Biofizyka komórki.pdf

dr Piotr J. Piskunowicz Biofizyka komórki

B iofizyka K omórki

Ogólne właściwości komórek jako układów

fizycznych

Komórka jest podstawowym elementem budowy żywych organizmów.

Często pojedyncze komórki są kompletnymi organizmami w innych

przypadkach uległy one wyspecjalizowaniu i mogąfunkcjonować tylko

jako częściskładowezłożonego organizmu.

Istnieje znaczna różnorodność komórek pod względem ich wielkości,

budowy i pełnionych funkcji. Starając się opisać typowe, wspólne dla

większości komórek właściwości, możemy mówić o pewnej abstrak-

cyjnej „typowejkomórce”, mającej cechy najczęściej spotykane.

Taka „typowa komórka” miałaby:

 wymiary (długość i średnicę) 1−5 μm,

 objętość ok. 2−3 μm 3 ,

 białka stanowiłyby 70% suchej masy komórkowej,

 kwasy nukleinowe stanowiłyby 15% suchej masy komórkowej,

 lipidy stanowiłyby 10% suchej masy komórkowej,

 węglowodany stanowiłyby 5% suchej masy komórkowej,

 w komórce takiej byłoby około 10 7 makrocząsteczek.

dr Piotr J. Piskunowicz Biofizyka komórki

Główne elementy strukturalne typowej komórki zwierzęcej.

dr Piotr J. Piskunowicz Biofizyka komórki

Rozpatrując żywy organizm, jako układ fizyczny możemy

wskazać cechy charakterystyczne, którewyróżniają go spo-

śród układów nieożywionych, jakie spotyka się w przyro-

dzie. Wymienimy poniżej kilka z tych cech; każda z nich z

osobna nie stanowi kryterium wyróżniającego organizm żywy od nieży-

wego, jednak wszystkie one występując wspólnie są charakterystyczne

dla zjawiska życia.

Cechy charakteryzujące żywe układy:



Odrębność od otoczenia,



Wysoki stopień organizacji,



Wzrost i rozmnażanie się,



Przemiany energii,



Pobudliwość,



Homeostaza.

dr Piotr J. Piskunowicz Biofizyka komórki

Odrębność od otoczenia. Organizm żywy jest zawsze

wyraźnie oddzielony od otoczenia powierzchniami granicz-

nymi (granicami faz). Nigdy nie stwierdza sięciągłego przej-

ścia pomiędzy organizmem żywym a środowiskiem. Granicami oddzie-

lającymi są błony komórkowe , u organizmów bardziej złożonych grani-

cami są warstwy specjalnych komórek ochronnych. Analogiczne powie-

rzchnie graniczne występują wewnątrz komórki, oddzielając poszcze-

gólne organelle od reszty cytoplazmy.

Odrębność od otoczenia pociąga za sobą także odrębność

składu chemicznego. Organizmy żywe zawsze zawierają liczne składni-

ki bądź nie występujące w ogóle w środowisku,bądźwystępujące w zu-

pełnie odmiennych stężeniach. Przykładami mogą być specyficzne sub-

stancje makrocząsteczkowe syntetyzowane wewnątrz komórki i tam

funkcjonujące lub wybiórczo wychwytywane z otoczenia jako składniki

pokarmowe. Wyraźniezauważyćmożnatęodrębność na przykładzie jo-

nów nieorganicznych. Np. organizmy żyjące w wodach słodkich mają z

reguły w swoich komórkach wyższe stężenia jonów Na + , K + i Cl − niż te,

które panują w środowisku zewnętrznym. Z reguły też stężenie jonów

Na + jest mniejsze, a K + większe wewnątrzkomórki niż na zewnątrz.

dr Piotr J. Piskunowicz Biofizyka komórki

Opisana odrębność od otoczenia utrzymywana jest tak dłu-

go, jak długo organizm żyje. Po śmierci zaczynają przewa-

żać procesy prowadzące do zniwelowania tych różnic. Wy-

tłumaczenie tego faktu wynika ze zrozumieniem przemian energetycz-

nych w organizmach.

Wysoki stopień organizacji. Podkreślaliśmy już wysoką złożoność

strukturalnążywejkomórki. Obserwujemy jązarówno na poziomie czą-

steczkowym (budowa białek i innych makrocząsteczek), jak też i na po-

ziomie struktur subkomórkowych . Analogiczną złożoność obserwujemy

także na wyższych szczeblach organizacji: tkanek, narządów, całych

organizmów,gatunków i biocenoz.

Także procesy zachodzące w żywych organizmach wykazu-

ją wielką złożoność, przewyższającą znacznie złożoność procesów za-

chodzących w przyrodzie nieożywionej. Innąwyraźnącechą jest precy-

zyjna kontrola przebiegu tych procesów, odbywająca się na zasadzie

wielorakich sprzężeń zwrotnych.

dr Piotr J. Piskunowicz Biofizyka komórki

Wzrost i rozmnażanie się. Zarówno wzrost organizmu,

jak i jego rozmnażanie się, a więc i wzrost liczebności ga-

tunku, są z punktu widzenia fizyki dalszymi przykładami

tendencji do powiększania ilości wysoko zorganizowanej materii kosz-

tem nieuporządkowanych (w sensie termodynamicznym) składników o-

toczenia.

Powstanie tak wysoko zorganizowanego układu, jakim jest

żywa komórka, prowadzi do obniżenia entropii, jeśli rozpatrywać sam

tylko organizm żywy.

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 skła-

dniki pokarmowe; mogą one utleniać niektóre z nich, uzyskując w ten

sposób energięchemiczną, przetwarzaną następnie na inne formy ener-

gii. Rośliny zielone mogą ponadto pochłaniać wprost energię kwantów

światła i przetwarzaćją na energięzawartą w związkach chemicznych.

dr Piotr J. Piskunowicz Biofizyka komórki

Z punktu widzenia termodynamiki istotą procesów życio-

wych są sprzężenia pomiędzy przemianami zwiększającymi

entropię a przemianami lokalnie zmniejszającymi entropię.

Te ostatnie są odpowiedzialne za zwiększającąsięzłożoność i organiza-

cjętypową dla żywychorganizmów i biosfery Ziemi, jako całości.

Pobudliwość. Organizmy żywe mają zdolność specyficz-

nego reagowania na bodźce zewnętrzne. Nieraz bodziec o niewielkiej

energii (zmiana oświetlenia, drobne ilości pewnych substancji w środo-

wisku) 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

międzybodźcem a skutkiem.

dr Piotr J. Piskunowicz Biofizyka komórki

Homeostaza. Zdolność organizmu do zachowania stało-

ści podstawowych parametrów biologicznych, dzięki spraw-

nej czynności układów regulacyjnych. W stosunku do nie-

których bodźców organizmy podejmują działania prowa-

dzące do zaadaptowania się do nich, przy możliwie małych zmianach

środowiska wewnętrznego organizmu. Jest to jeden z przejawów zdol-

ności organizmów do samoregulacji, cecha bardzo wyraźnie zaznaczo-

na w organizmach żywych.

dr Piotr J. Piskunowicz Biofizyka komórki

Źródła energii komórki

Pobieranie i wytwarzanie różnych form energii przez ży-

we organizmy jest jedną z fundamentalnych cech życia.

Zasadniczo istnieją dwa procesy ( sposoby ) dostarczania energii ży-

wym układom:

 utlenianie substancji pokarmowych

komórki heterotroficzne ,

 fotosynteza

komórki autotroficzne .

dr Piotr J. Piskunowicz Biofizyka komórki

Utlenianie biologiczne polega na przeniesieniu elektronów

z układów o niskim potencjale oksydoredukcyjnym na tlen. Ciąg pro-

cesów oksydoredukcyjnych i związane z nimi procesy uzyskiwania e-

nergii odbywają się w mitochondriach .

Na błoniewewnętrznej mitochondrium osadzone są komp-

leksy enzymów katalizujących procesy utleniania i sprzężone z nimi

procesy fosforylacji adenozynodifosforanu ( ADP) do adenozynotrifo-

sforanu (ATP). Ten ostatni proces pozwala na zachowanie części ener-

gii procesów utleniania w postaci nadającej się do dalszego wykorzy-

stania w komórce. Warunkiem niezbędnym dla zaistnienia sprzężenia

utlenień z fosforylacją jest odpowiednie rozmieszczenie przestrzenne

cząsteczek substratów i enzymów, biorących udział w tych procesach;

rozmieszczenie to zapewnia związanie czynnych elementów z błoną

mitochondrialną.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: