Wykład I
Biologia w Inżynierii Środowiska
Biologia komórki
Interdyscyplinarna dziedzina nauk przyrodniczych
Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska
Katedra Geoinformacji, Fotogrametrii i Teledetekcji Środowiska
Kraków 04.10.2015
Wykład I
Biologia w Inżynierii Środowiska
Biologia komórki
Interdyscyplinarna dziedzina nauk przyrodniczych
Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska
Katedra Geoinformacji, Fotogrametrii i Teledetekcji Środowiska
Kraków 04.10.2015
Wprowadzenie do Biologii
Biologia (z gr. βίος (bios) - życie i λόγος (logos) –
nauka.
The word biology is derived from the greek words
/bios/meaning /life/ and /logos/ meaning /study/
and is defined as the science of life and living
organisms. An organism is a living entity consisting
of one cell e.g. bacteria, or several cells e.g.
animals, plants and fungi.
Aspects of biological science range from the study of
molecular mechanisms in cells, to the classification
and behaviour of organisms, how species evolve
and interaction between ecosystems.
Wprowadzenie do Biologii
Biology often overlaps with other sciences;
for example.
•biochemistry and toxicology;
•chemistry, and medicine;
•biophysics with biology and physics;
•stratigraphy with biology and geography;
•astrobiology with biology and astronomy;
•social sciences such as geography;
•philosophy, psychology and sociology;
Biologia i Inżynieria Środowiska
Biotechnologia Środowiska:
Biologia i Inżynieria Środowiska
• Biodegradacja ropopochodnych
• Oczyszczalnie ścieków
• Biogazownie
• Rekultywacja zdegradowanych obszarów
• Kompostowanie i utylizacja odpadów
komunalnych
• Biosekwestracja CO
2
• Filtry biologiczne
• Produkcja biomateriałów
• Produkcja biopaliw
Poziom organizacji materii żywej
Branches of Biology
•
Aerobiology – the study of airborne organic particles
•
Agriculture – the study of producing crops and raising livestock, with an emphasis on practical
applications
•
Anatomy – the study of form and function, in plants, animals, and other organisms, or
specifically in humans
•
Histology – the study of cells and tissues, a microscopic branch of anatomy
•
Astrobiology (also known as exobiology, exopaleontology, and bioastronomy) – the study of
evolution, distribution, and future of life in the universe
•
Biochemistry – the study of the chemical reactions required for life to exist and function,
usually a focus on the cellular level
•
Bioengineering – the study of biology through the means of engineering with an emphasis on
applied knowledge and especially related to biotechnology
•
Biogeography – the study of the distribution of species spatially and temporally
•
Bioinformatics – the use of information technology for the study, collection, and storage of
genomic and other biological data
•
Biomathematics (or Mathematical biology) – the quantitative or mathematical study of
biological processes, with an emphasis on modeling
•
Biomechanics – often considered a branch of medicine, the study of the mechanics of living
beings, with an emphasis on applied use through prosthetics or orthotics
•
Biomedical research – the study of health and disease
•
Pharmacology – the study and practical application of preparation, use, and effects of drugs
and synthetic medicines
•
Biomusicology – the study of music from a biological point of view.
•
Biophysics – the study of biological processes through physics, by applying the theories and
methods traditionally used in the physical sciences
•
Biosemiotics – the study of biological processes through semiotics, by applying the models of
meaning-making and communication
•
Biotechnology – the study of the manipulation of living matter, including genetic modification
and synthetic biology
•
Synthetic biology – research integrating biology and engineering; construction of biological
functions not found in nature
•
Building biology – the study of the indoor living environment
•
Botany – the study of plants
•
Cell biology – the study of the cell as a complete unit, and the molecular and chemical
interactions that occur within a living cell
•
Cognitive biology – the study of cognition as a biological function
•
Conservation biology – the study of the preservation, protection, or restoration of the natural
environment, natural ecosystems, vegetation, and wildlife
•
Cryobiology – the study of the effects of lower than normally preferred temperatures on living
beings
•
Developmental biology – the study of the processes through which an organism forms, from
zygote to full structure
•
Embryology – the study of the development of embryo (from fecundation to birth)
•
Ecology – the study of the interactions of living organisms with one another and with the non-
living elements of their environment
•
Environmental biology – the study of the natural world, as a whole or in a particular area,
especially as affected by human activity
•
Epidemiology – a major component of public health research, studying factors affecting the
health of populations
•
Evolutionary biology – the study of the origin and descent of species over time
•
Genetics – the study of genes and heredity.
•
Epigenetics – the study of heritable changes in gene expression or cellular phenotype caused by
mechanisms other than changes in the underlying DNA sequence
•
Hematology (also known as Haematology) – the study of blood and blood-forming organs.
•
Integrative biology – the study of whole organisms
•
Limnology – the study of inland waters
•
Marine biology (or Biological oceanography) – the study of ocean ecosystems, plants, animals,
and other living beings
•
Microbiology – the study of microscopic organisms (microorganisms) and their interactions with
other living things
•
Parasitology – the study of parasites and parasitism
•
Virology – the study of viruses and some other virus-like agents
•
Molecular biology – the study of biology and biological functions at the molecular level,
some cross over with biochemistry
•
Mycology – the study of fungi
•
Nanobiology - the study of how nanotechnology can be used in biology, and the study of
living organisms and parts on the nanoscale level of organization
•
Neurobiology – the study of the nervous system, including anatomy, physiology and
pathology
•
Population biology – the study of groups of conspecific organisms, including
•
Population ecology – the study of how population dynamics and extinction
•
Population genetics – the study of changes in gene frequencies in populations of
organisms
•
Paleontology – the study of fossils and sometimes geographic evidence of prehistoric life
•
Pathobiology or pathology – the study of diseases, and the causes, processes, nature,
and development of disease
•
Physiology – the study of the functioning of living organisms and the organs and parts of
living organisms
•
Phytopathology – the study of plant diseases (also called Plant Pathology)
•
Psychobiology – the study of the biological bases of psychology
•
Quantum biology - the study of Quantum mechanics to biological objects and
problems.
•
Sociobiology – the study of the biological bases of sociology
•
Structural biology – a branch of molecular biology, biochemistry, and biophysics
concerned with the molecular structure of biological macromolecules
•
Zoology – the study of animals, including classification, physiology, development, and
behavior, including:
•
Ethology – the study of animal behavior
•
Entomology – the study of insects
•
Herpetology – the study of reptiles and amphibians
•
Ichthyology – the study of fish
•
Mammalogy – the study of mammals
•
Ornithology – the study of birds
Biologia komórki
Cell biology is the study of cell structure and
function, and it revolves around the concept that the
cell is the fundamental unit of life. Focusing on the
cell permits a detailed understanding of the tissues
and organisms that cells compose. Some organisms
have only one cell, while others are organized into
cooperative groups with huge numbers of cells. On
the whole, cell biology focuses on the structure and
function of a cell, from the most general properties
shared by all cells, to the unique, highly intricate
functions particular to specialized cells.
The starting point for this discipline might be
considered the 1830s.
Though scientists had been using microscopes for
centuries, they were not always sure what they were
looking at. Robert Hooke's initial observation in 1665
of plant-cell walls in slices of cork was followed
shortly by Antonie van Leeuwenhoek's first
descriptions of live cells with visibly moving parts. In
the 1830s two scientists who were colleagues —
Schleiden, looking at plant cells, and Schwann,
looking first at animal cells — provided the first
clearly stated definition of the cell.
Komórka
Prokaryote vs. Eukaryote
Jądro komórkowe - budowa
• Jądro komórkowe jest otoczone podwójną błoną białkowo-
lipidową, która zawiera liczne pory. To właśnie one
umożliwiają utrzymywanie kontaktu jądra z pozostałą
częścią komórki. Wewnątrz jądro jest wypełnione kariolimfą
- składającą się w głównej mierze z białek kwaśnych i
fosfolipidów.
• Na terenie jądra znajdują się także jąderka (zbudowane z
RNA i białek), które stanowią ośrodki tworzenia rybosomów.
Bardzo ważnym elementem budującym jądro komórkowe
jest DNA, które w połączeniu z białkami zasadowymi:
histonami, białkami niehistonowymi oraz RNA tworzy
strukturę zwaną chromatyną.
Jądro komórkowe - budowa
Organizacja materiału genetycznego
Funkcje jądra komrkowego
Jądro komórkowe - pełni nadrzędną rolę w
komórce, gdzyż poprzez zawarte w nim DNA steruje
przemianami biochemicznymi komórki.
Jądro komórkowe gromadzi i przechowuje w DNA,
w postaci chromatyny, informację genetyczną o
cechach organizmu, a następnie przekazuje ją do
cytoplazmy na rybosomy za pomocą m-RNA. Jądro
bierze
także
udział
w
podziałach
komórek
somatycznych (mitoza) i generatywnych (mejoza).
Błona komórkowa – plazmalemma
Budowa plazmalemmy
Dwuwarstwa lipidowa zbudowana jest głównie z fosfolipidów,
czyli tłuszczów, które na jednym końcu mają przyłączoną grupę
fosforową.
Taka budowa fosfolipidów zapewnia im specyficzne właściwości,
gdzie koniec fosforowy jest hydrofilowy, natomiast pozostałe dwa
końce są hydrofobowe.
Część hydrofilowa, zwaną głową, ma powinowactwo do wody, zaś
część hydrofobowa, tzw. ogon, do tłuszczów. Taka budowa
zapewnia spontaniczną agregację fosfolipidów w dwuwarstwę w
środowisku wodnym. W każdej błonie komórkowej część
hydrofobowa skierowana jest do wnętrza struktury,
natomiast hydrofilowa na zewnątrz.
Budowa plazmalemmy
Błona
komórkowa
zwierząt
zawiera
cztery
główne
fosfolipidy: fosfatydylocholinę, fosfatydyloetanoloaminę,
fosfatydyloserynę oraz sfingmielinę.
Lipidy
te
są
rozmieszczone w błonie asymetrycznie. W zewnętrznej warstwie
dwuwarstwy
lipidowej
dominuje
fasfatydylocholina
oraz
sfingomielina, natomiast w wewnętrznej fosfatydyloetanoloamina
oraz fosfatydyloseryna.
Piątym bardzo ważnym fosfolipidem, ale już występującym w
mniejszych ilościach, jest fosfatydyloinozytol. Odgrywa istotną
rolę w procesie przekazywania sygnałów. Z błoną komórkową
związane są również różnorodne białka. Jedne proteiny są
zakotwiczone w dwuwarstwie, tzw. białka integralne, natomiast
inne luźno związane z jej powierzchnią, białka peryferyjne.
Budowa plazmalemmy
Wiele z nich z błoną komórkową związane jest za pomocą
części cukrowej. Białka te nazywane są glikoproteinami. Reszty
cukrowe czasami są również przyłączone do lipidu. Taka
cząsteczka zwana jest glikolipidem. Białka związane z błoną
najczęściej również posiadają część hydrofilową, związaną z
hydrofilowymi
fragmentami
dwuwarstwy
oraz
część
hydrofobową, kontaktującą się z hydrofobowymi regionami błon
Budowa plazmalemmy
Funkcje błony komórkowej
Błona komórkowa przede wszystkim oddziela wnętrze
komórki od środowiska zewnętrznego. Jest przyczepiona do
cytoszkieletu komórkowego, w ten sposób nadając komórce
odpowiedni kształt.
Błona komórkowa jest półprzepuszczalna, dlatego reguluje
transport pomiędzy wnętrzem komórki a środowiskiem
zewnętrznym. Małe cząsteczki, takie jak: tlen, dwutlenek węgla
oraz woda mogą swobodnie dyfundować poprzez dwuwarstwę
lipidową.
Transport
dużych
cząsteczek,
np.
aminokwasów
i
węglowodanów jest już regulowany. W tym selektywnym
transporcie zasadniczą rolę odgrywają białka, które działają
jako kanały lub aktywnie uczestniczą w transporcie.
Funkcje błony komórkowej
Błona komórkowa uczestniczy również w odbieraniu i
przekazywaniu sygnałów, ponieważ białka błonowe są
receptorami. Wiążą hormony lub inne cząsteczki sygnalne,
uruchamiając w ten sposób kaskadę sygnalną. Niektóre
proteiny pełnią funkcję enzymów, katalizując różnorodne
reakcje w otoczeniu błony komórkowej. Fakt ten odgrywa
istotną rolę w procesach metabolicznych. W tym przypadku
często białka są zorganizowane w większe kompleksy w
błonach.
Dwuwarstwa
lipidowa
odpowiada
także
za
zakotwiczenie komórki w matriks zewnątrzkomórkowy, czyli
uczestniczy w prawidłowym formowaniu tkanki.
Cytoplazma
Wnętrze
każdej
komórki
wypełnione
jest cytoplazmą lub inaczej cytozolem. Stanowi
ona główną cześć protoplastu, w której zawieszone
są
wszystkie
organelle,
czyli
składniki
plazmatyczne
komórki.
Wymiana
substancji
pomiędzy tymi strukturami i środowiskiem
zewnętrznym
odbywa
się
właśnie
za
pośrednictwem cytoplazmy.
Cytoplazma
Cytoplazma
Obserwowany pod mikroskopem optycznym cytozol sprawia
wrażenie jednolitego i bezpostaciowego tworu. Jest on jednak
wielofazowym układem koloidalnym o bardzo skomplikowanej
chemicznej i strukturalnej budowie.
Fazą rozpuszczającą cytoplazmy jest woda, zajmująca od 60 do
90% objętości. Zawieszone są w niej inne składniki, takie jak
białka o budowie globularnej lub włókienkowej (ok. 50% suchej
masy), tłuszcze (12-25% suchej masy), cukry (15-20% suchej
masy) oraz związki nieorganiczne np. wapń, magnez, potas,
fosfor oraz w mniejszych ilościach bor, mangan, miedź i cynk.
Znajdują się tutaj również enzymy i substraty niezbędne do
przebiegu kluczowych dla komórki procesów m. in. glikolizy i
translacji. Dzięki swojemu obojętnemu odczynowi (pH 6,8)
cytozol stanowi idealne środowisko dla tych reakcji.
Cytoplazma
• Cytoplazmę charakteryzuje
zdolność
do
odwracalnej zmiany skupienia, warunkowanej
procesami odwodnienia i uwodnienia zachodzącymi
pod
wpływem
zmian
odczynu
środowiska,
temperatury lub ciśnienia. Przechodzenie ze stanu
płynnego (solu) do sztywnego (żelu) nazywa się
koagulacją. Reakcję odwrotną określa się mianem
peptyzacji.
Cytoplazma
Dynamiczny charakter cytoplazmy objawia się również w jej
ruchach, które można zaobserwować z użyciem mikroskopu
optycznego. Zachodzą one zwykle wokół wakuoli i można je
podzielić na trzy podstawowe typy:
● rotacyjny - odbywający się wokół jednaj, dużej i
centralnie ułożonej wodniczki,
● cyrkulacyjny - wokół kilku mniejszych wodniczek,
● pulsacyjny - zachodzi wokół kilku drobnych
wodniczek i charakteryzuje się zmiennym kierunkiem
sprawiającym wrażenie pulsacji.
Mikrofilamenty i mikrotubule
Znaczącą rolę podczas ruchów cytoplazmy odgrywają
mikrofilemanty, czyli białkowe, włókienka o wymiarach 5-
15μm. Są one zbudowane z aktyny i skupione głównie w
okolicach
jądra,
plastydów,
mitochondriów
i
błony
komórkowej. Zewnętrzna część cytoplazmy charakteryzuje się
regularnym układem mikrofilamentów i określana jest
mianem ektoplazmy. Głębsze warstwy, czyli tzw. hialoplazma,
mają charakter bardziej płynny i zawierają jedynie nieliczne
oraz
bezładnie
ułożone
mikrofilamenty.
Mikrofilamenty i mikrotubule
Innym typem białek fibrylarnych są mikrotubule. Zbudowane są one
z tubuliny, która w wyniku polimeryzacji może tworzyć rurkowate
struktury o średnicy 5-30μm. Jej dynamiczne przemiany są
regulowane dzięki działalności odpowiednich enzymów. Ze względu
na lokalizację i pełnione funkcje podzielić je można na mikrotubule
cytoplazmatyczne (kortykalne) oraz mikrotubule wchodzące w skład
aparatu mitotycznego (kinetochorowe). Pierwszy typ tworzy tzw.
cytoszkielet i bierze udział w przemieszczaniu się organelli
komórkowych. Drugi pełni ważne funkcje w trakcie rozdziału
chromosomów, a także wyznacza płaszczyznę podziału i miejsce
utworzenia się nowych ścian komórkowych.
Cytoszkielet
Cytoszkielet –
sieć
włóknistych
struktur
białkowych
w komórce eukariotycznej, dzięki którym organella i substancje
nie pływają swobodnie w cytoplazmie, ale zajmują pewne
przypisane sobie miejsca.
•Cytoszkielet
tworzą
włókienka
(filamenty)
aktynowe,
czyli mikrofilamenty, mikrotubule zbudowane z innego białka, a
mianowicie tubuliny oraz
filamenty
pośrednie.
Filamenty
aktynowe są strukturami statycznymi, zaś mikrotubule są
tworami dynamicznymi, kurczącymi się i wydłużającymi dzięki
działalności białek motorycznych.
•Szkielet komórki jest elastyczny - potrafi się szybko
przebudowywać zgodnie z potrzebami komórki.
Cytoszkielet
Funkcje cytoszkieletu
• nadawanie kształtu komórkom i utrzymywanie tego kształtu
• utrzymywanie prawidłowej struktury komórki (jeśli naciśnie się na
skórę, to komórki naskórka nie rozlatują się na wszystkie strony
między innymi dlatego, że cytoszkielet je usztywnia i łączy ze sobą)
• poruszanie się komórek (np. w pełzaniu komórek układu
odpornościowego i w fagocytozie, czyli pożeraniu takich ciał obcych,
jak bakterie i wirusy)
• skurcz mięśni
• udział w podziałach komórek – tworzy tzw. wrzeciono podziałowe
• transport pęcherzyków i organelli przez cytoplazmę
• przekazywanie informacji między komórkami
• utrzymywanie polarności komórek
• ruch rzęsek i wici
• udział w apoptozie - genetycznie programowanej śmierci komórek.
Elementy cytoszkieletu
Cytoszkielet (obraz z mikroskopu)
Cytoszkielet
Retikulum endoplazmatyczne
Siateczka
śródplazmatyczna, siateczka
wewnątrzplazmatyczna,
ER
(łac.
reticulum endoplasmaticum, complexus reticuli cytoplasmatici, ang. ER – endoplasmic
reticulum)
Wewnątrzkomórkowy
i
międzykomórkowy
system
kanałów
odizolowanych
od cytoplazmy podstawowej błonami (membranami) biologicznymi. Tworzy nieregularną
sieć cystern, kanalików i pęcherzyków.
•Enzymem markerowym (markerem) ER jest glukozo-6-fosfataza.
Rozróżnia się dwa typy retikulum:
Retikulum endoplazmatyczne szorstkie (granularne) – ER-g – charakteryzujące się
obecnością licznych rybosomów, osadzonych na jego zewnętrznej powierzchni,
rozbudowywana w komórkach szybko rosnących oraz w komórkach w których zachodzi
biosynteza białek (np. neurony, komórki nabłonka gruczołowego trzustki). Retikulum
gładkie (agranularne) – ER-a – niezwiązane z rybosomami, stąd jego nazwa – gładkie.
Rozwinięta w komórkach syntezujących niebiałkowe produkty organiczne (np. komórki
jelita, komórki tkanki tłuszczowej).
Retikulum endoplazmatyczne
Rozróżnia się dwa typy retikulum:
Retikulum endoplazmatyczne szorstkie (granularne) – ER-g –
charakteryzujące się obecnością licznych rybosomów, osadzonych na
jego zewnętrznej powierzchni, rozbudowywana w komórkach szybko
rosnących oraz w komórkach w których zachodzi biosynteza białek (np.
neurony, komórki nabłonka gruczołowego trzustki).
Retikulum gładkie (agranularne) – ER-a – niezwiązane z
rybosomami, stąd jego nazwa – gładkie. Rozwinięta w komórkach
syntezujących niebiałkowe produkty organiczne (np. komórki jelita,
komórki tkanki tłuszczowej). Jego specjalizacją jest detoksykacja
(niszczenie substancji toksycznych). Jest odpowiedzialne m.in. za syntezę
tłuszczów – tworzenie sferosomów.
Retikulum endoplazmatyczne
Funkcje ER
• synteza białek (szorstkie) i tłuszczów (gładkie),
• uczestniczy w przemianach węglowodanów,
• przeprowadza unieczynnianie toksyn i leków (szczególnie w
komórkach wątroby),
• pozwala na szybkie transporty wewnątrzkomórkowe
(cytoplazma jest w nim rzadsza),
• dzieli cytoplazmę komórki na przedziały (kompartmenty),
co pozwala na przeprowadzenie w różnych przedziałach
reakcji, które przeszkadzałyby sobie wzajemnie.
• Retikula endoplazmatyczne sąsiadujących komórek łączą
się ze sobą poprzez nici cytoplazmatyczne (plazmodesmy).
Retikulum endoplazmatyczne szorstkie
Retikulum endoplazmatyczne gładkie
Aparaty Golgiego
Aparat Golgiego - jest utworzony przez kilka cystern ułożonych w
stos i otoczonych licznymi pęcherzykami. Cysterny aparatu Golgiego
są spłaszczonymi woreczkami, zbudowanymi z pojedynczej błony
białkowo lipidowej Białka produkowane na rybosomach RE szorstkiej
są transportowane do cystern aparatu Golgiego. W aparacie Golgiego
znajdują się enzymy , które zmieniają strukturę cząsteczek białka,
przyłączając do nich reszty cukrowe.
Następnie białka są pakowane do pęcherzyków transportowych.
Białka, które mają być wydzielone poza komórkę, są przenoszone w
pęcherzykach w stronę błony komórkowej. Niektóre pęcherzyki
pączkujące z aparatu Golgiego zawierają białka przeznaczone do
umieszczenia
wewnątrz
lizosomów.
Aparty Golgiego:
Pęcherzyki transportowe z Ap. Golgiego
Rybosomy
Rybosomy to organelle uczestniczące w procesie biosyntezy białka,
czyli translacji.
Pojedynczy rybosom jest zbudowany z dwóch połączonych ze sobą
podjednostek:
- mniejszej,
-większej.
Rybosom budowa
Rybosom budowa
Każda podjednostka składa się z białek i cząsteczek kwasu tRNA.
Rybosomy swobodnie zawieszone w cytoplazmie biorą udział w
produkcji białek przeznaczonych na wewnętrzne potrzeby komórki,
natomiast rybosomy przyczepione do siateczki śródplazmatycznej
wytwarzają głównie te białka, które mają być wydzielone na zewnątrz
komórki albo wbudowane w błony biologiczne. Rybosomy komórek
prokariotycznych są podobne do rybosomów eukariotycznych ale są od
nich nieco mniejsze. We wnętrzu mitochondrium znajdują się rybosomy
podobne do rybosomów bakteryjnych.
Rybosomy w komórce bakterii
Cechy charakterystyczne:
• Rybosomy występują u wszystkich organizmów żywych,
zarówno
u prokariotów (bakterie, archeony)
jak
i eukariotów (pierwotniaki, grzyby, rośliny, zwierzęta), a także
we wnętrzu organelli - plastydów i mitochondriów.
• Rybosomy prokariotów i organelli półautonomicznych są
mniejsze i wrażliwsze na inne toksyny niż ich eukariotyczne
odpowiedniki. Te różnice są wykorzystywane przez
niektóre antybiotyki.
• Rybosomy są bardzo małe i widoczne tylko pod mikroskopem
elektronowym. Pojedynczy rybosom składa się z 2
podjednostek, dużej i małej.
• Zespół rybosomów połączonych nicią matrycową (mRNA)
stanowi polirybosom zwany inaczej polisomem
.
Lokalizacja rybosomów:
U eukariontów można wyróżnić dwie lokalizacje rybosomów:
•Rybosomy wolne - swobodnie pływające w cytoplazmie (służą one
do syntezy
białek
nieeksportowanych
poza
komórkę,
takich
jak enzymy wewnątrzkomórkowe,
białkowe
elementy błon
komórkowych, białka wędrujące do jądra, białka cytoplazmy czy białka
cytoszkieletu. Do tej klasy można zaliczyć także rybosomy
organellach: mitochondrium lub chloroplaście;
•Rybosomy związane z błoną - lub przyczepione do retikulum
endoplazmatycznego (szorstkiej siateczki śródplazmatycznej), w
których następuje synteza białek eksportowanych transportowanych
przez siateczkę śródplazmatyczną także poza błony komórki - hormony
białkowe, kolagen, białka wydzielnicze, enzymy lizosomalne, białka
wchodzące w skład błon, nici elastynowe dla tkanki łącznej).
Biosynteza białka (translacja):
• Translacja
jest
drugim
(po transkrypcji)
procesem
w biosyntezie białka. Powstawanie łańcucha polipeptydowego
sterowane jest przez sekwencję mRNA. Translacja odbywa się
w cytoplazmie lub na błonach siateczki śródplazmatycznej
szorstkiej. Proces ten jest katalizowany przez rybosom
obejmujący podjednostkami przesuwającą się nić mRNA.
• Rybosomy składają się z dwóch podjednostek, małej i dużej,
które są zbudowane z białek i rRNA, a funkcję katalityczną
pełnią
enzymy
(rybozymy)
zawarte
w
dużej
podjednostce rybosomu.
• Translacja na jednej cząsteczce mRNA może być
prowadzona przez wiele rybosomów równocześnie. Taki
kompleks mRNA związanego z wieloma rybosomami nazywa
się polisomem lub polirybosomem.
Funkcje rybosomów:
Funkcje rybosomów
Biosynteza białka na rybosomach:
• Inicjacja translacji ma miejsce, kiedy mała podjednostka rybosomu
przyłącza się do końca 5' mRNA. Do małej podjednostki przyłącza się
duża podjednostka rybosomu. Na podjednostce 50s uaktywniają się
dwa miejsca: P - miejsce peptydowe i A - miejsce akceptorowe.
Pierwszy aminoacylo-tRNA ustawia się w miejscu P.
Biosynteza białka na rybosomach:
Elongacja ma miejsce, kiedy następny aminoacylo-tRNA przyłącza się do
rybosomu w miejscu A. Następnie proces translacji zachodzi na zasadzie
komplementarności kodonu mRNA z antykodonem na tRNA. Rybosom i tRNA
są tak ukształtowane, aby dwa aminokwasy, przyłączone do tRNA zajmujące w
rybosomie miejsca A i P znajdowały się blisko siebie.
Dzięki temu zachodzi reakcja między grupą aminową i karboksylową - dwa
aminokwasy łączą się. Ten proces - tworzenie wiązań peptydowych jest
katalizowany przez peptydylotransferazę - rybozym (rRNA) wchodzący w skład
rybosomu.
Po syntezie, tRNA szybko zwalnia miejsce P i wraca do cytoplazmy, z kolei
aminoacylo-tRNA ulega przesunięciu z miejsca A na miejsce P. Proces ten
nazywamy translokacją. Jednocześnie przesuwa się także mRNA. Wielkość
tego przesunięcia wynosi zawsze trzy nukleotydy. Na miejsce A nasuwa się
nowy aminoacylo-tRNA zawierający antykodon odpowiadający kolejnemu
kodonowi na mRNA.
Biosynteza białka na rybosomach:
Terminacja:
Proces elongacji powtarza się aż do napotkania przez podjednostkę mniejszą
rybosomu w miejscu A kodonu stop (UAA, UAG lub UGA). Tych trójek
kodonowych, w normalnych warunkach, nie koduje żaden tRNA.
•W tym momencie następuje terminacja translacji. Łańcuch polipeptydowy
zostaje
uwolniony
do cytoplazmy, tRNA zostaje
oddzielone
od mRNA,
a rybosom rozpada się na podjednostki, które mogą zostać ponownie
wykorzystane do inicjacji translacji kolejnego mRNA.
•Dołączanie kolejnych aminokwasów następuje na C-końcu powstającego
łańcucha polipeptydowego, a więc translacja zachodzi od N-końca do C-końca
Peroksysom
Peroksysomy to małe, wielokształtne pęcherzyki otoczone
pojedynczą błoną białkowo-lipidową i zawierające wiele różnych
enzymów.
Te organella biorą udział w wielu procesach metabolicznych komórki:
-przeprowadzają detoksykację, czyli rozkład toksycznych związków
chemicznych,
-są odpowiedzialne za beta – oksydację długich cząsteczek kwasów
tłuszczowych,
-uczestniczą w przemianach niektórych sterydów i aminokwasów.
-
Peroksysomy:
Peroksysomy budowa i rola:
Peroksysom (peroxysomum, dawniej mikrociałko, mikrociało) –
organellum komórki eukariotycznej o średnicy 0,2-1,8 μm, otoczone jedną błoną,
o kształcie owalnym bądź sferycznym. W komórce roślinnej peroksysomy
znajdują się w bezpośrednim kontakcie z chloroplastami i mitochondriami i
stykają się z powierzchniami ich błon.
•U zwierząt występuje tylko jeden typ peroksysomu – zawierający katalazę
(enzym markerowy peroksysomów) – uczestniczący w procesie neutralizacji
szkodliwego nadtlenku wodoru:
2H
2
O
2
→ 2H
2
O + O
2
•Peroksysom zawiera także oksydazę tworzącą nadtlenek wodoru.
•U ludzi nagromadzenie peroksysomów występuje w komórkach wątroby -
hepatocytach (około 70 w jednej komórce). Uczestniczą one między innymi w
detoksykacji etanolu oraz syntezie niektórych lipidów.
Peroksysomy budowa i rola:
W komórce roślinnej rozróżnia się:
•peroksysomy liściowe - katalizuje rozkład nadtlenku wodoru, bierze udział w
fotorespiracji,
•peroksysomy brodawek korzeniowych - uczestniczące w przyswajaniu azotu,
•glioksysomy - zawierające enzymy przemieniające tłuszcze w cukry (β-
oksydacja, cykl glioksylanowy, Cykl kwasu cytrynowego, glukoneogeneza).
Przypuszcza się, że mikrociałka powstały u prymitywnych eukariotów, które nie
posiadały jeszcze mitochondriów. Energia powstająca w przeprowadzanych
przez nie reakcjach nie jest jednak wiązana w ATP, ale wyzwalana w postaci
ciepła.
•Peroksysomy zostały odkryte przez Ch. de Duve'aw 1965.
•Enzymem markerowym (markerem) peroksysomów jest katalaza.
Lizosomy:
Lizosom – organellum występujące
licznie
w komórkach
eukariotycznych, natomiast nieobecne w komórkach prokariotycznych.
Są to niewielkie pęcherzyki o średnicy ok. 0,5 μm (rzadko 0,1-1 μm),
otoczone pojedynczą błoną lipidowo-białkową o grubości ok. 7 nm.
•Zawierają kwaśne hydrolazy rozkładające białka, kwasy nukleinowe,
węglowodany i tłuszcze.
•pH wewnątrz lizosomu ma wartość optymalną dla występujących w
nim enzymów, równą około 5. Dzięki przystosowaniu enzymów do
kwaśnego środowiska, ich przypadkowe wydostanie się do cytoplazmy
(pH≈7,2) nie stanowi większego zagrożenia dla komórki.
•Niskie pH zapewnia wbudowana w błonę lizosomu H
+
-ATPaza,
pompująca protony do wnętrza lizosomu.
•W lizosomach odbywa się rozkład pochłoniętych na drodze endocytozy
substancji i usuwanie obumarłych części cytoplazmy (trawienie
wewnątrzkomórkowe).
Lizosom budowa:
Trawienie wewnątrzkomórkowe
Powstawanie lizosomów:
Aparaty
Golgiego
–
powstawanie
mikrociał:
Wakuole:
Wakuole, wodniczki – struktury komórkowe występujące u roślin i niektórych
pierwotniaków oraz w komórkach grzybów. W komórkach zwierzęcych występuje
wiele małych wodniczek (wakuol), natomiast w roślinnych jedna lub kilka dużych. U
pierwotniaków występują wodniczki tętniące, odpowiedniki wakuoli, ale od wakuoli o
wiele mniejsze. Zajmują do 90% komórki. Ze starzeniem się komórki zachodzi
proces rozrośnięcia się i zamienienia wakuoli w jedną wodniczkę.
W skład soku komórkowego wypełniającego wakuolę wchodzą:
•związki nieorganiczne:
– Woda (ok. 90% całości składu)
– jony potasowe, sodowe, wapniowe, magnezowe, cynkowe, siarczanowe, fosf
orowe, chlorkowe
– kryształy szczawianu wapnia (rafidy, druzy, styloidy) oraz węglanu wapnia
(cystolity)
Całość systemu wakuolarnego komórki nazywana jest wakuomem.
Rafidy, druzy i styloidy:
Rafidy i styloidy (obraz spod mikroskopu)
Wakuole:
• związki organiczne:
– wolne aminokwasy
– białka
– cukry
– glikozydy (alkohol+cukier), np. strofantyna, digitalina, digitoksygenina (glikozydy
nasercowe)
barwniki: antocyjany i flawony,
– antocyjany- nadają zabarwienie czerwone, niebieskie lub fioletowe organom rośliny (w
zależności od pH roztworu) np. owocom śliwy, jabłoni, czereśni, porzeczki, winogron,
kwiatom fiołka, goryczki, maku, bratka, róży, liściom czerwonej kapusty;
– flawony- nadają żółtą barwę kwiatom np. lwiej paszczy, owocom śliwy, liściom
herbaty.
Barwniki nadają barwę kwiatom, co stanowi czynnik wabiący owady. Duże ilości
antocyjanów u roślin wysokogórskich stanowią czynnik ochronny przed nadmiarem
promieniowania ultrafioletowego,
– Alkaloidy – zwykle trucizny:
(np. nikotyna, kofeina, kokaina, morfina, teofilina, teobromina, chinina,
kolchicyna, skopolamina, atropina).
Budowa wakuoli:
Wakuola komórki roślinnej otoczona jest pojedynczą błoną o grubości 8–12 nm
– tonoplastem. Fosfolipidy stanową 30–40%, a lipidy neutralne 60–70%. W skład błony
wchodzą także białka, które występują w stosunku 0,42–0,52 do fosfolipidów. Spośród
fosfolipidów najważniejszym składnikiem jest fosfatydylocholina w ilości 54% ogółu
fosfolipidów. Pozostałe składniki to: fosfatydyloetanoloamina (24%), kwas fosfatydowy
(12%), fosfatydyloinozytol (5%), fosfatydyloglicerol (1%) i fosfatydyloseryna (1%).
Spośród budujących tonoplast glikolipidów najważniejsze to ceramid glikozydopodobny
oraz sulfoglikozyd. 5% stanowią wolne kwasy tłuszczowe. Skład białek jest specyficzny
dla poszczególnych gatunków roślin. Ważnym składnikiem błony wakuolarnej są białka
określane jako akwaporyny. Funkcjonują one jako kanał wodny, umożliwiając szybkie
przemieszczanie znacznych ilości wody pomiędzy cytozolem a sokiem komórkowym
znajdującym się wewnątrz wakuoli. W skład soku komórkowego poza wodą wchodzą
liczne jony, rozpuszczone i nierozpuszczone związki nieorganiczne oraz organiczne, w
tym enzymy.
Wśród związków organicznych znajdują się zarówno metabolity pierwotne, jak
i metabolity wtórne. Występowanie wielu poszczególnych metabolitów wtórnych jest
charakterystyczne dla określonych gatunków i powiązane z funkcją spełnianą przez
wakuolę w konkretnej komórce.
Wakuole:
Kontrola gospodarki wodnej komórki:
Pełnione w komórce funkcje mogą zależeć zarówno od organizmu, jak i typu tkanki w
skład której wchodzi komórka.
•W komórkach roślinnych główną funkcją wakuoli jest magazynowanie wody, soli
mineralnych oraz związków organicznych.
•Ze względu na obecność w wakuoli związków osmotycznie czynnych oraz
gromadzenie znacznych ilości wody, ta struktura komórkowa jest głównym elementem
regulującym gospodarkę wodną komórki, odpowiada też za turgor komórek i tkanek.
•Liczne gromadzone w wakuoli jony takie jak Na
+
, K
+
, Ca
2+
, Cl
-
, SO
42-
, NO
3-
, PO
43-
i inne,
pozwalają utrzymać stały i bezpieczny dla metabolizmu komórki poziom jonów w
cytozolu.
•Dzięki różnicy stężeń substancji między sokiem komórkowym a otoczeniem, komórki
roślinne mają możliwość pobierania wody z podłoża (osmoza). Jest to zjawisko
analogiczne do umieszczenia komórki roślinnej w roztworze hipotonicznym.
Funkcje magazynujące:
Wakuola jako przestrzeń magazynowa jest także miejscem gromadzenia
substancji zapasowych.
•Mogą być w niej niej gromadzone cukry proste, polisacharydy,
aminokwasy, białka tłuszcze oraz kwasy organiczne.
•W tkance spichrzowej korzeni roślin stwierdza się obecność inuliny w
wakuolach, zaś u grzybów i protistów wewnątrz wakuoli mogą być
gromadzone glikogen oraz tłuszcze.
•Substancje zapasowe gromadzone w wakuoli takie jak białka w
postaci ziaren aleuronowych wykorzystywane są podczas rozwoju rośliny
podczas kiełkowania
lub w okresach gdy fotosynteza nie może zachodzić
Funkcje lityczne:
W części wakuol zachodzą reakcje hydrolizy. Wewnątrz takich wakuol stwierdzono
obecność enzymów takich jak proteinazy, peptydazy, esterazy, glikozydazy i inne.
•Funkcja lityczna wiąże się z procesem autofagii, która może mieć formę
mikroautofagii, w której dochodzi do wpuklenia tonoplastu, w efekcie której
powstaje ciało autofagowe. Stopniowo błona pęcherzyka wewnątrz wakuoli ulega
degradacji, a zawartość jest uwalniana wewnątrz wakuoli.
•Możliwa jest także makroautofagia, polegająca na przyłączeniu do wakuoli
struktury przedautofagowej, czyli cytoplazmy wcześniej otoczonej błoną.
Zawartość struktury zostaje wprowadzona do wnętrza wakuoli a jej błona staje się
częścią tonoplastu. Autofagia jest ważnym procesem umożliwiającym między
innymi programowaną śmierć komórki roślinnej , zachodzącą na przykład podczas
tworzenia drewna.
• Lityczne właściwości wakuol są także kluczowe w procesie odzyskiwania
substancji ze starzejących się organów przed ich obumarciem lub odcięciem
.
Mitochondrium:
Mitochondrium - Mitochondrium to organellum wytwarzające energię na potrzeby komórki,
dlatego jest określane jako "komórkowe centrum energetyczne". Przeciętna komórka zawiera od
kilkudziesięciu do kilkuset mitochondriów. Mitochondria mogą się dzielić i tylko w ten sposób
zwiększa się ich liczba w komórce; komórka dzieląca się mitotycznie przekazuje odpowiednią liczbę
mitochondriów każdej komórce potomnej.
•Każde mitochondrium jest zbudowane z dwóch błon białkowo-lipidowych - zewnętrznej i
wewnętrznej. Błona wewnętrzna tworzy charakterystyczne zagłębienia, czyli grzebienie
mitochondrialne. Wnętrze mitochondrium jest wypełnione przez macierz mitochondrialną.
•Mitochondria mają swój własny materiał genetyczny, który ma postać kolistych cząsteczek DNA
zawieszonych w macierzy mitochondrialnej. Geny zlokalizowane w mtDNA kodują niektóre enzymy
potrzebne do prawidłowego działania mitochondriów. Pozostałe białka mitochondrialne są kodowane
przez geny zlokalizowane w DNA jądra komórkowego. Mitochondria mają także swoje własne
rybosomy, które znajdują się w macierzy mitochondrialnej i są bardziej podobne do rybosomów
bakterii
niż
do
rybosomów
cytoplazmatycznych.
W mitochondriach przebiegają dwa ważne szlaki reakcji biochemicznych, które prowadzą do
wytworzenia energii magazynowanej w wysokoenergetycznych wiązaniach cząsteczek ATP. W
macierzy mitochondrialnej odbywa się cykl kwasu cytrynowego (cykl Krebsa), a reakcje łańcucha
oddechowego
zachodzą
w
wewnętrznej
błonie
mitochondrialnej.
Mitochondrium:
Mitochondrium:
Funkcje mitochondium:
Najważniejszymi rolami mitochondriów są wytwarzanie ATP poprzez oddychanie
komórkowe oraz regulacja metabolizmu komórki.
Główny szereg reakcji biochemicznych związany z produkcją ATP, u eukariotów zachodzący
wyłącznie w mitochondriach, nazywany jest cyklem kwasu cytrynowego lub cyklem Krebsa.
Są to najważniejsze reakcje mające miejsce w mitochondriach, jednak poza nimi
mitochondria pełnią także inne funkcje.
Najważniejszą rolą mitochondrium jest wytwarzanie ATP, znajdujące odzwierciedlenie w
ilości białek błony wewnętrznej mitochondrium, które je przeprowadzają.
Zachodzi ono dzięki utlenianiu głównych produktów rozkładu glukozy – pirogronianu i NADH,
wytwarzanych w cytozolu.
Ten proces oddychania komórkowego, nazywanego także oddychaniem tlenowym,
zależny jest od obecności tlenu. Kiedy ilość tlenu dostarczanego mitochondriom jest
ograniczona, produkty glikolizy przetwarzane są w ramach oddychania beztlenowego,
procesu który nie zachodzi w mitochondriach. Jest to jednakże proces niekorzystny z
energetycznego punktu widzenia, ponieważ podczas oddychania tlenowego uzyskiwane jest
około 13 razy więcej energii niż podczas oddychania beztlenowego.
Oddychanie komórkowe:
Glikoliza:
Glikoliza zachodzi w cytoplazmie a produkty jej reakcji są
transportowane do mitochondrium:
Cykl kwasu cytrynowego:
Łańcuch oddechowy schemat:
Inne funkcje mitochondriów:
Mitochondria pełnią role także w innych procesach
metabolicznych, takich jak:
•regulowanie potencjału błonowego
•apoptoza - programowana śmierć komórki
•regulacja stanu redoks komórki
•synteza hemu
•synteza sterydów
•cykl mocznikowy – w mitochondriach wątroby.
Plastydy:
Plastyd – organellum otoczone dwiema błonami plastydowymi, występujące
u roślin
oraz protistów roślinopodobnych. W komórkach embrionalnych występują
proplastydy, z których rozwijają się pozostałe rodzaje plastydów. Wnętrze
plastydów wypełnione jest gęstym roztworem, stromą, zawierającym białka, DNA,
związki rozpuszczalne oraz ziarna skrobi, plastoglobule oraz fitoferrytynę.
Rodzaje plastydów:
Proplastydy posiadające słabo wykształconą lub niewykształconą strukturę wewnętrzną.
Początkowo mają kształt kulisty, zmieniający się w trakcie rozwoju w elipsoidalny lub
ameboidalny. Podobne do analogicznych stadiów inicjalnych mitochondriów.
Leukoplasty powstające głównie w komórkach bez dostępu światła, a jedynie wyjątkowo
na świetle w organach nadziemnych. Ich główną funkcją jest przechowywanie materiałów
zapasowych.
Do leukoplastów zaliczają się:
– elajoplasty, olejoplasty, lipidoplasty, magazynujące tłuszcze,
– amyloplasty magazynujące węglowodany – w postaci ziaren skrobi, uczestniczące w
zjawisku geotropizmu statolity
– proteinoplasty, proteoplasty, magazynujące białka.
Etioplasty, powstają z proplastydów w komórkach potencjalnie zdolnych do
przeprowadzania fotosyntezy, gdy znajdują się one w ciemności. Podczas przekształcania
proplastydy zwiększają swoje rozmiary z około 1 μm do 10 μm, wewnętrzna błona tworzy
system regularnie ułożonych rurek, ciało prolamelarne, w którym zawarty
jest protochlorofilid, bezpośredni prekursor chlorofilu.
Rodzaje plastydów:
Chloroplasty, występujące w zielonych częściach roślin, odpowiedzialne za
przeprowadzanie procesu fotosyntezy oraz wielu innych szlaków metabolicznych.
Wewnętrzna błona chloroplastów wpukla się do wnętrza tworząc struktury
nazywane tylakoidami. Chloroplasty mogą powstawać z etioplastów oraz bezpośrednio
z proplastydów, proces wykształcania chloroplastów wymaga dostępu światła.
•Chromoplasty, o żółtym, pomarańczowym lub czerwonym zabarwieniu pochodzącym
od różnego typu karotenoidów. Występują w owocach, kwiecie oraz innych organach
roślin, w tym organach spichrzowych. Mogą powstawać zarówno z proplastydów, jak i
leukoplastów, jednak zwykle powstają w wyniku przekształcenia chloroplastów.
•Gerontoplasty, powstające z chloroplastów w starzejących się komórkach liści.
Podczas przekształcenie chloroplastów w gerontoplasty dochodzi do rozpadu błon
tylakoidów. Odgrywają ważną funkcję w starzejących się komórkach, zapewniając
demontaż aparatu fotosyntetycznego, w tym odzyskanie aminokwasów z białek
chloroplastowych oraz bezpieczną degradację chlorofili.
Budowa chloroplastu:
Budowa chloroplastu:
Chloroplasty są otoczone dwiema błonami o różnej przepuszczalności,
otaczającymi stromę wypełniającą
wnętrze
chloroplastu.
Błona
zewnętrzna dobrze przepuszcza jony. Wewnętrzna błona jest natomiast
słabo przepuszczalna i tworzy liczne woreczki (zwane tylakoidami). W
chloroplastach granalnych ułożone są one w płaskie stosy
zwane tylakoidami gran. U chloroplastów bezgranalnych natomiast
występują jedynie lamelle – tylakoidy stromy, czyli tylakoidy rozciągnięte
wzdłuż
całego
chloroplastu
(w komórkach
pochew
okołowiązkowych niektórych roślin przeprowadzającychfotosyntezę C
4
i
glonów.
•Wnętrze chloroplastu wypełnia białkowa substancja – stroma –koloid
białkowy. W jej skład wchodzą m.in. niewielkie ilości DNA, enzymy biorące
udział w fotosyntezie oraz rybosomy typu prokariotycznego (tzw.
rybosomy małe, o stałej sedymentacji 70s), które biorą udział w produkcji
białek, są one jednak mniejsze od rybosomów eukariotycznych o stałej
sedymentacji 80s, znajdujących się w
.
Chloroplasty w komórkach liści:
Fotosynteza w chloroplaście
Fotosynteza w chloroplaście
FOTOSYNTEZA:
Fotosynteza (stgr. φῶς –
światło,
σύνθεσις –
łączenie) – biochemiczny proces wytwarzania
związków organicznych z materii nieorganicznej,
zachodzący w komórkach zawierających chlorofil
lub bakteriochlorofil, przy udziale światła. Jest to
jedna z najważniejszych przemian biochemicznych
na Ziemi. Proces ten utrzymuje wysoki poziom tlenu
w atmosferze oraz przyczynia się do wzrostu
ilości węgla organicznego w puli węgla, zwiększając
masę
materii
organicznej
kosztem
materii
nieorganicznej.
FOTOSYNTEZA:
Faza jasna (określana jako faza przemiany energii), w
której światło jest absorbowane, a jego energia jest
zamieniana na energię wiązań chemicznych, a jako
produkt uboczny wydzielany jest tlen.
Faza ciemna (określana jako faza przemiany
substancji), w której energia wiązań chemicznych,
związków
powstałych
w
fazie
świetlnej,
jest
wykorzystywana do syntezy związków organicznych.
FOTOSYNTEZA:
Obie fazy zachodzą jednocześnie i na świetle. Wydajność
zamiany energii światła na energię wiązań chemicznych
węglowodanów wynosi 0,1–8%. W uproszczonej formie
sumaryczny przebieg fotosyntezy z glukozą jako
syntezowanym węglowodanem zapisuje się
6H
2
O + 6CO
2
+ hv (
energia świetlna
) → C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
↑
ΔE = −2872 kJ/mol (–687 kcal/mol)
gdzie: h – stała Plancka
