BIOFYZIKA. RNDr. Lucie Koláèná, Ph.D.

Podobné dokumenty
Kloubní chrupavka. Buòky. Mezibunìèná hmota. kolagen. chondrocyt. proteoglykan

Membránové potenciály

LRR/BUBCV CVIČENÍ Z BUNĚČNÉ BIOLOGIE 2. PLASMATICKÁ MEMBRÁNA

TRANSPORT PŘES MEMBRÁNY, MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL, OSMÓZA

BIOLOGICKÁ MEMBRÁNA Prokaryontní Eukaryontní KOMPARTMENTŮ

BUŇKA ZÁKLADNÍ JEDNOTKA ORGANISMŮ

Typy molekul, látek a jejich vazeb v organismech

12. Elektrochemie základní pojmy

5. Lipidy a biomembrány

3) Membránový transport

3 a) Fyzikální principy. 5 Chemický potenciál (µ s ) (volná energie na jeden mol: J/mol) * = chemický potenciál roztoku s za standartních podmínek

Bunka a bunecné interakce v patogeneze tkánového poškození

Prezentace navazuje na základní znalosti z biochemie (lipidy, proteiny, sacharidy) Dynamický fluidní model membrány 2008/11

Eva Benešová. Dýchací řetězec

MEMBRÁNOVÝ PRINCIP BUŇKY

RNDr. Ivana Fellnerová, Ph.D. Katedra zoologie PřF UP Olomouc 2008/11. *Ivana FELLNEROVÁ, PřF UP Olomouc*

Membránový potenciál, zpracování a přenos signálu v excitabilních buňkách

Vnitřní prostředí organismu. Procento vody v organismu

KABELOVÉ VLASTNOSTI BIOLOGICKÝCH VODIČŮ. Helena Uhrová

Buňka. Buňka (cellula) základní stavební a funkční jednotka organismů, schopná samostatné existence. Cytologie nauka o buňkách

ÈÁST VIII - M I K R O È Á S T I CE A JEJICH CHOVÁNÍ

Buněčné membránové struktury. Buněčná (cytoplazmatická) membrána. Jádro; Drsné endoplazmatické retikulum. Katedra zoologie PřF UP Olomouc

Nejmenší jednotka živého organismu schopná samostatné existence. Výměnu látek Růst Pohyb Rozmnožování Dědičnost

BUNĚČ ORGANISMŮ KLÍČOVÁ SLOVA:

BIOLOGICKÉ ÚVOD ZÁKLADY MOLEKULÁRN RNÍ BIOLOGIE

Přírodní polymery proteiny

Lipidy a biologické membrány

pátek, 24. července 15 BUŇKA

Biologické membrány a bioelektrické jevy

Fyziologie buňky. RNDr. Zdeňka Chocholoušková, Ph.D.

11 Struktura membrán LIPIDOVÁ DVOJNÁ VRSTVA MEMBRÁNOVÉ PROTEINY

BIOMEMBRÁNY. Sára Jechová, leden 2014

Současná formulace: Buňka je minimální jednotka, která vykazuje všechny znaky živých soustav

prokaryotní Znaky prokaryoty

RNDr. Ivana Fellnerová, Ph.D. Katedra zoologie, Přírodovědecká fakulta UP

BIOFYZIKA BUŇKY A TKÁNÍ

Tělesné kompartmenty tekutin. Tělesné kompartmenty tekutin. Obecná patofyziologie hospodaření s vodou a elektrolyty.

TUKY. Autor: Mgr. Stanislava Bubíková. Datum (období) tvorby: Ročník: devátý

Inovace profesní přípravy budoucích učitelů chemie

Ilya Prigogine * 1917

Biologie buňky. systém schopný udržovat se a rozmnožovat

MitoSeminář II: Trochu výpočtů v bioenergetice. Souhrn. MUDr. Jan Pláteník, PhD. Ústav lékařské biochemie 1.LF UK

Přednášky z lékařské biofyziky Masarykova univerzita v Brně - Biofyzikální ústav Lékařské fakulty. Ilya Prigogine Termodynamika a život

Elektrochemie. Pøedmìt elektrochemie: disociace (roztoky elektrolytù, taveniny solí) vodivost jevy na rozhraní s/l (elektrolýza, èlánky)

Univerzita Karlova v Praze - 1. lékařská fakulta. Buňka. Ústav pro histologii a embryologii

ZÁKLADNÍ MODELY TOKU PORÉZNÍ MEMBRÁNOU

9. Lipidy a biologické membrány

Přednášky z lékařské biofyziky Lékařská fakulta Masarykovy univerzity v Brně

Chemické složení buňky

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

LIPIDY. Látka lanolin se získává z ovčí vlny. ANO - NE. tekutý lipid s vázanými nenasycenými mastnými kyselinami. olej vystavený postupnému vysychání

Teorie transportu plynů a par polymerními membránami. Doc. Ing. Milan Šípek, CSc. Ústav fyzikální chemie VŠCHT Praha

MEMBRÁNOVÉ STRUKTURY EUKARYONTNÍCH BUNĚK

Mendělejevova tabulka prvků

Úvod do biochemie. Vypracoval: RNDr. Milan Zimpl, Ph.D.

F1190: Lipidy. Přednáška je podporována grantovými prostředky z programu: Reforma a rozvoj výuky Biofyziky pro potřeby 21. století

Biologie I. Buňka II. Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

Kapaliny Molekulové vdw síly, vodíkové můstky

Pro zředěné roztoky za konstantní teploty T je osmotický tlak úměrný molární koncentraci

Katabolismus - jak budeme postupovat

PA20 Pøedzesilovaè kapacitní sondy Pøedpis instalace a údržby


Galvanický článek. Li Rb K Na Be Sr Ca Mg Al Be Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi As CU Hg Ag Pt Au

Testové úlohy aminokyseliny, proteiny. post test


Lipidy. biomembrány a membránový transport

VAKUOLA. membránou ohraničený váček membrána se nazývá tonoplast. běžná u rostlin, zvířata specializované funkce či její nepřítomnost

Distribuce. Doc. PharmDr. František Štaud, Ph.D. Katedra farmakologie a toxikologie Univerzita Karlova v Praze Farmaceutická fakulta v Hradci Králové

16a. Makroergické sloučeniny

Milada Roštejnská. Helena Klímová. Buňka. Pankreas. Ledviny. Mozek. Kost. Srdce. Sval. Krev. Vajíčko. Spermie. Obr. 1.

FYZIOLOGIE BUŇKY BUŇKA Základní funkce buněk: PROKARYOTICKÁ BUŇKA. Funkce zajišťují základní životní projevy buněk: EUKARYOTICKÁ BUŇKA

Nervová soustává č love ká, neuron r es ení

BUNĚČNÉ JÁDRO FYZIOLOGIE BUŇKY JADÉRKO ENDOPLASMATICKÉ RETIKULUM (ER)

Lékařská chemie a biochemie modelový vstupní test ke zkoušce

VÝUKOVÝ MODUL MEMBRÁNOVÝCH PROCESŮ TÉMATA PŘEDNÁŠEK

Tabulace učebního plánu. Obecná chemie. Vzdělávací obsah pro vyučovací předmět : Ročník: 1.ročník a kvinta

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. Biomembrány

Elektrické jevy na membránách

Rostlinná buňka jako osmotický systém

VHODNÉ POUŽITÍ ZÁKLADNÍCH TYPÙ DESEK HOFATEX. Støecha nad krokve. Typ desek Hofatex. Podlahy. Støecha pod krokve. døevostavby SYSTEM KOMBI SN1

Energetický metabolizmus buňky

Oxidace proteinů, tuků a cukrů jako zdroj energie v živých organismech

ANATOMIE A FYZIOLOGIE ÈLOVÌKA Pro humanitní obory. doc. MUDr. Alena Merkunová, CSc. MUDr. PhDr. Miroslav Orel

Seznam otázek pro zkoušku z biofyziky oboru lékařství pro školní rok

Hořčík. Příjem, metabolismus, funkce, projevy nedostatku

ÚPRAVA VODY V ENERGETICE. Ing. Jiří Tomčala

Opakování

Bu?ka - maturitní otázka z biologie (6)

Úvod do biologie rostlin Buňka ROSTLINNÁ BUŇKA

Osud léčiv v organismu, aplikace léčiv. T.Sechser

Sekunda (2 hodiny týdně) Chemické látky a jejich vlastnosti Směsi a jejich dělení Voda, vzduch

Úvod do buněčné a obecné fyziologie. Michal Procházka KTL 2. LF UK a FNM

Schéma epitelu a jeho základní složky

Fouling a biofouling membrán při provozu MBR, metody potlačení Mgr. Ing. Bc. Lukáš Dvořák, Ph.D.

Struktura a funkce biomakromolekul

Transkript:

BIOFYZIKA BUÒKY A TKÁNÍ RNDr. Lucie Koláèná, Ph.D.

BUÒKA

BUÒKA Ètyøi strukturnì-organizaèní principy buòky Pamì ový nukleové kyseliny (chromosomy, ribosomy) Membránový lipidy membrány Cytoskeletální podpùrné vnitrobunìèné proteinové struktury (aktinová filamenta, støední filamenta, mikrotubuly) Stìnový (obalový) polysacharidy tvoøící bunìèné stìny mikroorganismù a rostlin; u živoèichù se neuplatòuje

Velikosti bunìk a jejich èástí

První obrázky bunìk Kresby živé rostlinné buòky (vlasová buòka z kvìtiny Tradescantia), jejíž rozdìlení na dvì dceøiné buòky bìhem 2,5 h pozoroval v r. 1880 Eduard Strasburger. Srovnatelná živá buòka fotografovaná pod moderním svìtelným mikroskopem.

Vnitøní membrány a cytosol (A) membránové oddíly v eukaryontních buòkách specializované na zvláštní funkce (B) cytosol zbytek buòky

Struktura fosfolipidù a jejich orientace v membránì ve vodném prostøedí se hydrofobní konce fosfolipidù seskupují, aby vytìsnily vodu vzniká dvojvrstva s hydrofilními hlavièkami fosfolipidù obrácenými do vodného prostøedí

Fosfolipidové dvojné vrstvy volné rozhraní fosfolipidù s vodou energeticky nevýhodné fosfolipidové dvojné vrstvy se samovolnì uzavírají samy do sebe vytváøejí uzavøené oddíly uzavøená struktura stabilní (nedochází k energeticky nepøíznivému vystavení hydrofobních uhlovodíkových øetìzcù do vodného prostøedí)

Struktury vytváøené fosfolipidy Lipidová dvojná vrstva (ve vodném prostøedí) Micela ve vodném prostøedí a v organickém rozpouštìdle Liposom ve vodném prostøedí

Membránové transportní proteiny jsou zodpovìdné za pøenos malých ve vodì rozpustných molekul pøes bunìèné membrány (A) umìlá dvojná vrstva lipidù neobsahuje proteiny, nepropustná pro vìtšinu ve vodì rozpustných látek (B) bunìèná membrána obsahuje proteiny, propustná pro látky rozpustné ve vodì každý typ transportního proteinu specifický pro urèitý typ molekuly urèitý typ solutù bude uvnitø buòky

Struktura membrán Trojrozmìrný pohled na bunìènou membránu

Bunìèné membrány jako fyzikální bariéry membrány jako fyzikální bariéry mezi dvìma oddíly brání smísení molekul z jedné strany s molekulami z druhé strany (A) mezi vnitøkem buòky a vnìjším prostøedím (B) mezi dvìma intracelulárními oddíly

Nìkteré funkce plasmatické membrány fyzikální bariéra pøíjem informace vstup a výstup molekul mechanické vlastnosti: schopnost pohybu a rùstu receptory rozpoznávají zmìny v okolí a reagují na nì transportní proteiny zajiš ují selektivní transport látek enzymy snižují energii potøebnou pro bunìèné reakce

Lipidy v plasmatické membránì fosfolipidy pìt typù glykolipidy (s šestiúhelníkovými hlavièkami cukrù) všechny glykolipidové molekuly ve vnìjší monovrstvì membrány cholesterol zastoupen pøibližnì rovnomìrnì v obou monovrstvách

Pohyblivost fosfolipidù Tøi typy možných pohybù molekul fosfolipidu v lipidové dvojné vrstvì (dùsledek tepelných pohybù lipidových molekul) laterální difúze rotace pøeklápìní (flip-flop) vzácnì (ménì než 1 za mìsíc)

Tekutost lipidové dvojné vrstvy a membrány snadnost pohybu lipidových molekul ve dvojné vrstvì vrstvy s velkým obsahem nenasycených mastných kyselin tekutìjší (dvojná vazba = nepravidelnost) umožòuje membránovým proteinùm rychle difundovat v rovinì membrány zpùsob rychlé distribuce membránových lipidù (napø. z místa syntézy) umožòuje fúzi membrán

Úloha cholesterolu v bunìèných membránách cholesterol pouze v živoèišných buòkách, snižuje tekutost membrán (A) struktura cholesterolu (B) pøedstava, jak struktura zapadá do mezer mezi molekulami fosfolipidu v lipidové dvojné vrstvì

Funkce proteinù plasmatické membrány

Protein má v membránì obvykle strukturu!-helixu (A) transmembránový protein (B) protein spojený s membránou (lipidem) kovalentní vazbou (C) protein spojený s membránou (transmembránovým proteinem) nekovalentními interakcemi

Úsek helixu procházející lipidovou dvojnou vrstvou hydrofobní postranní øetìzce aminokyselin (struktura -helixu), jsou v kontaktu s hydrofobními uhlovodíkovými øetìzci fosfolipidových molekul; hydrofilní èásti polypeptidové páteøe se uvnitø šroubovice navzájem spojují vodíkovými mùstky. K pøekonání tlouš ky plasmatické membrány je tøeba asi 20 aminokyselin. Transmembránový hydrofilní pór tvoøený skupinou helixù pìt transmembránových -helixù tvoøí vodou naplnìný kanál napøíè dvojnou vrstvou lipidù; hydrofobní postranní øetìzce aminokyselin na jedné stranì každé šroubovice se stýkají s hydrofobními uhlovodíkovými øetìzci, zatímco hydrofilní postranní øetìzce na opaèné stranì šroubovic tvoøí pór, který je naplnìn vodou.

Ètyøi zpùsoby omezení laterální pohyblivosti proteinu plasmatické membrány Omezení laterální pohyblivosti proteinù plasmatické membrány (A) pøipojení k bunìènému kortexu uvnitø buòky (B) pøipojení k molekulám extracelulární matrix (C) pøipojení k proteinùm na povrchu jiné buòky (D) difúzní pøepážky (erné obdélníky) udržují proteiny v urèité membránové doménì

Náboj membrán na povrchu membrány elektrický náboj 1 100 mc/m 2 vìtšinou negativní odpovídá 10 7 10 8 aniontových skupin 10 6 10 7 kationtových skupin pøevažující záporný náboj pøitahuje kladnì nabité ionty z roztoku adsorpèní vrstva vnì této vrstvy difuzní vrstva (obohacená zápornì nabitými ionty) dohromady tvoøí elektrickou dvojvrstvu nerovnomìrná distribuce iontù okolo buòky povrchový potenciál p: p = 4 /!(1 + r/") nábojová hustota,! permitivita dielektrická konstanta (pro vodu 0,75 nf/m), r prùmìr buòky, " je tlouš ka elektrické dvojvrstvy

Klidový membránový potenciál Tok iontù pøes membránu mìøitelný jako elektrický proud Hromadìní iontù (není-li vyváženo hromadìním opaènì nabitých iontù akumulace elektrického náboje = membránový potenciál Klidový membránový potenciál pøi takovém ustáleném stavu, kdy je tok záporných a kladných iontù pøes plasmatickou membránu vyvážen, takže se ani na jedné ani na druhé stranì membrány nehromadí náboj. Vnitøek buòky záporný, proto záporný ( 20 až 200 mv) Hlavní kationty: K + Zmìna koncentrace (propustnosti) iontù! zmìna potenciálu! až kladné hodnoty

Distribuce iontù a membránový potenciál Membránový potenciál vzniká díky tenké vrstvì iontù (< 1 nm) v tìsné blízkosti membrány, které jsou ve své poloze drženy pøitahováním k opaènì nabitým iontùm na druhé stranì membrány. Poèet iontù, které musí procházet membránou, aby se ustavil membránový potenciál, je pouze malou èástí všech iontù. 6000 K + procházejících 1!m 2 " zmìna membránové potenciálu o 100 mv poèet K + v 1!m 3 cytoplasmy 70 000 vyšší

Úloha K + pøi tvorbì membránového potenciálu pøes plasmatickou membránu hypotetická situace s nulovým membránovým potenciálem: ionty K + se snaží opustit buòku po spádu své koncentrace volnì prùchodnými kanály pro K + membrána nemá žádné kanály pro jiné druhy iontù než K + : ionty K + procházejí membránou, nejsou následovány zápornì nabitými ionty výsledek: pøebytek kladného náboje na vnìjší stranì membrány a pøebytek záporného náboje uvnitø buòky! vznik membránového potenciálu, který se snaží hnát ionty K + zpìt do buòky rovnováha: efekt koncentraèního gradientu K + vyrovnán úèinkem membránového potenciálu! k výslednému pohybu K + jedním smìrem nedochází

Nernstova rovnice Nernstova rovnice umožòuje vypoèítat teoretický klidový potenciál, známe-li pomìr vnitøní a vnìjší koncentrace iontù. Síla, která žene ion pøes membránu, má dvì složky: první z nich je elektrický potenciál, druhou je gradient koncentrace tohoto iontu. V rovnováze jsou obì složky vyrovnány; tento stav popisuje Nernstova rovnice: V k ln c c e i V membránový potenciál ve voltech; k konstanta závislá na teplotì a na náboji daného iontu; druhý výraz rovnice je pøirozený logaritmus podílu extracelulární a intracelulární koncentrace iontu; konstanta k definována vztahem k = RT/zF, R plynová konstanta, T absolutní teplota v K a F Faradayova konstanta

Procesy v membránách tok hmoty tok energie tok informace Tok hmoty pøenos látek pøes membrány (membránový transport) pohyby v membránách (rotace, difuze komponent) enzymové reakce

Tok energie Pøemìna minimálnì 4 druhù energií Primární forma Záøivá energie Volná energie oxidace Gradient elektrochemického potenciálu Energie chemické vazby Sekundární forma Pøíklad gradient elektrochemického potenciálu halobakterie oxidaènì-redukèní potenciál zelené rostliny gradient elektrochemického potenciálu mitochondrie luminiskující buòky záøivá energie gradient chemického potenciálu sekundární aktivní transport energie chemické vazby syntéza ATP (ATP-syntáza) mechanická energie pohyb bièíkù teplo mitochondrie hnìdého tuku elektrická energie elektrický orgán ryb gradient chemického potenciálu primární aktivní transport neelektrolytù gradient elektrochemického potenciálu primární aktivní transport iontù

Tok informace Fyzikální signály Signál Projev, výskyt fotokineze, fototaxe, fotofobie u sinic Svìtlo enzymová aktivita u rostlin zrak u živoèichù Teplo teplotnì citlivá tìlíska v kùži Elektrický potenciál napì ovì regulované kanály citlivost ryb a nìkterých savcù Magnetické pole magnetobakterie, snad stìhovaví ptáci sluch (vláskové buòky støedního ucha) Mechanický tlak pøilnavost bunìk k podloží pohyb listù rostlin hmat

Tok informace Chemické signály Signál Atraktanty a repelenty Vnìjší èichové a chu ové signály Vnitøní signály vícebunìèných organismù Imunitní systém Projev, výskyt chemotaxe, aerotaxe u bakterií èich a chu hormony, cytokiny a nervové mediátory makrofágy, T-buòky, B- buòky, komplement

Relativní propustnost syntetické dvojné vrstvy lipidù pro jednotlivé tøídy molekul Èím je molekula menší a èím ménì ochotnì interaguje s vodou (èím ménì je polární), tím rychleji difunduje dvojnou vrstvou. Mnohé z molekul, které buòka používá jako živiny, jsou pøíliš velké a polární na to, aby mohly èistou dvojnou vrstvou lipidu projít.

Difúze Veškeré látky mají tendenci pøecházet z prostøedí s vyšší koncentrací do prostøedí s nižší koncentrací. Pokud se èástice mohou pohybovat, rozptylují se do celého prostoru, kterého mohou dosáhnout, a postupnì ve všech jeho èástech vyrovnají svou koncentraci è látky difundují Hustota difúzního toku (tok látky) J: množství látky vyjádøené poètem molù, které projde za sekundu jednotkovou plochou rozhraní Difúze seøídí Fickovými zákony 1. Hustota difúzního toku (tok látky) je pøímo úmìrná koncentraènímu gradientu látky 2. Èasová zmìna koncentrace látky v daném místì je úmìrná prostorové zmìnì gradientu koncentrace (konstanta úmìrnosti difúzní koeficient) J dx dt D dc D dx 2 d c D 2 dx kt 6 r

Osmóza Rozpouštìdlo má tendenci pronikat pøes polopropustné membrány do míst, kde je koncentrace osmoticky aktivních látek vyšší, a øedit je. Ve výsledku jsou tedy roztoky na obou stranách membrány stejnì koncentrované. Osmotický tlak je jedna ze základních sil, které ovlivòují živé buòky, protože cytoplazmatická membrána je polopropustná.

Osmóza Espero Publishing, s.r.o. Pokud je koncentrace solutu uvnitø buòky vyšší než v okolí buòky, bude voda osmoticky vstupovat dovnitø a buòka nabobtná. Pøi dostateènì velkém rozdílu koncentrace rozpuštìné látky buòka praskne.

Osmóza

Tøi zpùsoby, kterými se buòky vyhýbají osmotickému zbobtnání (A) živoèišná buòka udržuje nízkou vnitøní koncentraci solutu aktivním odèerpává ionty (B) rostlinná buòka pøed nabobtnáním a prasknutím chránìna tuhou stìnou (C) prvok periodicky vystøikuje vodu nahromadìnou v buòce

Osmotický tlak jedna ze základních sil, které ovlivòují živé buòky, protože cytoplazmatická membrána je polopropustná tlak toku rozpouštìdla pronikajícího pøes semipermeabilní (polopropustnou) membránu do roztoku, ve kterém je vyšší koncentrace rozpuštìných molekul nebo iontù osmotický tlak: = c R T závisí na teplotì a koncentraci roztoku c molární koncentrace, R molární plynová konstanta, T absolutní teplota tok rozpouštìdla membránou: J = k S ( 1-2 ) 1 a 2 osmotické tlaky roztokù oddìlených membránou, k koeficient propustnosti