Alberts - podstawy biologii komórki PDF

Preview

Summary

Streszczenie szczegółowe działów:
2 - chemiczne składniki komórek
4 - struktura i funkcja białek
5 - DNA i chromosomy
W notatkach są zamieszczone autorskie ryciny, tabele...

Description

02 CHEMICZNE SKŁADNIKI KOMÓREK Żywe istoty = układy chemiczne Chemia istot żywych ma swoisty charakter: I. opiera się wyłącznie na związkach węgla - chemia organiczna II. zależy od reakcji przebiegających tylko w roztworach wodnych i stosunkowo wąskim zakresie temperatur panujących na Ziemi III. jest b. złożona - budowa, skład chemiczny - najprostsza komórka > układ chemiczny IV. zdominowana przez ogromne CZĄSTECZKI POLIMEROWE - łańcuchy połączonych jednostek; posiadają swoiste właściwości umożliwiające komórkom i organizmom wykonywanie czynności życiowych V. podlega ścisłej kontroli - komórki wykształciły różne mechanizmy do uporządkowania reakcji miejsce i czas WIĄZANIA CHEMICZNE PIERWIASTKI - substancje, których za pomocą metod chemicznych nie da się rozłożyć ani przekształcić na substancje prostsze. ATOM - najmniejsza jednostka posiadająca właściwości pierwiastka Charakterystyczne cechy substancji innych, niż pierwiastki - razem z substancjami, które są tworzywem żywych komórek - zależą od tego, jakie atomy wchodzą w ich skład i w jaki sposób łączą się w grupy, czyli CZĄSTECZKI. W SKŁAD KOMÓREK WCHODZI NIEWIELE RODZAJÓW ATOMÓW Elektrony w chmurze elektronowej, na orbitalach, są utrzymywane dzięki elektrostatycznemu przyciągania przez jądro. L.protonów = l. atomowa L.protonów = I. elektronów L.neutronów = l.protonów = l.elektronów Atom jako całość jest elektrycznie obojętny. Liczba atomowa determinuje chemiczne właściwości pierwiastka. Neutrony są nie naładowanymi cząstkami, przyczyniają się do strukturalnej stabilności jądra - jak jest ich za mało/ dużo, ulega do rozpadu promieniotwórczego Izotopy pierwiastka - różne formy tego pierwiastka o takich samych właściwościach chem. IZOTOPY - jądra o tej samej liczbie Z, różniące się liczbą neutronów IZOTONY - jądra o tej samej liczbie A, różniące się liczbą Z IZOBARY - różnią się liczbą A i Z - jednakowa ilość neutronów N Masa atomowa = masa cząsteczkowa - to masa względna w stosunku do masy atomu wodoru; to masa równa ilości protonów i neutronów, bo elektrony są o wiele lżejsze i nie przyczyniają się do masy całości. Masę atomu podaje się w daltonach (Da) Atomy są malutkie - ich średnica to ok. 0.2 nm 1 Masa protonu/ neutronu waży ok. 6 10 23 *

Liczba Avogadra to 6 x 10 23 MOL - to M gramów substancji, gdzie M jest jej względną masą cząsteczkową; zawiera zawsze 6 x 10 cząsteczek

23

ROZTWÓR MOLARNY - roztwór o stężeniu 1mol/ dm3 - w 1 dm3 zawiera 1 mol substancji

O REAKCJACH MIĘDZY ATOMAMI DECYDUJĄ ELEKTRONY ICH ZEWNĘTRZNEJ POWŁOKI Protony i neutrony są ze sobą ściśle powiązane w jądrze i zmieniają swoich partnerów tylko podczas rozkładu promieniotwórczego - we wnętrzu Słońca lub reaktora w Czarnobylu. W żyjątkach elektrony ulegają przegrupowaniu - są one w zewnętrznej części atomu i w chemii wyznaczają reguły łączenia się atomów w cząsteczki.

Chemiczna reaktywność pierwiastka zależy od stopnia wypełnienia jego zewnętrznej powłoki elektronowej. Co jeśli mają wypełnione powłoki elektronowe? tak mają gazy szlachetne (te po prawej stronie UOP w ostatniej kolumnie) i są one bierne chemicznie.

ELEKTRONY -znajdują się w ciągłym ruchu wokół jądra - występują na określonych orbitalach - w tej samej powłoce może występować tylko określona liczba elektronów - im bliżej jądra, tym bardziej są przyciągane

WIĄZANIE CHEMICZNE - Strategia - wymiana elektronów: - przeniesienie e- z 1 atomu na 2 - wspólne użytkowanie e- przez 1 i 2 atom. Rodzaje wiązań chemicznych: -> jonowe -> kowalencyjne -> kowalencyjne spolaryzowane -> wodorowe -> oddziaływania

WIĄZANIE JONOWE -> typ wiązania niekowalencyjnego -> najłatwiej dla atomów, które - na zewnętrznej powłoce ma 1 lub 2 e- do skompletowania zewn. powłoki potrzebują 1-2 e-> łatwiej kompletują powłokę na drodze przeniesienia e- niż jego uwspólnianiu -> atomy połączone tym wiązaniem zazwyczaj są solami -> np. NaCl, gdzie po przeskoczeniu e- z Na do Cl oba pierwiastki stają się jonami KATION - donor ANION - akceptor WIĄZANIE KOWALENCYJNE -> polega na uwspólnianiu elektronu przez 2+ atom -> poprzez połączenie atomów tym wiązaniem powstają cząsteczki -> wspólne elektrony tworzą ujemnie naładowaną chmurę elektronową -> gdy 2 jądra atomowe znajdują się w charakterystycznej odległości - długości wiązania - to siły odpychania i przyciągania są w harmonii -> niektóre atomy mogą tworzyć tylko 1 wiązanie kow., a inne więcej, np. H - H lub =C= -> wiązania te mają określoną geometrię -> wiązania kowalencyjne różnią się siłą - mierzy się ją ilością energii, której potrzeba do zerwania tego wiązania (kJ/mol) -> istnieją różne rodzaje wiązań kowalencyjnych: ● wiązanie pojedyncze - polega na wspólnym użytkowaniu 1 pary e- umożliwia cząsteczce obrót przestrzenny wokół osi wiązania - jeśli to wiązanie łączy atomy różnych pierwiastków, to zwykle te atomy przyciągają wspólne e- w NIEjednakowym stopniu. ●

wiązanie podwójne - polega na wspólnym użytkowaniu 2+ par e- ; - są krótsze i silniejsze niż w.pojedyncze - wywierają charakterystyczny wpływ na geometrię przestrzenną budujących zw. - cząsteczka nie może się obrócić wokół osi wiązania, bo układ atomów jest sztywniejszy i mniej elastyczny

●

polarne - ładunek dodatni jest zagęszczony w pobliżu 1 końca (biegun +), a ładunek ujemny w pobliżu 2. końca (biegun -)

Wiązania kowalencyjne, w których elektrony są w NIEjednakowy sposób wykorzystywane przez 2 związane atomy nazywa się SPOLARYZOWANYMI - są ważne w bioli, bo w ich wyniku powstają cząstkowe ładunki elektryczne, dzięki czemu możliwe są oddziaływania między cząsteczkami. - w. silnie spolaryzowane: -O-H-, -N-H- w. słabo spolaryzowane: -C-H-

WIĄZANIA WODOROWE (woda) - polega na tym, że dodatnio naładowany rejon wody (H) zbliża się do ujemnie naładowanego rejonu 2. cząsteczki wody (O) - są słabsze niż kowalencyjne - łatwo ulegają zerwaniu przez energię cieplną - cząsteczka wody jest silnie spolaryzowana, gdyż tlen przyciąga silniej e- niż wodór - w cząsteczce H2O elektrony są rozłożone nierównomiernie, co prowadzi do przemieszczenia się ładunku dodatniego na H, a ujemnego na O. - istnieją 2 rodzaje specyficznych jonów: HYDROFILOWE -

lubią wodę mają ładunek elektryczny rozpuszczają się w wodzie tworzą wiązania wodorowe

HYDROFOBOWE -

nie lubią wody brak ładunku elektrycznego nie rozpuszczają się w wodzie nie tworzą w. wodorowych (lub tworzą b.mało)

TWORZENIE SIĘ KWASÓW/ ZASAD W ROZTWORACH WODNYCH KWASY - substancje, które rozpuszczając się w wodzie uwalniają protony, tworzące H3O+. Kwasy, zależnie od tego, jak łatwo oddają protony, określamy jako słabe - wolno tracą protony i silne - b. szybko tracą protony. Kwasy słabe łatwiej oddają proton w r-rze o małym stężeniu H3O+, a pobierają w r-rze o dużym stęz. H3O+ ZASADY - substancje, które są zdolne do przyłączania protonu, do zwiększania stężenia jonów OH(powstających z usunięcia protonu z wody) pH - skala logarytmiczna określająca stężenie jonów H3O+

CZĄSTECZKI W KOMÓRKACH Komórkę tworzą związki węgla - zw. organiczne. Węgiel jest takim celebrytą, jeśli chodzi o budowę cząsteczek w organizmach żywych; ● jest małą cząsteczką ● w zewnętrznej powłoce ma 4 e-, więc do oktetu potrzebuje jeszcze 4 - może tworzyć 4 wiązania ● może tworzyć 4 wiązania kowalencyjne ● węgle mogą tworzyć takie sekty - łączą się stabilnymi wiązaniami kowalencyjnymi (skojarz ze szkieletem węglowym z organiki)\ ● w tych sektach mogą tworzyć łańcuchy lub pierścienie - tworzą ogromne cząsteczki Grupy chemiczne: - CH 3 - metylowa - OH - hydroksylowa - COOH - karboksylowa >C=O - karbonylowa - OPO3 2- - fosforanowa - NH 2 - aminowa

Każda z tych grup ma odmienne właściwości chem i fiz, decyduje o tym, czy cząsteczka będzie oddawać, czy przyjmować proton i z jakimi cząsteczkami będzie oddziaływać. Małe cząsteczki organiczne w komórce: - są związkami węgla - masa cząst. 100 - 1000 - zawierają ok. 30 at. węgla Rola makrocząsteczek: - służą jako monomery do tworzenia makrocząsteczek - służą jako źródło energii - ulegają rozkładowi i przekształceniu w inne cząsteczki Komórki zawierają 4 główne rodziny małocząsteczkowych zw. org.: CUKRY -> POLISACHARYDY KWASY TŁUSZCZOWE -> TŁUSZCZE/ LIPIDY/ BŁONY AMINOKWASY -> BIAŁKA NUKLEOTYDY -> KWASY NUKLEINOWE

CUKRY - źródło energii komórek, podjednostka polisacharydów - mogą być w konformacji D lub L - izomery optyczne - ulegają reakcji kondensacji, w wyniku której powstają większe cząsteczki cukrów złożonych = tworzy się wiązanie kowalencyjne - rozerwanie wiązania w cząsteczkach cukrów dochodzi na drodze hydrolizy - mogą istnieć w 1 z 2 form: L lub D (każda jest odbiciem lustrzanym drugiej)

- mogą się wiązać wiązaniami kowalencyjnymi -> tworzenie większych cząsteczek np. glukoza

- monomery łączą się wiązaniami O-glikozydowymi tworząc disacharydy:

- duże, złożone cząsteczki z wielu monomerów połączone wiązaniami O-glikozydowymi

- mają najprostszą budowę - zawierają C3-C7 - ma kilka grup OH i 1 gr. karbonylową: ● CHO - aldehydową lub ● CO - ketonową - rozpuszczają się w wodzie

- obojętne chemicznie - słodki smak - rozpuszczają się w wodzie - wykazują aktywność osmotyczną - w r.wodnych mogą tworzyć pierścienie (reakcja odwracalna) -> między grupą CHO a CO tworzy się wtedy mostek tlenowy

- łańcuchy mogą być proste lub rozgałęzione - są nierozpuszczalne w wodzie - pełnią rolę zapasową/ budulcową

◼ C3: TRIOZY - aldehyd glicerynowy - dihydroksyaceton

◼ disacharydy - sacharoza = glukoza + fruktoza - laktoza = glukoza + galaktoza - maltoza = glukoza + glukoza

- skrobia - glikogen - celuloza - chityna

◼ C5: PENTOZY - ryboza - deoksyryboza ◼ C6: HEKSOZY - glukoza - fruktoza - galaktoza

OLIGOSACHARYDY powstają w wyniku połączenia 2-5 monosacharydów wiązaniem O-glikozydowym w reakcji kondensacji. Najważniejszą biologicznie grupą oligosacharydów są disacharydy, których właściwości fizykochemiczne przypominają monocukry. Oligosacharydy o dłuższych łańcuchach (2+) często łączą się z białkami lub lipidami tworząc związki wchodzące w skład błon biologicznych. Determinują grupy krwi, odgrywają kluczową rolę w rozpoznawaniu się komórek.

LIPIDY - tłuszcze - ich cząsteczki są niepolarne (dlatego nie rozpuszczają się w wodzie, która jest polarna) - gęstość: d. lip.< d.wody - wyróżnia się ze względu na:

LIPIDY PROSTE: - to estry (alkohole (glicerol) + wyższe kwasy tłuszczowe) - z racji tego, że glicerol ma 3 gr. OH - może utworzyć max. 3 wiązania z cząsteczkami kwasów tłuszczowych - glicerol + 3 cząst. kwasów tłuszcz = triglicerydy - kwasy tłuszczowe są zbudowane z długich, prostych łańcuchów węglowodorowych o parzystej liczbie at. C. Kwasy tłuszczowe mogą być: ● nasycone -> C-C (tłuszcze zwierzęce - stan skupienia stały) ● nienasycone -> C=C lub C≡C (tłuszcze roślinne - stan skupienia ciekły) -

długość łańcucha węglowego kwasów tłuszczowych wpływa na właściwości fizykochemicznych tłuszczów.

Lipidy są przede wszystkim bogatoenergetycznym materiałem zapasowym. Pełnią również funkcję termoizolacyjną i zapobiegają urazom mechanicznym. -> WOSKI - zamiast glicerolu posiadają alkohol zbudowany z długiego łańcucha z 1 gr. OH. Woski pełnią funkcję ochronną przed nadmiernym parowaniem wody oraz tworzą nieprzemakalną warstwę u zwierząt (wosk pszczeli oraz lanolina - wosk wełny owczej).

LIPIDY ZŁOŻONE - są materiałem budulcowym komórek (błon bio.) - oprócz alkoholu i kwasów tłuszczowych, w ich skład wchodzą dodatkowe związki - tj. ● kwas fosforowy (V) -> FOSFOLIPIDY ● cukry -> GLIKOLIPIDY Charakter fosfolipidów: - hydrofilowo-hydrofobowy charakter powoduje, że w roztworach wodnych tworzą one spontanicznie 2-warstwę lipidową LIPIDY IZOPRENOWE - to produkty polimeryzacji cząsteczek izoprenu (węglowodoru) - są grupą bardzo zróżnicowaną - pod względem struktury, jak i pełnionych funkcji bio. -> STEROIDY - związki o budowie pierścieniowej - przykładem jest cholesterol

BIAŁKA - stanowią ok. 50% suchej masy komórkowej - budują struktury komórkowe - biorą udział w regulacji procesów życiowych zachodzących w komórkach - wyróżnia się grupy komórek: ● białka strukturalne ● białka enzymatyczne ● białka odpowiedzialne za przekazywanie informacji ● białka magazynujące substancje ● białka odpowiedzialne za ruch komórki ● białka transportujące substancje z i do komórki ● białka transportujące substancje w obrębie komórki ● białka odpornościowe ● białka zapasowe Aminokwasy - podstawowa jednostka budulcowa białek AA - aminoacids - aminokwasy Budowa aminokwasu: - wszystkie zawierają gr. COOH i H2N (karboksylowa i aminowa)4 - obie gr. są połączone ze sobą tym samym atomem C (węgiel alfa) - posiadają łańcuchy boczne (też połączone z węglem alfa), które mają wpływ na właściwości chemiczne AA AA są bardzo ważne - w każdej komórce służą do wytwarzania białek, które są długimi łańcuchowymi polimerami AA pofałdowanymi w struktury przestrzenną - unikatową dla każdego białka.

Łączenie się AA za pomocą N i C końców nadaje polipeptydom zdefiniowaną kierunkowość = polarność strukturalną. Powszechnie występuje 20 różnych rodzajów AA (każdy posiada inny łańcuch boczny związany z węglem alfa). Nie wiadomo ewolucyjnie dlaczego akurat tak jest, ale jest - bo tak. Występują one w każdym białku - nieważne jest pochodzenie - zawsze jest ten sam zestaw AA. ? DLACZEGO ORGANIZM NIE MOŻE OD TAK ZMIENIĆ SOBIE AMINOKWASÓW UŻYWANYCH PRZEZ KOMÓRKI? - Dlatego, że musiałby ponieść bardzo duże konsekwencje: musiałby przebudować sobie metabolizm i kod genetyczny, żeby poradzić sobie z nowymi cząsteczkami budulcowymi. Aminokwasy (podobnie do cukrów) też istnieją jako izomery optyczne w formie D i L. W białkach znajdują się formy L W ścianie komórek bakterii i składzie niektórych antybiotyków - formy D.

? Dlaczego do produkcji białek wchodzą tylko formy L? - idk - kolejna zagadka ewolucyjna.

NUKLEOTYDY - JEDNOSTKI MONOMERYCZNE DNA I RNA Podst. funkcja nukleotydów: - magazynowanie info. bio. - przekazywanie info. bio. - elementy do konstruowania kwasów nukleinowych NUKLEOZYD - ZASADA + CUKIER NUKLEOTYD - ZASADA + CUKIER + RESZTA FOSFORANOWA (1/2/3) Każda zasada azotowa w kwaśnym środowisku może wiązań H+ - dzięki temu zwiększa stężenie jonów OH - w roztworze. PIRYMIDYNY: C, T, U - stanowią pochodne 6-członowego pierścienia pirymidynowego

PURYNY: G, A - zawierają pierścień 5-członowy zespolony z 6-członowym

Nukleotydy mogą pełnić rolę krótkotrwałych nośników energii chemicznej. Przede wszystkim taką rolę spełnia ATP - adenozynotrifosforan = trifosforan adenozyny. ATP powstaje w reakcjach napędzanych energią uwalnianą podczas utleniania substancji odżywczych. 3 fosforany są w cząsteczce ATP są połączone szeregowo wiązaniami bezwodnikowymi fosfobezwodnikowymi, których zerwanie wywala bardzo dużą ilość energii użytkowej dla komórki. Co więcej, przy odłączeniu końcowej grupy fosforanowej, towarzyszy przeniesienie tego fosforanu na inne cząsteczki i uwolnienie energii napędzającej reakcje syntezy zachodzące gdziekolwiek w komórce. Inne pochodne nukleotydów - nośników energii - służą jako nośniki innych grup chemicznych.

KWASY NUKLEINOWE - długie polimery, w których poszczególne jednostki nukleotydowe są kowalencyjnie połączone wiązaniami fosfodiestrowymi między resztą fosforanową związaną z cukrem 1 nukleotydu, a grupą OH cukru 2. nukleotydu. Łańcuchy kwasów nukleinowych są syntetyzowane z bogatych w energię trifosforanów nukleozydów w reakcji kondensacji, w czasie której tworzą się wiązania fosfodiestrowe i dochodzi do uwalniania nieorganicznego związku - pirofosforanu.

Są 2 główne typy kwasów nukleinowych. Różnią się rodzajem cukru, tworzącego ich rdzeń cukrowo-fosforanowy: - kwas rybonukleinowy RNA (rdzeń - ryboza) - kwas deoksyrybonukleinowy DNA (rdzeń - deoksyryboza) RNA

DNA

W skład RNA wchodzą zasady: A, G, C, U RNA występuje zazwyczaj w postaci 1-niciowej

W skład DNA wchodzą zasady: A, G, C, T DNA występuje zazwyczaj w postaci 2-niciowej helisy ułożonych antyrównolegle.

RNA zwykle służy jako krótkoterminowy nośnik instrukcji molekularnej.

DNA działa jako długoterminowy magazyn informacji dziedzicznych.

Kolejność ułożenia nukleotydów w DNA/RNA koduje informację genetyczną komórki. Zdolność zasad w różnych cząsteczkach kw. nuklein. do rozpoznawania innych zasad i tworzenia z nimi par (parowanie zasad) stanowi podstawę dziedziczności i ewolucji.

MAKROCZĄSTECZKI - gr. zw. węgla - podstawowy materiał konstrukcyjny komórki - decydują o najistotniejszych cechach charakteryzujących istoty żywe. Stopień złożoności i wielkości lokują makrocząsteczki między małymi cząsteczkami a organellami. Makrocząsteczki są polimerami powstającymi przez kowalencyjne połączenie małych cząstek organicznych - monomerów - w długie łańcuchy. Przykładami są cząsteczki DNA i RNA. Wszechstronnymi cząsteczkami są białka - spełniają wiele funkcji; Makrocząsteczki mają określoną sekwencję jednostek monomerycznych Wzrost każdego polimeru polega na dołączaniu monomeru do końca rosnącego polimeru w reakcji kondensacji, podczas której dochodzi do uwalniania cząsteczki wody (dotyczy każdego monomeru). Stopniowa polimeryzacja monomerów w długie łańcuchy jest prostym sposobem wytwarzania wielkich skomplikowanych cząsteczek, ponieważ dodawanie monomerów polega na wielokrotnym powtarzaniu tej samej reakcji chemicznej z wykorzystywaniem tego samego zestawu enzymów. Łańcuchy polimerowe nie powstają randomowo, tylko są łączone w zdefiniowanej kolejności = sekwencji. Wiązania niekowalencyjne nadają dokładnie określony kształt makrocząsteczkom Większość wiązań pojedynczych w makrocząsteczkach pozwala obracać się atomom w jej obszarze. Jest to konformacja - możliwość przybrania każdego możliwego (ograniczonego przez wiązania niekowalencyjne) kształtu przez cząsteczkę - zależnie od tego, jak wygina i obraca się łańcuch polimeru pod wpływem przypadkowej energii termicznej.

Wiązania niekowalencyjne umożliwiają makrocząsteczkom wiązanie innych cząsteczek Mimo tego, że w. niekowalencyjne są słabe, mogą one łączyć pasujące do siebie cząsteczki - jak ręka-rękawiczka. Dzięki temu, tworzy się wiele takich wiązań. Liczne punkty kontaktu, warunkujące silne wiązanie, umożliwiają makrocząsteczkom dokonanie wyboru 1 cząsteczki spośród innych w komórce. Od liczby utworzonych wiązań niekowalencyjnych zależy siła wiązania, dlatego oddziaływania mogą być różne pod tym względem. Wiązanie niekowalenyjne stabilizujące także asocjację 2 makrocząsteczek, jeśli ich powierzchnie dobrze sobie odpowiadają.

DEFINICJE 02: AMINOKWAS - to monomery, które zawierają w swojej budowie dwie grupy funkcyjne: grupę aminową (NH2) – tzw. N-koniec oraz grupę karboksylową – tzw. C-koniec. ATOM - podstawowy składnik materii. Składa się z małego dodatnio naładowanego jądra o dużej gęstości i otaczającej go chmury elektronowej o ujemnym ładunku elektrycznym. ATP - to cząsteczka, która składa się z adeniny, rybozy i trzech reszt fosforanowych. Dzięki specjalnemu, wysokoenergetycznemu wiązaniu, którymi są połączone, możliwe jest wydobywanie się potrzebnej energii. BIAŁKO - o związki organiczne o skomplikowanej strukturze chemicznej i dużej różnorodności. Są to polimery, które zbudowane są z aminokwasów. Aminokwasy połączone są ze sobą wiązaniami peptydowymi. CUKIER -inaczej węglowodany lub sacharydy, to związki zbudowane z atomów węgla, wodoru i tlenu. Posiadają one w swych cząsteczkach grupy alkoholowe (OH) i grupę karbonylową aldehydów lub ketonów (C=O). Cukry można podzielić na cukry proste i złożone. Cukry proste to inaczej monosacharydy. CZĄSTECZKA - inaczej molekuła – obojętne elektrycznie indywiduum chemiczne , złożone z co najmniej dwóch atomów trwale połączonych wiązaniami chemicznymi. Niegdyś definiowano cząsteczkę jako najmniejszą możliwą porcję związku chemicznego , która zachowuje jego własności chemiczne. DNA - wielkocząsteczkowy związek chemiczny zbudowany z podjednostek zwanych nukleotydami, występujący u wszystkich organizmów żywych; pełni rolę nośnika informacji gene...