Transcript Biofyzika buňky, biomembrány

BIOFYZIKA BUŇKY,
BIOMEMBRÁNY





Pojem život je vázán na existenci organismů se složitou
strukturou.
Hlavní projevy života: látková výměna, růst, pohyb a
rozmnožování.
Nejmenší jednotka živých systémů schopná samostatné
existence a vykazující všechny základní znaky života:
buňka.
U mnohobuněčných organismů se buňky stejného druhu
sdružují a vytvářejí tkáně a orgány určené pro výkon
specifických funkcí.
Téměř všechny vyšší organismy procházejí během svého
vývoje jednobuněčným stadiem. Některé mnohobuněčné
organismy mohou být rozděleny na menší části i na
jednotlivé buňky, které mohou regenerovat a vytvořit celý
organismus. Při rozdělení buňky již není možná
regenerace, proto je buňka základní strukturní jednotkou.
STRUKTURA BUŇKY
Buňka je oddělena od okolí plazmatickou
membránou.
 Buňky se rozmnožují dělením, při kterém je
předána novým buňkám kompletní genetická
informace, nebo fúzí dvou či více buněk.
 Podle složitosti vnitřní struktury dělíme buňky
na prokaryontní (jednodušší) a eukaryontní se
složitější, organelovou vnitřní strukturou.
 Lidský organismus je složen z bilionů buněk
různých tvarů a velikostí od několika
mikrometrů až po několik decimetrů (nervové
buňky).








Základní cytoplazma je nitrobuněčné prostředí
potřebné pro existenci buňky jako celku i pro činnost
buněčných organel.
Je většinou v tekutém nebo gelovitém stavu.
Skládá se hlavně z vody (70 – 85%), anorganických
látek, organických sloučenin a biopolymerů.
Většinou propouští světlo, jeví se jako bezbarvá.
Mechanicky je pevná a pružná, pokud je v gelovém
stavu.
Viskozita je vyšší než u vody, závisí na typu buňky,
teplotě i okolním prostředí.
Hodnota pH je poměrně stálá a mírně kyselá (asi 6,8).






Všechny buňky obsahují jádro oddělené dvouvrstvou
membránou a další jednoduché (ribozomy, lipozomy…) a
složitější (endoplazmatické retikulum, Golgiho komplex…)
struktury.
Plazmatická membrána odděluje cytoplazmu od okolního
prostředí a zajišťuje výměnu látek, energie a informace
s okolím. Tloušťka membrány je asi 8 nm. Biologická
membrána je v neustálém pohybu.
Základem plazmatické membrány je dvojvrstva lipidů
(fosfolipidy a cholesterol jako tmelicí materiál) obsahující
různé typy bílkovin.
Periferní bílkoviny jsou pevně spojeny s povrchem
membrány, fungují většinou jako enzymy nebo receptory.
Integrální bílkoviny prostupují dvojvrstvou, tvoří iontové
kanály nebo mediátory pro aktivní přenos látek.
Propustnost membrány závisí na množství pórů.
Většina buněčných organel má také membránový
charakter. Hlavně endoplazmatické retikulum se
systémem kanálků, které slouží k transportu
látek do různých částí buňky a Golgiho systém,
který naopak pomocí kanálků odvádí látky
z buňky ven.
 Další membránovou strukturou jsou
mitochondrie, které produkují většinu buněčného
ATP a ribozomy potřebné k syntéze bílkovin.

Z termodynamického hlediska je buňka otevřený
systém, kde dochází k trvalé výměně látek,
energie a informací s okolím.
 Plazmatická membrána umožňuje dosáhnout
vyšší koncentraci některých látek uvnitř buňky.
 Plnohodnotná buňka obsahuje aparát k syntéze
všech základních biopolymerů, tedy proteinů,
DNA i RNA. Tím se liší např. od virů a
bakteriofágů, které sice obsahují biologickou
informaci, ale ne současně DNA a RNA a
potřebují syntetický aparát hostitelské buňky.

Buněčný pohyb je jednak pohyb v prostředí, ve
kterém se nachází a také pohyb vnitřních organel
např. při buněčném dělení nebo růstu.
 Typické je např. zkrácení svalových buněk při
pohybu. Podílejí se na něm bílkoviny aktin a
myosin, který přeměňuje energii ATP
v mechanickou sílu.
 Uvnitř buňky se při tvorbě energie k pohybu
organel po mikrotubulech (něco jako cesty uvnitř
buněk) podílejí bílkoviny kinesin a dynein.

TRANSPORTNÍ MECHANISMY

Transport látek uvnitř buněk i mezi buňkami je
základem všech metabolických pochodů.
Pasivní transport
 Aktivní transport

PASIVNÍ TRANSPORT
Funguje na principu difuze a osmozy.
 Difuze je nerovnovážný termodynamický proces
charakterizovaný 1. a 2. Fickovým zákonem, což
jsou dvě diferenciální rovnice. Využijí se pro
výpočet toku iontů přes membránu.
 Osmoza je přenos molekul rozpouštědla (obvykle
voda) přes polopropustnou membránu dle
koncentračního gradientu.
 Pasivní transport je spontánní izotermický
proces, při kterém roste entropie (systém
přechází do pravděpodobnějšího, měně
uspořádaného stavu).

Komunikace přes biologickou membránu je
umožněna hlavně přes bílkovinné kanály.
 Ty jsou selektivně propustné pro
nízkomolekulární látky a jejich otvírání a
zavírání řídí zvláštní mechanismy, často na
principu změny elektrického napětí membrány
nebo v důsledku chemické reakce nebo oběma
způsoby současně.
 Možné je i pouhé mechanické natažení
membrány a tím se otevře iontový kanál.

AKTIVNÍ TRANSPORT
Nerovnoměrné rozdělení látek v částech buňky a
mezi buňkou a okolím je podmínkou správného
fungování buněk.
 Tento stav homeostázy se snaží udržet dva
mechanismy: selektivní propustnost membrán a
zároveň mechanismy aktivního transportu.
 Aktivní transport se oproti pasivnímu
uskutečňuje proti směru koncentračního spádu a
vyžaduje energii z metabolických procesů
v membráně. Při přenosu nabité částice přes
elektricky polarizovanou membránu je třeba ještě
přičíst práci proti elektrickému gradientu (při
souhlasném směru obou gradientů).
