Chemiczne składniki komórekZbudowane z takich samych pierwiastków i związków jak materia nieożywionaPierwiastki chemiczne w komórkach:

Chemiczne składniki komórek

Zbudowane z takich samych pierwiastków i związków jak materia nieożywiona

Pierwiastki chemiczne w komórkach:

- makroelementy (pierwiastki biogenne) H, O, C, N, S, P, Ca, Mg, K, Na, Cl

>1% suchej masy

- mikroelementy

Fe, Cu, Mn, Mo, B,Zn, Co, J, F, Cr, V, Ni, Si

< 0,01% suchej masy

- ultraelementy

Ra, Au, Ag, Pt, Se <10^-6% suchej masy

96,5 -99% masy komórek H, O, C i N

65%

18%

3%

dominują: H₂O

związki organiczne

24%

• opiera się na związkach C (związki organiczne)

• zależy od reakcji przebiegających w środowisku wodnym, wąskim zakresie temperatur

• wykazuje ogromną złożoność

• zdominowana przez cząsteczki polimerowe

• zachodzące reakcje są ściśle kontrolowane (miejsce, czas)

Komórki wykorzystują prawa fizyki i chemii, aby przeżyć

„Chemia komórki”

Chemiczne składniki komórek

jony nieorganiczne 1%

małe cząsteczki organiczne 3%

makrocząsteczki 26%

DNA

RNA

białka

poli- sacharydy

ogromne zagęszczenie cząsteczek dynamika ruchu i oddziaływań cząsteczek

Skład chemiczny komórki bakteryjnej

% masy liczba rodzajów komórki cząsteczek

jony nieorganiczne 1 20

małe cząsteczki organiczne 3 800

cukry i ich prekursory 1 250

aminokwasy i prekursory 0,4 100

nukleotydy i prekursory 0,4 100

kwasy tłuszczowe i prekur. 1 50

inne 0,2 300

makrocząsteczki 26 3000

Małocząsteczkowe związki organiczne:

masa cząst. 100 –1000 do ok. 30 atomów C

ok. 1000 rodzajów cząsteczek w komórce eukariotycznej cukry, aminokwasy, nukleotydy, kwasy tłuszczowe

• wolne cząsteczki w cytoplazmie

•jednostki monomeryczne makrocząsteczek

 źródło energii

 inne funkcje (sygnałowe, nośniki innych grup chemicznych)

elementy konstrukcyjne makrocząsteczek i struktur komórkowych

Małocząsteczkowe związki organiczne - aminokwasy

forma niezjonizowana forma zjonizowana

20 aminokwasów – powszechnych (a-amiokwasów) biogennych kwaśne (Asp, Glu)

zasadowe (Lys, Arg, His)

polarne bez ładunku (Asn, Gln, Ser, Thr, Tyr)

niepolarne (Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Phe, Met, Trp, Cys)

R –łańcuch boczny

H- -OH + H- - - -

H - - - - -

- H₂O kondensacja +H₂O

hydroliza

Ogólna reakcja uzyskiwania/degradacji makrocząsteczek

Makrocząsteczki

cząsteczka (monomer) - makrocząsteczka wiązania kowalencyjne

glikozydowe

peptydowe

fosfodiestrowe

•różnorodność sekwencji

Białko o łańcuchu 150 aminokwasów - 20¹⁵⁰ kombinacji DNA o łańcuchu 7 000 nukleotydów - 4^{7 000}kombinacji Trisacharyd - setki kombinacji (łańcuchy rozgałęzione)

Makrocząsteczki

• reakcje katalizowane przez enzymy

• łączenie podjednostek w zdefiniowanej kolejności = sekwencja

Makrocząsteczki

• różnorodność konformacji

- elastyczność łańcuchów (obrót połączonych kowalencyjnie atomów);

- „nieograniczona” liczba kształtów

• unikatowy układ przestrzenny makrocząsteczek uprzywilejowane konformacje (stabilne)

własności biologiczne

wiązania niekowalencyjne:

wodorowe jonowe van der Waalsa hydrofobowe

aminokwasy - peptydy/ polipeptydy/ białka

wiązanie peptydowe

polarność strukturalna

sekwencja peptydu: Phe-Ser-Glu-Lys

a-helisa;

b-harmonijka;

superhelisa;

kwasy nukleinowe

wiązanie fosfodiestrowe

peptyd G-A-T-C DNA; RNA

• Makrocząsteczki- zdolność do dysocjacji i asocjacji wiązania niekowalencyjne (słabe ale liczne)

-wybiórcze wiązanie innych cząsteczek:

podstawa katalizy biologicznej i dynamiki makrocząsteczek tworzenie struktur (zespołów makrocząsteczek)

powierzchnie „nie pasują”, ruchy termiczne rozdzielają cząsteczki

powierzchnie „ pasują”, cząsteczki związane - wiązania niekowalencyjne

komórka otoczenie stopień uporządkowania cząsteczek

entropia układu

(wielkość stopnia nieuporządkowania) wysoki

niska

niski wysoka

pobieranie energii / uwalnianie ciepła

Błony komórki jako bariery

Funkcje błon:

 bariery między przedziałami (kompartmentami) - zapobiegające mieszaniu substancji między przedziałami

- zapewniające utrzymanie różnic w składzie i funkcji między organellami - kontrolę składu

 transport do wnętrza i z wnętrza (selektywna przepuszczalność)

 odbieranie bodźców

 zdolność ruchu i ekspansji

 możliwość zachodzenia procesów przekształcania energii (synteza ATP)

Błona komórkowa - funkcje a struktura?

Funkcje błon:

 bariery między przedziałami (kompartmentami) - zapobiegające mieszaniu substancji między przedziałami

- zapewniające utrzymanie różnic w składzie i funkcji między organellami - kontrolę składu

 transport do wnętrza i z wnętrza (selektywna przepuszczalność)

 odbieranie bodźców

 zdolność ruchu i ekspansji

 możliwość zachodzenia procesów przekształcania energii (synteza ATP)

Koniec XIX w.

błony są zbudowane z lipidów badania przepuszczalności błon;

badania rozpuszczalności błon;

pomiary oporności elektrycznej

pomiary napięcia powierzchniowego błon;

obserwacje własności antygenowych błon;

obserwacje transportu aktywnego błony są zbudowane z lipidów i białek

Jak zbudowane są błony plazmatyczne ?

Historia badań

Hipoteza – błona z dwuwarstwy lipidowej (1925)

E. Gorter i F.Grendel (1896)

– wyekstrahowali acetonem lipidy z błon erytrocytów różnych ssaków;

określili stosunek powierzchni - 2:1

J. F. Danielli (1935) i H. Dawson (1943)

uniwersalny model błony komórkowej białka 2warstwy trójglicerydów;

białka (łańcuchy w formie rozciągniętej)

J. Robertson (1959)

Mikrografia elektronowa błony komórkowej erytrocytu ludzkiego

model błony komórkowej ( płaszcz glikoproteinowy)

Technika mrożenia i łamania (freeze-fracture) (technika kriorytownicza) - utrwalenie i przepojenie

glicerolem (krioprotekcja) - zamrożenie:

ciekły azot (-196^oC) - przełamanie w wysokiej próżni - sporządzenie repliki

S.J. Singer i G. L. Nicolson (1972)

model płynno-mozaikowy błony komórkowej

oddziaływanie cząsteczki hydrofilowej hydrofobowej z cząsteczkami wody

cząsteczki amfipatyczne

Lipidy błon plazmatycznych

Cząsteczki polarne

Dwuwarstwa lipidowa

Dwuwarstwa lipidowa

Micela lipidowa

Dwuwarstwa lipidowa

- badania na sztucznych błonach

Liposomy(od 25nm do 1mm)

Lipidy błon

Lipidy błon:

• fosfolipidy

• glikolipidy

• sterole

•inne (sulfolipidy

- chloroplasty)

Lipidy błon

Fosfolipidy:

• fosfoglicerydy (55-57%)

Cząsteczka tłuszczu obojętnego a cząsteczka fosfolipidu

D-glicerol nierozgałęzione kwasy tłuszczowe (wiązanie estrowe) Archea L-glicerol rozgałęzione łańcuchy izoprenowe (wiązanie eterowe)

Lipidy błon

Fosfolipidy:

• fosfoglicerydy (55-57%)

Cząsteczka tłuszczu obojętnego a cząsteczka fosfolipidu

D-glicerol nierozgałęzione kwasy tłuszczowe (wiązanie estrowe)

Archea L-glicerol rozgałęzione łańcuchy izoprenowe (wiązanie eterowe)

Najważniejsze fosfolipidy:

- fosfatydylocholina (PC) (lecytyna) - fosfatydyloseryna (PS) (-) - fosfatydyloetanoloamina (PE) - fosfatydydyloinozytol (PI)

- difosfatydyloglicerol =kardiolipina (CR) (prokarioty; wewn.błona mitochondrialna)

fosfoglicerydy

Najważniejsze fosfolipidy ssaczych błon plazmatycznych:

sfingozyna nienasycony 18C -alkohol

Glikolipidy:

około 5% lipidów błon (w zewnętrznej warstwie )

 na szkielecie diacyloglicerolu ( reszty cukrowe związane z C-3)

głównie błony bakterii i komórek roślin

 zbudowane ze sfingolipidów (pochodne sfingozyny) z dołączonymi resztami cukrowymi

= sfingoglikolipidy

Sfingoglikolipidy:

obojętne kwaśne

Rozmaitość sfingoglikolipidów ( około 300 rodzajów)

Steroidy

- cholesterol (w komórkach zwierzęcych) - estry cholesterolu (błona jądrowa komórek

zwierzęcych)

- fitosterole (w komórkach roślinnych) - lipidy cykliczne – hopanoidy (prokarioty) -

A B

C D

(C3)

(C17)

Różny skład lipidowy błon komórkowych

5 x10⁶cząsteczek/ mm²błony

Różny skład lipidowy błon danej komórki

Funkcje dwuwarstwy lipidowej

• bariera

• zakotwiczenie białek

• przekazywanie sygnału (fosfatydyloinozytole)

Funkcje białek błon plazmatycznych (błony komórkowej)

Rodzaje białek błon plazmatycznych

 Białka transbłonowe

 Białka powierzchniowe (peryferyjne)

 Białka zakotwiczone

w niektórych klasyfikacjach:

 białka transbłonowe -

białka integralne

 zakotwiczone poprzez lipidy

Związanie białka błony z dwuwarstwą lipidową

Białka integralne -transbłonowe

Domena transbłonowa:

fragment łańcucha o strukturze α-helisy

białka monotopowe

Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Phe,

Met, Trp, Cys Domena transbłonowa:

kilka fragmentów łańcucha o strukturze α-helisy

białka politopowe

Białka integralne -transbłonowe

Domena transbłonowa:

fragmenty łańcucha w formie X-pasmowej struktury β (beczułka β)

Poryna błony Rhodobacter capsulatus

Transporter jonów Fe E. coli

harmonijka b

Białka zakotwiczone poprzez lipidy

Ko-translacyjne lub po-translacyjne dołączenie kotwicy lipidowej (przyłączenie co najmniej jednej reszty lipidu lub kwasu tłuszczowego)

kotwica GDI

glikozylofosfatydyloinozytolowa–

motyw lipidowo-cukrowy

Kotwice : mirystylowe

(kwas mirystynowy C14 do NH₂- glicyny – wiązanie amidowe) palmitylowe

(kwas palmitynowy C16 do cysteiny - wiazanie tioestrowe)

farnezylowe geranylo-geranylowe

zakotwiczenie białka po zewnętrznej stronie błony komórkowej.

Białka powierzchniowe

• związane z błoną poprzez oddziaływania z innymi białkami

• uwalniane (przez ekstrakcję roztworami soli) bez zniszczenia struktury dwuwarstwy lipidowej