Biofyzika Ústav fyziky a měřicí techniky, VŠCHT PRAHA

Transkript

1 ÚVOD Biofyzika je interdisciplinárním oborem, který vznikl v prvních desetiletích 20. století jako důsledek integračních tendencí ve vývoji vědeckého poznání. Vznikla na rozhraní biologických věd, fyziky a chemie. Biofyzika zkoumá vliv fyzikálních faktorů na živé organismy, ale především je fyzikou biologicky funkčních molekul, tvořících složitý biologický makrosvět buněk a organismů. Biofyzika obsahuje prvky řady disciplin, na jejichž rozhraní vznikla nebo jejichž metodických přístupů využívá. Proto zahrnuje fyziku, matematiku, fyzikální chemii, biochemii, biologii a fyziologii. Stejně tak jako fyzici a chemici zredukovali studium struktury látek na relativně jednoduchý popis atomů, tak se biologové zajímali hlavně o popis buněk, neboť všechny orgány svaly, nervy, listy ale i mikroorganismy-, jsou tvořeny buňkami. Buňka jako jednotný živý systém je jednou ze základních generalizací biologie. Genetikové studují především jádro a chromosomy, embryologové interakce mezi částmi buněk i buňkami samými, biochemici chemický obsah buněk. Rovněž biofyzikové mají svůj specifický zájem o živé organismy. Základním úkolem biofyziky je ukázat na konkrétním biologickém systému jakým způsobem v tomto systému probíhají fyzikální a fyzikálně chemické procesy, řídící se stejnými zákony jako v neživé přírodě ale přecházející v kvalitativně nové biologické a fyziologické jevy. Tento úkol je poměrně obtížný, protože fyzikální a fyzikálně-chemické procesy probíhají v živém organismu za podmínek, které se v neživé přírodě nevyskytují. Vykazují řadu zákonitostí, které slouží vzniku, vývoji a zachování života. Organismy jsou tvořeny buňkami. Každá buňka je jednotkou nejen strukturní, ale i funkční. U nižších organismů (bakterie, kvasinky, améby) je organismus tvořen jedinou buňkou, u vyšších organismů dochází ke specializaci buněk i orgánů. Funkce buněk probíhají v podmínkách malých vnitřních změn teploty, tlaku, ph, permitivity, koncentrace složek atd. oproti vnějšímu okolí a jsou realizovány chemickými procesy na molekulární úrovni. K udržení prakticky stálých podmínek slouží soustava regulačních mechanismů, v biochemii nazývaná homeostasa. Živé organismy se od neživé přírody liší především tím, že se k vnějšímu prostředí chovají aktivně. Přijímají z něj látky, které chemickými procesy přeměňují a využívají ke své existenci, přičemž odpadní produkty uvolňují zpět do vnějšího prostředí. Tomuto neustálému toku hmoty mezi prostředím a organismem a s ním souvisejícím přeměnám energie říkáme intermediární metabolismus neboli látková výměna. K dalším vlastnostem organismů patří dráždivost je schopností organismu reagovat na vnější podněty a to jak fyzikální (teplota, tlak), tak chemické. K významným vlastnostem živého organismu patří schopnost rozmnožování, přičemž reprodukce organismu je zajištěna genetickým kódem geneticky zakotvenou informací jenž je v podstatě kódem chemickým. Do oblasti měření fyzikálních veličin spadá měření teploty, ph, osmotického tlaku, koncentrace složek, permitivity, přičemž v živém organismu se hodnoty jednotlivých veličin mění jen ve velice úzkém rozmezí. Zatímco děje probíhající v neživém objektu vedou k jeho základním změnám, nejsou na živých objektech i přes chemické děje metabolismu patrné zřetelné změny, neboť biologické objekty jako individua zůstávají zachovány. Uhrová H

2 Abychom se mohli blíže seznámit s ději probíhajícími v živých organismech, musíme si nejprve připomenout stavbu buňky a základní substráty, metabolity a jiné chemické sloučeniny, podílející se na metabolismu a energetice buněk. Zjistíme totiž, že malé individuální rozdíly ve struktuře funkčních skupin (např. uhlovodíkové isomerní radikály) které prakticky nehrají roli v obecné chemii, jsou velmi důležité v realizaci jemného chemického balancování v živém organismu. Vysoká úroveň strukturování a chemické individualizace je nerozlučně spojena s biologickou funkčností. STAVBA BUNĚK Prokaryotická buňka Prokaryotické buňky jsou buňky bakterií a zelenomodrých řas (sinic), jejichž velikost se pohybuje v rozmezí 0,5 až 3 μm, nejčastěji 1-2 μm. Tato buňka má o řád jednodušší organizaci než buňka eukaryotická. Typická velikost 1 2 μm Přesto se na její výstavbě podílí zhruba 5000 různých typů molekul. Z tohoto počtu připadá asi 1000 molekul na NA a zhruba 2500 molekul na bílkoviny. 1- buněčná stěna 2- ribozómy 3- molekula DNA 4- mezozóm 5- bičík 6- chromatofory 7- granula 8- pouzdro 9- mikropouzdro 10- fimbrie 11- cytoplazmatická membrána Buněčná stěna jediný pevný útvar v bakteriální buňce. Dává buňce tvar a mechanicky ji chrání. Chrání ji i proti vyschnutí a chemickým vlivům. Kompenzuje poměrně vysoký vnitřní osmotický tlak (i 2,5 MPa). Základní složkou je lineární polymer derivátů glukozaminu příčně propojený řetízky aminokyselin. Několik vrstev tvoří velice pevnou strukturu. Provedení stěny gramnegativní a grampozitivní. U G - je peptidoglykanová vrstva mnohem tenčí než u G + bakterií a je na ní vnější membrána stejné konstrukce jako jiných biologických membrán. V membráně jsou póry, umožňující volný průchod molekul. Póry mají při otevření průměr 1 nm. Póry se uplatňují při selektivní difúzi. Pouzdro nejčastěji tvořeno bílkovinou nebo polysacharidem - chrání buňku a dodává jí odolnost. Opouzdřené bakterie jsou virulentnější než neopouzdřené. Glykokalyx plsťovitý obal buňky, tvořený propletenými polysacharidovými vlákny, jejichž konce jsou elektrostatickými či jinými silami vázány na specifické povrchy. Umožňuje snazší adhezi bakterií na různé povrchy. Fimbrie krátká, rovná křehká a velmi četná vlákna, trčící do prostoru z povrchu bakterie. Umožňují snadnou adhezi na povrchy jiných buněk. Bičík umožňuje pohyb bakterie. Počet bičíků může být 0,1,více. Délka 20 μm (10x víc než vlastní délka bakterie). Jeho strukturu tvoří duté vlákno z molekul bílkovin, stočené do Uhrová H

3 šroubovice. Bičík je upevněn v cytoplazmě dvěma kruhovými destičkami. Spodní se díky protonovému gradientu otáčí proti horní a tak uvádí bičík do pohybu. Cytoplasmatická membrána je umístěna pod buněčnou stěnou. Izoluje vnější prostředí od vnitřního a uskutečňuje selektivní transport vybraných molekul Je složena z lipoproteinů, je semipermeabilní a řídí aktivní transport buňky. Membrána bývá u většiny bakterií hladká. V některých případech však u heterotrofních baktérií tvoří vchlípením membrány 1-2 mezozómy. U fotosyntetizujících bakterií vznikají vchlipováním cytoplazmatické membrány četné chromatofory s fotosyntetickými pigmenty. Protoplast bakteriální buňka zbavená buněčné stěny. Většina funkcí buňky může probíhat v protoplastu. Cytoplazma vyplňuje zcela prostor buňky. Cytoplazma je vysoce viskózní a koncentrovaný roztok velkých i malých molekul, enzymů i jejich substrátů. Obsahuje víc než 50% bílkovin buňky. Jádro v podstatě není klasické, neboť není členěno a není ohraničeno membránami stejně jako ostatní části buňky. Je tvořeno jednou dvouvláknovou a do kruhu uzavřenou molekulou DNA (hmotnost 2,5.10 9, tj. asi 4, nukleotidů, svinuta do více než 50 smyček). Jádro je v centru buňky a zaujímá asi 20% objemu buňky. Nejméně ve dvou bodech je přichyceno k cytoplazmatické membráně. Jaderná místa, která jsou viditelná, obsahují obvykle většinu, ne-li veškerou DNA buňky. Plazmidy malé molekuly DNA, nesoucí doplňkové genetické informace (genové inženýrství). Ribozómy - malá tělíska, složená ze dvou podjednotek s různým sedimentačním koeficientem. Liší se od ribozómů eukaryotických buněk. Podílejí se na proteosyntéze; nasedají na mrna a ihned ji překládají na bílkoviny. Rychlost je zhruba 15 aminokyselin/s. Má-li být rychlost proteosyntézy větší, buňka zvyšuje počet ribozómů a zkracuje vzdálenost mezi nimi na mrna. V klidovém stavu je v buňce několik set ribozómů, při rychlém růstu i a více. Zásobní látky - zdroj uhlíku a energie glykogen poly-β-hydroxymáselná kyselina - zásobárna fosfátu polymer anorganického ortofosfátu - zásobárna síry kapénky síry Eukaryotická buňka Členěním vnitřního prostoru buňky a růstem složitosti struktury dosáhly buňky zlepšení jednotlivých funkcí. Obecná stavba rostlinné a živočišné buňky je v podstatě shodná. Rozdíly jsou způsobeny rozdílným způsobem výživy a biochemických aktivit. 1- endoplazmatické retikulum 2- vchlípenina membrány 3- glykogen 4- mezibuněčný prostor 5- mitochondrie 6- lysozóm 7- desmozóm 8- sekreční váček 9- mezibuněčný spoj 10- mikroklky 11- řasinka s bazálním tělískem 12- Golgiho komplex 13- vakuola Model eukaryotické buňky vlevo živočišná, vpravo rostlinná buňka Uhrová H

4 14- buněčná stěna 15- centriola 16- plazmodesmy 17- jádro s jaderným obalem 18- jadérko 19- chloroplast 20- tylakoid Rostlinná buňka V pravé polovině obrázku je buňka rostlinná. Je charakteristická celulózovou stěnou (50% tvoří cellobióza; β 1 4 glukopyranóza), která má strukturní integritu. Tvar rostlinné buňky je dán tvarem buněčné stěny. Velikost buněk je v rozmezí od 10 do 100 μm. Existují však i buňky délky desítek centimetrů či metrů. Největší částicí buňky je vakuola (oblast obsahující vodu, případně krystaly). V buňce je přítomno jádro. Dominantní charakteristikou rostlinné buňky je systém chloroplastů, které fotosyntézou vytvářejí sacharidy. Mitochondrie jsou viditelné. Živočišná buňka V levé polovině obrázku je buňka živočišná. Buňky jsou tvarově velmi rozličné, velikost mají od 10 do 20 μm. Existují i buňky extrémně malé (4 μm) nebo velké (1 m). Strukturní součásti eukaryotické buňky Cytoplazmatická membrána slouží jako selektivní bariéra. Probíhá přes ní aktivní i pasivní transport látek. Resorpční povrchy vytvářejí mikroklky (výběžky cytoplazmy) a zvětšují povrch buněk. Endoplazmatické retikulum se vyskytuje prakticky ve všech buňkách. Představuje systém kanálků váčků a plochých cisteren, navzájem souvisejících. Může se vyskytovat jako hladké nebo drsné a jednotlivé formy mohou mezi sebou přecházet. Na drsné retikulum nasedají z vnější strany ribozómy, na nichž probíhá syntéza bílkovin. Retikulum, drsné ale hlavně hladké, má vztah k syntéze lipidů a cukrů. Golgiho komplex a) sloupec cisteren b) GK tenkého střeva čolka c) diktyozómy nervové buňky savce Typický sloupec cisteren propojených kanálky a vlákny bývá uložený u jednoho pólu buňky. U některých buněk a u většiny rostlinných buněk je GK rozptýlen v cytoplazmě v podobě zrn, tyčinek a prstenců, tzv. diktyozómů. Strukturně je GK podobný endopasmatickému retikulu, ale nikdy nenese ribozómy. Funkcí GK je úprava produktů syntetizovaných na ribozómech endoplazmatického retikula. Přecházejí do jeho vnitřního prostoru, jsou obaleny membránou Uhrová H

5 a v podobě váčků jdou k cisternovému komplexu, s nímž splývají. Upravené produkty jsou v sekrečních váčcích doškrceny z okrajů cisteren a dopraveny mimo buňku či dále zpracovány. Lyzozómy jsou kulovité váčky, uzavřené membránou. Obsahují NA, cukry, lipidy a enzymy. Mají vztah k vnitrobuněčnému trávení. Vznikají z endoplazmatického retikula nebo odškrcených membrán GK. Stejným způsobem vznikají cytozómy, které uzavírají určité typy enzymů. Mitochondrie jsu oválné až vláknité útvary s poměrně složitou ultrastrukturou. Vnitřní membrána se vchlipuje dovnitř a tvoří neúplné přepážky. Tvar mitochondrií se mění dle typu a funkce buňky. Velikost se pohybuje v rozmezí 0,1 10 μm. Obsahují enzymy přenosu energie a cyklu kys. citronové, oxidace mastných kyselin a oxidativní fosforylace. Jádro- obsahuje DNA, RNA, bílkoviny, lipidy, anorganické složky, v určité vývojové fázi se formuje jaderná hmota, tzv. chromatin, v chromozómy. Na haploidní sadu chromozómů připadá 1 jadérko (tvořeno rovněž RNA, DNA, enzymy a bílkovinami). Od cytoplazmy je jádro odděleno jadernou membránou (dvě membránové jednotky oddělené perinukleárním prostorem), v níž jsou četné póry se specifickou strukturou. Transport póry je aktivní. Jadérko není ohraničeno membránou. centrioly řídí pohyb chromozomů při jaderném dělení mikrozómy syntéza bílkovin plastidy (chloro-, leuko- nebo chromoplasty) jsou ohraničeny dvojitou membránou, vnější membrána je hladká, vnitřní má více či méně složitou strukturu. granule Živočišná membrána je obvykle nedostatečně strukturně pevná, obyčejně spíše přiléhající k další buňce. Nejsou zde vidět velké vakuoly jako u rostlinné buňky. Jádro obsahuje heterochromatin, umožňující rozmnožovací proces a obsahující DNA a jadérko, které obsahuje RNA. Jaderná membrána je viditelná v elektronovém mikroskopu. lze sledovat její strukturu i s póry, které zajišťují kontakt s cytoplasmatickým obsahem. V cytoplasmě velký podíl připadá na mikrozómy, kterým je v živé buňce definitivně přiřazena funkce syntézy bílkovin. Jejich ultrastruktura má vzhled dvojité lamely s naasociovanými granulemi. Přítomné mitochondrie obsahují dýchací enzymový systém a při mikroskopickém sledování mají spíše pevnou strukturu. Elementy funkčnosti buněk můžeme vidět v enzymových granulích a v Golgiho aparátu, který vystupuje jako transferový systém. Jadérko a jádro je kryto membránou. Obě membrány obsahují dvojité lamely o celkové tloušťce 10 nm. Cytoplasma buněk je viskózní kapalina s neobvyklou charakteristikou viskozity. Za určitých okolností může být relativně silným gelem, na druhé straně se vlastnostmi mnohem více blíží kapalině. cytoplasma má strukturu granulární. Cytoplazmatická membrána, složená z lipoproteinů, řídí aktivní transport látek z vnějšího prostředí do buňky a naopak. Udržuje žádoucí koncentrační gradienty anorganických iontů a většiny organických sloučenin. Mitochondrie obsahují respirační enzymy. Tvar mitochondrie je cylindrický, o průměru až 500 nm. Okolo cylindru je dvojitá vrstva nazývaná krysta. Organizace mitochondriálního obsahu je podřízena organizaci enzymového systému. Mikrozómy nemají pro všechny typy buněk zcela uniformní strukturu. Jsou složeny z částice o průměru 300 nm, připojené k dvojné vrstvě. Uplatňují se při syntéze bílkovin. Uhrová H

6 V mnohobuněčných organismech díky odpudivým povrchovým nábojům buněk vznikají extracelulární prostory mezi buňkami Endoplasmatické retikulum má úzký vztah k jádru. Skládá se z membrány a malých granulí. Je dobře vyvinuto ve tkáních s intenzivní syntézou bílkovin. Lyzozómy jsou velikostí podobné mitochondriím a vypadají jako granule nebo měchýřky. Obsahují hydrolasy. Tvorba lyzozómů CHEMICKÉ SLOŽENÍ BUNĚK A ORGANISMŮ Živá hmota je tvořena prvky, běžně se vyskytujícími v neživé přírodě. Přesto však při vývoji biologických systémů došlo k značné selekci prvků, neboť z 82 přirozených prvků se pouze cca 20 jeví jako nepostradatelné Nahoře: Prostorové uspořádání tylakoidů v chloroplastu 1. tylakoidy gran 2. tylakoidy stromatu (biogenní) pro existenci živé hmoty (nebereme-li v úvahu, že může dojít k sekundární kontaminaci organismu z vnějšího prostředí Pb, Sn, Sr,Cd a jejich následné detekci). Dle umístění v Mendělejevově periodické tabulce vidíme, že se jedná o prvky lehčí, těžší se vyskytují pouze ve stopách. tyto těžší prvky byly jako biogenní zjištěny víceméně na základě výskytu chorob živočichů či rostlin. Dole: Přeměna plastidů na světle a ve tmě 1. protoplastid 2. etioplast 3. chloroplast 4. amyloplast 5. chromoplast BIOGENNÍ PRVKY Makrobiogenní prvky (víc než 1 %) Mikrobiogenní prvky (0,01-1 %) Stopové prvky (méně než 0,01 %) O, C, H, N základ organických sloučenin Ca, P - kosti, zuby, membrány, metabolity K, Na intracelulární kapaliny, nervová a svalová tkáň S - bílkoviny Cl - žaludeční šťávy Mg - kosti (60%), enzymy I - štítná žláza Fe - transport O 2, kofaktor enzymů Zn, Cu, Mn, Mo - kofaktor enzymů B, Co Uhrová H

7 Si, V - nižší formy hmoty Přes úžasnou pestrost forem živé hmoty jsou organismy tvořeny stejnými typy látek, dokonce i v obdobném poměrném zastoupení, což lze dokumentovat srovnáním skladby lidského organismu, rostlin a jednobuněčných organismů. Základní, nejjednodušší a v největší míře zastoupenou sloučeninou je v organismech voda : činí % celkové hmoty. Je základním prostředím všech dějů v buňkách, zároveň se aktivně účastní hydrolytických a hydratačních reakcí. I přes obrovské množství zajišťovaných funkcí a obrovskou pestrost organických sloučenin buňky (i v jednoduché bakteriální buňce je jich přes 5000 druhů) je jich naprostá většina vybudována asi ze 40 jednoduchých molekul náležejících do těchto základních skupin: sacharidy (funkce provozní a konstrukční) lipidy, bílkoviny, nukleové kyseliny (funkce zásobní, řídicí). Jedná se o molekuly 20 aminokyselin, několika sacharidů, mastných kyselin, glycerolu a derivátů purinu a pyrimidinu. A přesto tento soubor neživých látek vykazuje podstatu života díky speciální molekulární organizaci, jejímž základem jsou makromolekulární sloučeniny, vybudované ze malých základních molekul. Těmto makromolekulám říkáme biopolymery a jsou reprezentovány především molekulami bílkovin a nukleových kyselin.tím však organizace biologického objektu teprve začíná. Pokračuje nenahodilým uspořádáním nadmolekulárních struktur vznikají organely a následně buňka. Ta představuje v podstatě hardware, zatímco software tvoří čtyřpísmenkový genetický kód. nízkomol. - biopolymery - makromol. - organely - buňka - tkáně - organismus látky osnova jádro orgány aminokyseliny bílkoviny membrány mitochondrie 0,5x10 9 sacharidy NA, polysach. lipoproteiny ribozomy molekul splývání funkcí: substrát x metabolit x katalyzátor Buňka jako chemický stroj pracuje za zvláštních podmínek prakticky konstantního P, T, ph, koncentrace složek. Liší se ovšem podle formy přijímaného uhlíku. sluneční energie ročně 19 5x10 kj glukosa kyslík autotrofy fotosyntetizující buňky heterotrofy oxid uhličitý ročně 11 3,5 x10 t voda Uhrová H

8 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O sluneční energie fotosyntéza chemická energie (ATP - kontrakce, NaDPH 2 - transport, glukosa - biosyntéza) nevyužitá energie (teplo, entropie) Primárním zdrojem energie živých objektů biosféry je energie slunečního záření. Ta je fototrofními organismy transformována na energii chemické vazby, čímž se vytvářejí živiny, které jsou zdrojem energie a surovin pro stavbu organismů chemotrofních. Sluneční energie je využívána především k rozkladu vody na vodík a kyslík. Makroergické substráty jsou chemotrofy rozloženy za uvolnění energie (tedy zisku energie) a vodík je přenesen na kyslík za vzniku vody (proces aerobní fosforylace). Vznik ATP je spojen s oxidací pyridinových koenzymů nebo kyseliny jantarové. fototrof x chemotrof fototrof je většinou autotrofní povahy autotrof - může se rozmnožovat v roztoku anorganických solí heterotrof _ vyžaduje přítomnost organických sloučenin - auxotrof vyžaduje složité růstové látky (vitaminy, amkys.) - prototrof stačí mu jednoduché zdroje energie (cukry, org. kys.) list ve dne fotosyntetizující autotrof, v noci heterotrof buňky eukaryotické (vyšší mnohobuněčné organismy + prvoci, houby, většina řas prokaryotické (nižší jednobuněčné) SUBSTRÁTY A METABOLITY Sacharidy (biochemie) Aminokyseliny a bílkoviny (biochemie) Lipidy (biochemie) MASTNÉ KYSELINY S nasycenými vazbami Uhrová H

9 C 4 máselná CH 3 CH 2 CH 2 COOH C 6 kaparonová CH 3 (CH 2 ) 4 COOH C 8 kaprilová CH 3 (CH 2 ) 6 COOH C 10 kaprinová CH 3 (CH 2 ) 8 COOH C 12 laurová CH 3 (CH 2 ) 10 COOH C 14 myristová CH 3 (CH 2 ) 12 COOH C 16 palmitová CH 3 (CH 2 ) 14 COOH C 18 stearová CH 3 (CH 2 ) 16 COOH C 20 arachová CH 3 (CH 2 ) 18 COOH C 22 behenová CH 3 (CH 2 ) 20 COOH C 24 lignocerová CH 3 (CH 2 ) 22 COOH C 26 cerotová CH 3 (CH 2 ) 24 COOH C 28 montanová CH 3 (CH 2 ) 26 COOH S nenasycenými vazbami C 16 palmitoolejová CH 3 -(CH 2 ) 5 -CH=CH-(CH 2 ) 7 COOH C 18 olejová CH 3 -(CH 2 ) 7 -CH=CH-(CH 2 ) 7 COOH C 18 linolová CH 3 -(CH 2 ) 4 -CH=CH- CH 2 - CH=CH- (CH 2 ) 7 COOH C 18 linolenová CH 3 - (CH 2 - CH=CH) 3 - (CH 2 ) 7 COOH C 20 arachidonová CH 3 - (CH 2 ) 3 - (CH 2 - CH=CH) 4 - (CH 2 ) 3 COOH Uhrová H