną tworzą kurczliwe układy odpowiedzialne za skurcz mięśni

o

tworzą pierścień zaciskowy umożliwiający cytokinezę komórek zwierzęcych

o

formują mikrokosmki.

Funkcje mikrotubuli: o

formują rzęski i wici

o

utrzymują organelle w odpowiednim położeniu

o

stanowią szlaki transportowe komórki, po których poruszają się organella komórkowe

o

tworzą wrzeciono podziałowe umożliwiając precyzyjny rozdział chromosomów.

Funkcje filamentów pośrednich: o

zbudowane są z różnych białek (np. laminy, keratyny) i głównie zapewniają wytrzymałość mechaniczną komórkom.

46

23

02.01.2021

CENTROSOM, CENTRUM MITOTYCZNE, CENTRUM KOMÓRKOWE (CENTROSOMA), CENTROSFERA, CYTOCENTRUM LUB CIAŁKO ŚRODKOWE

o jest

najmniejszą,

wyspecjalizowaną

strukturą

w

pobliżu

jądra

komórkowego, która odgrywa istotną rolę w procesie podziału komórki, gdyż stanowi ośrodek formowania mikrotubul wrzeciona podziałowego oraz mikrotubul szkieletu komórkowego w interfazie o składa się z amorficznej macierzy białkowej, zawierającej parę centrioli i

pierścienie

tubuliny

γ,

będące

miejscem

nukleacji

mikrotubul

(zbudowanych z dimerów tubuliny α i β)

47

CENTROSOM γ-tubulina

mikrotubule

centriole

48

24

02.01.2021

centriole

mikrotubule centrosom

triplet

49

Błona komórkowa, jako bariera między przedziałami (kompartmentami)

błona komórkowa błona wewnętrzna

środowisko wewnętrzne

błona komórkowa

środowisko zewnętrzne

Bariery między przedziałami zapobiegają mieszaniu się substancji w nich zawartych, zapewniają utrzymanie różnic w składzie i funkcji między organellami oraz zapewniają kontrolę składu

50

25

02.01.2021

Funkcje błon biologicznych: ▪

bariera mechaniczna przegradzająca środowisko cytoplazmy komórki od środowiska zewnętrznego,

▪

wytworzenie

właściwego

środowiska

do

funkcjonowania

niektórych

enzymów, kanałów jonowych i receptorów, ▪

moderowanie transportu do wnętrzna i z wnętrza komórki określonych cząsteczek (selektywna przepuszczalność),

▪

odbieranie sygnałów zewnętrznych i przekazywanie ich do wnętrza komórki,

▪

pełnią funkcje enzymatyczne, katalizując różne reakcje metaboliczne, np. umożliwiają procesy przekształcania energii (syntezę ATP),

▪

utrzymują równowagę między ciśnieniem osmotycznym wewnątrz i na zewnątrz komórki,

▪

zdolność ruchu i ekspansji.

51

Błona komórkowa zgodnie z teorią Singera i Nicolsona posiada strukturę płynnej mozaiki i jej grubość wynosi około 7-10 nm

Błona komórkowa zbudowana jest z dwóch warstw cząsteczek lipidów i zatopionych w nich białek globularnych

52

26

02.01.2021

Dwuwarstwa lipidowa Lipidy błonowe = cząsteczki amfipatyczne

część hydrofilowa

część hydrofobowa

53

Podział białek błonowych ze względu na pełnioną funkcję: ▪ białka transportujące, nośnikowe oraz tworzące kanały jonowe ▪ białka strukturalne (integralne) ▪ białka łączące ▪ receptory wiążące swoiście ligandy ▪ białka enzymatyczne

54

27

02.01.2021

Białka związane z dwuwarstwą lipidową: ▪ białka integralne: • białka transbłonowe • zakotwiczone poprzez lipidy ▪ białka powierzchniowe, związane z błoną poprzez oddziaływania z innymi białkami

55

Właściwości błon biologicznych: ▪ płynność: • spójność błon (fuzja) • elastyczność błon • przemieszczanie

białek

(sygnalizacja komórkowa) ▪ asymetria ▪ selektywna przepuszczalność

56

28

02.01.2021

Selektywna przepuszczalność

57

Różnice składu jonowego między wnętrzem komórki a otoczeniem

▪ równowaga ciśnień osmotycznych między wnętrzem komórki a środowiskiem ▪ zrównoważenie ładunków we wnętrzu komórki

58

29

02.01.2021

TRANSPORT PRZEZ BŁONY KOMÓRKOWE transportowane cząsteczki kanał

białko nośnikowe

błona komórkowa

gradient stężenia dyfuzja prosta

dyfuzja ułatwiona Transport bierny

Transport aktywny

59

GRADIENT ELEKTROCHEMICZNY, JAKO SIŁA NAPĘDOWA DLA TRANSPORTU JONÓW PRZEZ BŁONĘ KOMÓRKOWĄ

Transport cząsteczek naładowanych w poprzek błony zachodzi pod wpływem gradientu ich stężenia, jak i gradientu potencjału elektrycznego istniejących w poprzek błony. Wypadkowa działania tychże dwóch sił nazywana jest potencjałem elektrochemicznym.

60

30

02.01.2021

Rzeczywista „siła” dążenia do wyrównania stężeń po obu stronach błony komórkowej musi uwzględniać gradient stężeniowy jonów oraz napięcie, jakie panuje na błonie komórkowej. Ujemne wnętrze wciąga jony dodatnie, a wypycha jony ujemne. Przeliczając gradient stężeniowy na odpowiadający mu gradient elektryczny możemy dodać gradient stężeniowy z potencjałem błony i uzyskujemy wtedy łączny gradient elektrochemiczny mówiący, jak silne jest dążenie poszczególnych jonów do wyrównania stężeń po obu stronach błony. Szybkość procesu wyrównywania stężeń zależy od łatwości, z jaką dane jony przechodzą przez błonę. I tak np. jony chlorkowe Cl- bardzo łatwo przechodzą przez błonę, przez co gradient stężeń odpowiada napięciu na błonie. Im wyższe napięcie, tym więcej jonów ujemnych jest wypchniętych z komórki. Z kolei dla jonów Na+, które trudno przechodzą przez błonę, komórka może wytworzyć duży gradient elektrochemiczny, który jest następnie siłą napędową dla przenoszenia przez błonę bardzo dużej ilości innych związków chemicznych. Ok. 20% całej ilości wytwarzanej w organizmie energii jest zużywane właśnie przez tzw. pompę sodowopotasową, która non-stop wypompowuje sód z komórki wbrew gradientowi stężeniowemu i elektrycznemu utrzymując życiodajne napięcie na błonie komórkowej.

61

Transport bierny – dyfuzja prosta

Na drodze dyfuzji prostej dyfundują w poprzek błony komórkowej rozpuszczalne w tłuszczach, cząsteczki O2, CO2, kwasy tłuszczowe, steroidy, etanol, eter, woda, mocznik, NO itp.

62

31

02.01.2021

Transport bierny – dyfuzja ułatwiona Dwie klasy białek transportujących: ▪ nośniki – małe cząsteczki organiczne i jony ▪ kanały – woda (akwaporyny) oraz rozpuszczone w niej substancje, jony

63

Transport bierny – dyfuzja ułatwiona Transport przez przenośniki: ▪ specyficzne wiązanie substratu, ▪ zmiany konformacji (miejsce wiązania substratu odsłonięte po przeciwnych stronach błony), ▪ kierunek transportu - gradient stężenia substratu

uniport

symport

antyport

64

32

02.01.2021

Transport bierny – dyfuzja ułatwiona Transport przez białka kanałowe: ▪ hydrofilowe, wąskie kanały jonowe, ▪ połączenia komunikacyjne (koneksony), ▪ akwaporyny (hydrofilowe pory wodne)

65

Transport bierny – dyfuzja ułatwiona Kanały jonowe są jonowo-selektywne, a ich przepuszczalność zależy od ładunku i wielkości jonu. Kanały te dzielą się na kanały anionoselektywne, gdzie filtrem selektywności

są

dodatnio

naładowane

fragmenty

białka

kanału

oraz

kationoselektywne, gdzie filtrem są fragmenty białka naładowane ujemnie.

66

33

02.01.2021

Transport bierny – dyfuzja ułatwiona Kanały jonowe są bramkowane napięciem

ligandem

stresem

zamknięte

otwarte

67

Transport aktywny – pompy

Funkcja transportu aktywnego jest m.in. wytwarzanie gradientu jonów w poprzek błony

68

34

02.01.2021

Transport aktywny – pompa sodowo-potasowa

▪ pomaga równowagi

w

utrzymaniu

osmotycznej

i

objętości komórki zwierzęcej ▪ umożliwia

przenoszenie

elektrycznych sygnałów w komórkach pobudliwych ▪ umożliwia wtórny transport wielu substancji

69

Transport aktywny – pompa sodowo-potasowa (ATP-aza Na+/K+) ▪ enzym białkowy uczestniczący w aktywnym transporcie kationów sodu (Na+) i potasu (K+), ▪ ma

on

podstawowe

znaczenie

dla

komórek

zwierzęcych,

utrzymując potencjał błonowy i objętość komórki, ▪ siłą napędową tego enzymu, potrzebną do pompowania jonów sodu i potasu jest hydroliza ATP, ▪ gradient sodowo-potasowy wytwarzany dzięki enzymatycznej aktywności pompy kontroluje objętość komórki, jest niezbędny dla pobudzenia nerwów i mięśni, jest siłą napędową transportu aktywnego cukrów oraz aminokwasów

70

35

02.01.2021

Transport aktywny – pompa sodowo-potasowa (ATP-aza Na+/K+) Zatrzymanie pompy prowadzi do: ▪ zmian składu płynu wewnątrzkomórkowego, ▪ zmian składu płynu zewnątrzkomórkowego, w którym stężenie jonów sodu zmniejsza się i zwiększa stężenie jonów potasu, ▪ utraty przez komórki specyficznych właściwości, ▪ braku reakcji komórek na bodźce i do ich niepobudliwości.

71

Transport bierny

Cecha porównawcza

Dyfuzja prosta

Dyfuzja ułatwiona

Transport aktywny

Kierunek transportu

Zgodnie z gradientem stężenia

Zgodnie z gradientem stężenia lub gradientem elektrochemicznym

Wbrew gradientowi stężenia lub gradientowi elektrochemicznemu

Udział białek transportowych

Brak

Kanały jonowe, nośniki

Pompy

Udział energii

Nie

Nie

Tak

Transportowane substancje

O2, CO2, kwasy tłuszczowe, steroidy, etanol, eter, woda, mocznik, NO

glukoza, aminokwasy, jony, nukleotydy

glukoza, aminokwasy, jony, nukleotydy

72

36

02.01.2021

Transport przez błony komórkowe umożliwia: ▪ wymianę cząsteczek między przedziałami i ich odpowiedni skład ▪ utrzymanie równowagi ciśnień osmotycznych ▪ wytwarzanie ATP ▪ sygnalizację międzykomórkową, np. w neuronach

73

TRANSPORT PĘCHERZYKOWY Endocytoza

Egzocytoza

Błona komórkowa

74

37

02.01.2021

TRANSPORT PĘCHERZYKOWY - EGZOCYTOZA o

egzocytoza, czyli sekrecja to proces uwalniania substancji powstających wewnątrz komórki (np. hormonów, neurotransmiterów, enzymów) oraz produktów ubocznych metabolizmu do przestrzeni pozakomórkowej

o

proces ten zachodzi na drodze fuzji pęcherzyków transportujących metabolity z błoną komórkową od wewnątrz, co skutkuje wyrzuceniem ich zawartości do środowiska pozakomórkowego

75

TRANSPORT PĘCHERZYKOWY - ENDOCYTOZA o

FAGOCYTOZA – to wchłanianie dużych cząstek, np. mikroorganizmów i szczątków komórkowych przez duże pęcherzyki

o

PINOCYTOZA – to wchłanianie płynu i cząsteczek przez małe pęcherzyki

76

38

02.01.2021

W organizmie człowieka prawidłowy przebieg różnorodnych funkcji zależy od odpowiedniej komunikacji pomiędzy komórkami zarówno sąsiadującymi ze sobą, jak również niesąsiadującymi.

77

Komunikacja między komórkami – połączenia szczelinowe ▪

komórki sąsiadujące ze sobą przekazują informacje bezpośrednio z komórki do komórki, z pominięciem płynu zewnątrzkomórkowego, dzięki plamkom przylegania i połączeniom szczelinowym

▪

w miejscu przylegania do siebie dwóch komórek w ich błonach komórkowych występują koneksony tworzące wspólny kanał, przez który przepływają z jednej komórki do drugiej jony, cukry proste, aminokwasy i przekaźniki wewnątrzkomórkowej informacji

▪

tak komunikują się ze sobą komórki mięśniowe poprzecznie prążkowane mięśnia sercowego

78

39

02.01.2021

zamknięty

otwarty

konekson cytoplazma błona komórkowa

przestrzeń błona komórkowa

cytoplazma konekson

koneksyny

połączenia komunikacyjne, szczelinowe

struktura koneksyny

79

Synapsy elektryczne spotykane są w organizmie jedynie tam, gdzie istnieje potrzeba szybkiego przekazania potencjału czynnościowego praktycznie bez możliwości wyrafinowanego sterowania tym przekazem (np. w niektórych częściach mięśnia sercowego).

80

40

02.01.2021

Komunikacja między komórkami na drodze humoralnej (poprzez płyny ustrojowe)

81

Komunikacja między komórkami za pośrednictwem komórek nerwowych ▪

w błonie komórkowej ich wypustek otwierają się kanały dla prądów jonowych, co powoduje przemieszczanie się potencjału elektrycznego wzdłuż wypustek, czyli przewodzenie impulsów nerwowych,

▪

przekazywanie informacji przez komórki nerwowe do innych komórek nerwowych lub do komórek unerwianych narządów zachodzi za pośrednictwem synaps,

▪

znaczna ich większość to synapsy chemiczne, jednakże w ośrodkowym układzie nerwowym występują również w znacznie mniejszej liczbie synapsy elektryczne (jeżeli przestrzeń synaptyczna jest wąska, to ruch jonów przez błonę komórkową neuronu wysyłającego impulsy nerwowe powoduje w komórce odbierającej otwieranie się kanałów bramkowanych napięciem dla dokomórkowego prądu jonów o dodatnim ładunku elektrycznym).

82

41

02.01.2021

Komunikacja między komórkami za pośrednictwem komórek nerwowych

83

Ogólne zasady sygnalizacji komórkowej: ▪ sygnały mogą działać na krótki lub długi dystans, ▪ każda

komórka

odpowiada

na

ograniczony

zestaw sygnałów, ▪ receptory przekazują sygnały po wewnętrznych szlakach sygnalizacyjnych, ▪ niektóre cząsteczki sygnałowe mogą przejść przez błonę komórkową, ▪ istnieją trzy główne klasy receptorów powierzchni komórkowej, ▪ receptory jonotropowe zamieniają sygnały chemiczne w elektryczne, ▪ wewnątrzkomórkowe kaskady molekularnych. sygnalizacyjne działają jak seria przełączników

84

42

02.01.2021

Typowa komórka organizmu wielokomórkowego eksponowana jest na setki różnych cząsteczek sygnałowych znajdujących się w jej otoczeniu. To, czy komórka zareaguj na cząsteczkę sygnałową, zależy w pierwszym rzędzie od tego, czy ma receptor dla takiego sygnału.

85

Receptor to białko, które wiąże ligand w sposób: ▪

specyficzny – receptor powinien odróżniać często bardzo podobne substancje,

▪

z wysokim powinowactwem – ligandy występują zazwyczaj w bardzo niskich stężeniach (