Czynności komórki. Biologiczne podstawy zachowania dla studentów psychologii. PŁ, KFZiE, UŚ 2009/2010. Materialne podłoŝe Ŝycia

Transkrypt

1 Czynności komórki Biologiczne podstawy zachowania dla studentów psychologii PŁ, KFZiE, UŚ 2009/2010 Materialne podłoŝe Ŝycia śycie jest formą istnienia białka (F.Engels) Białkowe Narzędzia śycia - klasyfikacja białek na typy czynnościowe (białka spełniają róŝne funkcje spośród poniŝszych kategorii): budulcowe (keratyna, kolagen...) enzymatyczne (pepsyna, cytochromy...) hormonalne i neuroprzekaŝnikowe (insulina, hormon wzrostu, endorfiny,...) receptorowe błonowe (receptor androgenów, receptory opiatowe /morfiny/...) antygenowe (antygeny A, B, Rh...) przeciwciała (aglutyniny, lizyny...) transportowe, w tym: kanały błonowe (kanał sodowy,... ); pompy błonowe (pompa sodowo-potasowa,...;), nośniki błonowe... 1

2 Materialne podłoŝe Ŝycia Enzymy prosty przykład dalszej komplikacji Enzym czyli biologiczny, białkowy katalizator przyśpieszający reakcje chemiczne tysiące razy, niezbędny do METABOLIZMU Główne klasy enzymów (wg IUPAC 1960) Oksydoreduktazy w tym: dehydrogenazy (np. bursztynianowa), katalaza Transferazy w tym: AlAT i AspAT (oznaczane w krwi) AChE (cholinoestraza), kinazy (CPK - kreatyniny) Hydrolazy w tym: ATP-azy (np. mięśniowa i Na,K-ATP-aza) i enzymy trawienne, jak pepsyna, amylaza Liazy (w tym syntazy) w tym: syntaza cytrynianowa, dekarboksylazy Izomerazy Ligazy (syntetazy) w tym: syntetaza AcCoA Materialne podłoŝe Ŝycia I co z tego? Po co to komu? Centralny Dogmat Biologii Molekularnej Reakcje chemiczne, biochemiczne i procesy fizjologiczne w komórkach polegają na wzajemnym oddziaływaniu cząsteczek chemicznych mających dopasowane do siebie kształty oraz uzupełniające własności fizyczne Kształt współoddziałujących cząsteczek musi sobie wzajemnie odpowiadać. Zasada: klucz - zamek Zasada dopasowywania wzajemnego ręki i rękawiczki Dogmat dotyczy interakcji: * enzymu z substratem, * hormonu lub mediatora z receptorem (białkiem) błonowym, * antygenu z przeciwciałem (immunoglobuliną), * białka transportowego (kanału, pompy) z przenoszoną substancją * trucizny z wraŝliwymi strukturami (enzymy, receptory, kanały) Zatem jest to podstawa fizjologii, farmakologii i TOKSYKOLOGII 2

3 Metabolizm śeby pracować trzeba wydatkować energię. Metabolizm = Katabolizm (Dysymilacja) + Anabolizm (Asymilacja) (wyzwala energię) (magazynuje energię w ciele) Metabolizm = reakcje (bio)chemiczne katalizowane przez enzymy Powtórka z chemii Reakcje chemiczne - równowaga reakcji Reguła przekory wg Le Chateliera i Brauna (układ w równowadze przeciwdziała zaburzeniu składu lub warunków fizycznych) Kataliza katalizatory (w tym enzymy patrz wcześniej) Próg energetyczny reakcji ( enzymy obniŝają ) Kataliza enzymatyczna (specyficzność wzgl. substratu i reakcji, optimum temperatury) Metabolizm Uniwersalny nośnik energii metabolicznej ATP czyli trudne słowo i trudne procesy ATP kcal/mol (7 kcal/mol wiązania estrowego x więcej niŝ w innych wiązaniach) Trzy sposoby odzyskania energii z ATP (zawsze hydroliza ATP-azą) ATP AMP + P i + P i kcal/mol ATP ADP + P i + 7 kcal/mol ATP AMP + PP i + 7 kcal/mol Dwa sposoby ładowania energią ATP P-Cr + ADP Cr + ATP Glukoza kcal brutto 40% w ATP = 266 kcal 3

4 Metabolizm Uniwersalny nośnik energii metabolicznej ATP czyli trudne słowo i trudne procesy 1 mol ATP ~ 550 g ATP 1 mol ATP ~ 7 kcal (29 kj) U człowieka średnia przemiana (SDPM) na dobę: SDPM = ~2 000 kcal/d = ~120 mol ATP/d (bo 40%) = ~60 kg ATP/d Metabolizm - oddychanie ODDYCHANIE SPALANIE WODORU W TLENIE Skąd wodór? Skąd tlen? Jak to się robi? 4

5 Metabolizm - oddychanie Oddychanie czyli przykład na proces kataboliczny Oddychanie czyli jeden ze sposobów na ładowanie energii do ATP Oddychanie, tak jak się je rozumie w przedszkolu glukoza + tlen dwutlenek węgla + woda + energia (w ATP) C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O kcal brutto/mol lub 266 kcal netto/mol czyli 38 mol ATP/mol Oddychanie (komórkowe), tak naprawdę, cztery kolejne procesy biochemiczne wewnątrz komórki: 1. glikoliza 2. cykl kwasów trojkarboksylowych 3. transport elektronów w łańcuchu oddechowym 4. fosforylacja oksydatywna Metabolizm - oddychanie Oddychanie komórkowe po kolei miejsce akcji Komórka Mitochondrium Łańcuch oddechowy śródło: Wikipedia / Ściaga 5

6 Metabolizm - oddychanie Oddychanie komórkowe po kolei 1. Glikoliza - układ zasilania w paliwo surowe czyli przekształcenie glukozy w kwas pirogronowy z niewielkim zyskiem ATP: 2 [NAD + NADH+H + ] Glc Fru-1,6-dwu P 2 ald. P-glic. 2 kw. 1,3-dwu P-glic. 2 kw. pirogr. 2 ATP 2 ADP 2 [2 ADP 2 ATP] 2. Oddychanie beztlenowe (fermentacja) rozwiązanie awaryjne czyli sposób na zagospodarowanie trującego pirogronianu (jak się nie da go zagospodarować inaczej) z wytworzeniem mniej trującego mleczanu: 2 [NAD + NADH+H + ] 2 [NADH+H + NAD + ] Glc 2 ald. P-glic. 2 kw. 1,3-dwu P-glic. 2 kw. pirogr. 2 kw. mlekowy 2 ATP 2 ADP 2 [2 ADP 2 ATP] Glikoliza C 6 n C 6 ATP ADP P i P i HS-CoA C P 3 ATP ADP P C 3 -P C C C 3 3 C 3 -P 3 C C 6 -P 6 NAD ADP ADP P C 3 P C 3 -P ATP NADH+H + H 2 O ATP 6

7 Metabolizm - oddychanie Oddychanie komórkowe po kolei 3. CTK - Cykl Kwasów Trójkarboksylowych - mechanizm uzyskania paliwa wodorowego, z którego dopiero później będzie poŝytek: CH 3 COCOOH + CoA-SH + 4 NAD+ + FAD + GDP + P i + 2 H 2 O + C 4 CoA-SH + 3 CO (NADH + H + ) + FADH 2 + GTP + C 4 Bilans wodorów w cyklu kwasów trójkarboksylowych: Przychód [H]: 4 z pirogronianu + 2 z GTP i P i + 4 z 2 H 2 O = 10 [H] Rozchód [H]: 8 w 4 [NADH+H + ] + 2 w FADH 2 = 10 [H] (i to jest zysk do wykorzystania w kolejnym etapie) 4. Łańcuch Przenośników Elektronów i Fosforylacja Oksydatywna - system kontrolowanego spalania wodoru w tlenie i przechwycenia energii: SubH 2 NAD + FAD CoQ 2 {cyt b cyt c cyt a} 1/2 O 2 2 H e - + 1/2 O ADP + 3 P i H 2 O + 3 ATP NAD + C 3 HS-CoA NAD + NADH+H + FADH 2 C 6 NADH+H + C 6 C 2 -CoA CO 2 CO 2 NADH+H + C 4 H 2 O C 5 NAD + C 4 Cykl Krebsa HS-CoA NAD + C HS-CoA 4 H 2 O C 4 GDP CO NADH+H + 2 FAD FADH GTP 2 7

8 Mitochondrialny łańcuch oddechowy Wewnątrz macierz mitoch. NADH + H + NAD + FADH 2 FAD H 2 O ADP + P i H + ATP ½O 2 e- Kompleks I Deh. NADH H + Miedzy błonami mitoch. Kompleks II Deh. bursztyn. Koenzym Q H + Kompleks III Oks-red CoQ/cyt C. Cytochrom C Kompleks IV Oksydaza cytochromowa Kompleks V Syntaza ATP Zewnątrz cytoplazma Metabolizm - oddychanie Oddychanie mitochondrialne: Bilans energetyczny oddychania mitochondrialnego z glikolizą: Aktywacja: 2 ATP/Glc Glikoliza: + 4 ATP/Glc + 2 (NADH+H + )/Glc CKT: + 2 GTP/Glc + [8 (NADH + H + ) + 2 FADH 2 ] /Glc Fosforylacja: 2 3 ATP/(NADH+H + ) ATP/(NADH+H + ) ATP/FADH 2 = (34 + 4) ATP = 38 ATP Razem: ( ) ATP = 38 ATP ( 2 ATP - transport w mitochondrium) 266 kcal/mol Glk, 40% brutto Beta Oksydacja Wolnych Kwasów Tłuszczowych: CH (2n+ 1) -CH 2 CH 2 COOH + 2 HS-CoA + ATP + FAD + NAD + + H 2 O CH (2n+1) -CO-S-CoA + CH 3 CO-S-CoA + ADP + P i + FADH 2 + NADH + H + Bilans wodoru w beta-oksydacji: Przychód: 2 od węgli alfa i beta, 1 z -COOH i 2 z 2 HS-CoA, 2 z H 2 O, Rozchód: 2 w FADH 2, 2 w NADH+H +, 1 w CH 3 CO-S-CoA, 2 w ADP i P i 8

9 Metabolizm Anabolizm czyli na co przeznaczyć uzyskaną energię Przykłady Reakcji Anabolicznych: Glukoneogeneza: mleczan glukoza glikogen Lipogeneza: aminokwasy/cukrowce ketokwasy tłuszcze Sterydogeneza, synteza porfiryn i prostaglandyn: aminokwasy + (cukrowce/tłuszczowce) porfiryny, steroidy, prostaglandyny Synteza zasad azotowych: aminokwasy + akt.octan puryny, pirymidyny Synteza mocznika: 2 NH 3 + CO 2 (NH 2 ) 2 CO Synteza białka: osobna dłuŝsza opowieść... Zasady ogólne procesów biosyntetycznych: synteza związków wielkocząsteczkowych w komórce ze zw. drobnocząsteczkowych, substraty - nieliczne związki podstawowe, szlaki syntez róŝne od szlaków rozpadu, (przedziałowość) synteza na koszt ATP, produkty syntez specyficzne gatunkowo i osobniczo Pobudzenie komórki Pobudliwość Komórki mogą być pobudzane przez róŝne bodźce: przede wszystkim - elektryczne (przepływ prądu zmianę potencjału) i - chemiczne (mediatory, hormony i inne) a takŝe - mechaniczne (rozciąganie) - świetlne 9

10 Pobudzenie komórki Pobudliwość Komórki mogą być pobudzane poniewaŝ w ich błonie znajdują się białka, które mogą odbierać pobudzenia i reagować na nie zmianą stanu: - kanały błonowe (które pozwalają przemieszczać się jonom) - receptory błonowe (które wykrywają obecność konkretnych substancji chemicznych) - enzymy (które przyspieszają reakcje chemiczne) Jon Mediator S P Substrat Produkt Pobudliwość Zmiana stanu komórki moŝe polegać na: - Zmianie jej potencjału błonowego (eletrogeniczna = jonoforowa) - Zmianie jej metabolizmu (metabotropowa) Godlewski i in. 10

11 Pobudliwość Zmiana stanu komórki moŝe polegać takŝe na: - na podziałach komórkowych mejozie i mitozie 11