Fizjologia człowieka w zarysie. Отсутствует
zawodu. Książka zawiera ilustracje, wykresy i tabele dobrane i rozmieszczone w sposób ułatwiający naukę oraz powtórzenie wcześniej zapamiętanych wiadomości. Na końcu każdego rozdziału znajdują się pytania kontrolne (testowe lub otwarte), pozwalające na sprawdzenie wcześniej opanowanej wiedzy oraz umiejętności wykorzystania wiedzy teoretycznej w rozwiązywaniu praktycznych problemów i formułowaniu wniosków.
Poszczególne rozdziały zostały opracowane przez wielu specjalistów z uniwersytetów medycznych, a także z akademii wychowania fizycznego, z czego może wynikać pewna różnorodność w stylu i ujęciu zagadnień.
1. PODSTAWY MOLEKULARNEJ ORGANIZACJI KOMÓRKI
Pogląd, że komórki są podstawowymi jednostkami strukturalnymi i funkcjonalnymi każdego żywego organizmu, stanowi część teorii komórkowej. W roku 1838 botanik Matthias Schleiden i w roku 1839 zoolog Theodor Schwann wykazali, że zarówno rośliny, jak i zwierzęta są skupiskami komórek, a komórka jest podstawową jednostką budulcową istot żywych. W roku 1855 teoria komórkowa została rozszerzona przez Rudolfa Virchowa, który stwierdził, że komórki mogą powstawać wyłącznie przez podział komórek już istniejących, a nie spontanicznie z materii nieożywionej. W roku 1880 August Weismann stwierdził, że wszystkie żywe komórki wywodzą się od przodków żyjących w zamierzchłych czasach, a dowodem na wspólne pochodzenie wszystkich komórek jest podobieństwo podstawowych struktur i cząsteczek, z których są zbudowane.
Dziś wiemy, że komórka jest najmniejszą jednostką zdolną do samodzielnego przeprowadzania wszystkich procesów życiowych, złożonym „tworem” o wysokim stopniu organizacji, który ma swój własny ośrodek kontroli, system transportu wewnętrznego, „stację” energetyczną, struktury wytwarzające niezbędne materiały oraz system samodestrukcji (ryc. 1.1).
W organizmach wielokomórkowych poszczególne komórki specjalizują się w wykonywaniu pewnych czynności i grupują w tym celu, tworząc tkanki i narządy. Z narządów powstają zintegrowane układy, wspólnie budujące organizm.
1.1. Błona komórkowa
Struktura dwuwarstwy lipidowej jest podstawą budowy błon komórki (ryc. 1.2). Każda komórka jest otoczona błoną, która oddziela wnętrze komórki od środowiska pozakomórkowego. Komórki posiadają również system błon znajdujących się w ich wnętrzu. Oddzielają one poszczególne kompartmenty komórki oraz otaczają niektóre organelle.
Lipidy błonowe łączą w pojedynczej cząsteczce dwie bardzo różne właściwości: mają hydrofilową głowę oraz jeden lub dwa hydrofobowe ogony węglowodorowe.
Wśród lipidów błonowych można wyróżnić przede wszystkim fosfolipidy, glikolipidy i cholesterol. Istotną rolę w strukturze błon komórkowych odgrywają również białka.
Rycina 1.1. Komórka zwierzęca
(autorzy ryciny: M. Maksimiuk, A. Sobiborowicz).
Najliczniej występującymi lipidami błonowymi są fosfolipidy, w których hydrofilowa grupa głowy jest powiązana z resztą cząsteczki przez grupę fosforanową. Fosfolipidem najczęściej występującym w większości błon komórki jest fosfatydylocholina (lecytyna), w której hydrofilową głową jest mała cząsteczka choliny złączona z fosforanem, a ogonami hydrofobowymi są dwa długie łańcuchy węglowodorowe. Cząsteczki o właściwościach zarówno hydrofilowych, jak i hydrofobowych określa się mianem amfipatycznych. Cząsteczki hydrofilowe rozpuszczają się łatwo w wodzie, gdyż zawierają naładowane atomy lub grupy polarne, mogące tworzyć wiązania elektrostatyczne lub wiązania wodorowe z cząsteczkami wody, które także są cząsteczkami polarnymi. Cząsteczki hydrofobowe są nierozpuszczalne w wodzie, gdyż ich wszystkie lub prawie wszystkie atomy są nienaładowane i niepolarne, co skutkuje niemożnością tworzenia wiązań z polarnymi cząsteczkami wody. W komórkach eukariotycznych synteza prawie wszystkich nowych błon zachodzi w jednym przedziale wewnątrzkomórkowym – w siateczce śródplazmatycznej (retikulum endoplazmatyczne, ER – endoplasmic reticulum). Powstająca tam nowa błona jest eksportowana do innych błon komórki przez cykliczne odrywanie się pęcherzyków i ich fuzję z istniejącymi już błonami (fragmenty błony są odrywane z ER w postaci małych pęcherzyków, które zostają następnie wbudowane w inne błony w procesie zwanym fuzją). Podczas takiego transportu pęcherzykowego zachowana jest charakterystyczna orientacja dwuwarstwy lipidowej w stosunku do cytozolu, ponieważ wszystkie błony w komórce mają dwie różniące się powierzchnie:
– wewnętrzną (cytozolową), która jest eksponowana do cytozolu;
– zewnętrzną (niecytozolową), która jest eksponowana do otoczenia komórki lub do wewnętrznej przestrzeni organelli.
Rycina 1.2. Błona komórkowa
(autorzy ryciny: M Maksimiuk, A. Sobiborowicz).
Glikolipidy występują głównie w zewnętrznej warstwie błony komórkowej. Ich grupy cukrowe są eksponowane na zewnątrz komórki. Glikolipidy uzyskują swoje grupy cukrowe podczas obróbki w aparacie Golgiego.
Cholesterol znajdujący się w błonach komórkowych zwiększa ich sztywność, a zarazem plastyczność.
Białka błonowe stanowią około 50% masy większości błon. Poza transportowaniem określonych substancji odżywczych, metabolitów i jonów przez dwuwarstwę lipidową białka pełnią w błonach również inne funkcje. Niektóre z nich łączą błonę z makrocząsteczkami po jednej lub drugiej stronie błony, inne działają jako receptory wykrywające w otoczeniu komórki sygnały chemiczne i przekazują niesioną przez nie informację do jej wnętrza. Niektóre białka działają jako enzymy katalizujące specyficzne reakcje.
Wyróżnia się cztery podstawowe klasy białek błonowych:
– białka transportujące, np. pompa sodowo-potasowa, która aktywnie wypompowuje z komórki jony Na+ i wprowadza do niej jony K+;
– białka wiążące, np. integryny, które wiążą wewnątrzkomórkowe filamenty aktyny z białkami substancji zewnątrzkomórkowej;
– białka receptorowe, np. receptor płytkopochodnego czynnika wzrostu (PDGF), który wiąże znajdujący się w środowisku zewnętrznym komórki PDGF i wytwarza wewnątrzkomórkowe sygnały powodujące jej wzrost i podziały;
– białka enzymatyczne, np. cyklaza adenylanowa, która katalizuje wytwarzanie wewnątrzkomórkowego cyklicznego AMP (cAMP) w odpowiedzi na sygnały zewnątrzkomórkowe.
Podobnie jak w przypadku wielu lipidów wchodzących w skład zewnętrznej warstwy błony komórkowej, do których są przyłączone kowalencyjnie cukry, również do większości białek błonowych przyłączają się krótkie łańcuchy cukrowe (oligosacharydy), w efekcie czego powstają glikoproteiny. Białka, do których jest przyłączony co najmniej jeden długi łańcuch polisacharydowy, to proteoglikany. Wszystkie cukrowce wchodzące w skład glikoprotein, proteoglikanów i glikolipidów są umiejscowione tylko po jednej, zewnętrznej stronie błony i tworzą na powierzchni komórki strukturę zwaną glikokaliksem, która chroni tę powierzchnię przed uszkodzeniem mechanicznym i chemicznym, a także umożliwia wzajemne rozpoznawanie się komórek i ich przyleganie.