wprowadzenie do psychologii biologicznej opracowanie.doc (4463 KB) Pobierz Cechy materii ożywionej Chemia komórek opiera się na 4 podstawowych zasadach: 1. Opiera się prawie wyłącznie na związkach węgla. 2. Zależy od reakcji prawie wyłącznie przebiegających w roztworach wodnych i w stosunkowo wąskim zakresie temperatur 3. Jest ogromnie złożona: nawet najprostsza komórka jest znacznie bardziej skomplikowana pod względem chemicznym niż jakikolwiek inny znany układ chemiczny. 4. Jest zdominowana przez ogromne cząsteczki polimerowe, będące łańcuchami kolejno połączonych podjednostek. Unikatowe właściwości tych polimerów umożliwiają komórkom i organizmom wzrost, rozmnażanie i dokonywanie tego wszystkiego, co jest charakterystyczne dla życia. 5. Podlega ścisłej kontroli: aby zapewnić zachodzenie wszystkich reakcji chemicznych w odpowiednim miejscu i czasie komórki wykształciły różnego rodzaju mechanizmy. W skład komórek wchodzi niewiele rodzajów atomów, pierwiastki: C,H,N i O Ponadto: - złożoność molekularna - pobieranie i przekształcanie energii - autoregulacja - autoreplikacja - zbudowana z komórek i produktów wytwarzanych przez te komórki - wzrost i rozwój - rozmnażanie się - ruch (organizmy mogą się poruszać, a ich składowe komórki również są w ruchu) - reakcja na bodźce - ewolucja i adaptacja - metabolizm (przemiana materii i energii) Zasady molekularnej logiki życia Cząsteczki biologiczne:podstawowe pierwiastki, komplikacja budowy, wielorakość funkcji, zestawy supramolekularne 1) Podstawowe pierwiastki biologiczne Tlen (O), Węgiel (C ), Wodór (H) – są podstawowymi składnikami związków organicznych będącymi podstawą budowy wszelkich organizmów żywych - węglowodanów (cukrów), białek (protein) i kwasów nukleinowych (DNA i RNA) Azot (N) – stanowi składnik wszystkich białek, zasad azotowych oraz związków odpowiedzialnych za przenoszenie energii w organizmie (ATP, ADP) Fosfor (P) – ma wiele funkcji, między innymi jest składnikiem kwasów nukleinowych, ATP, ADP czy witamin Siarka (S) – składnik metioniny i cysteiny, tworzy enzymy oraz koenzymy i bierze udział w oddychaniu komórki UWAGA! Pierwiastkiem nie nazywamy pojedynczej cząsteczki, lecz całą ich sumę we Wszechświecie. 2) Reszta : P Mówiąc o cząsteczkach biologicznych na ogół ma się na myśli białka, węglowodany, lipidy oraz kwasy nukleinowe. Białka – są związkami wielocząsteczkowymi złożonymi z aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi. Białko zwierzęce buduje 20 aminokwasów. Dzielimy je na proste i złożone. Białka proste są złożone z samych aminokwasów. Natomiast złożone maja w sobie cząsteczki inne niż aminokwasy, np. metale. Białka mają przede wszystkim rolę budulcową, są składnikami każdego żyjącego organizmu. Innymi funkcjami są: energetyczna, transportowa (hemoglobina), odpornościowa (przeciwciała), wzmacniająca i uelastyczniająca (kolagen), a także enzymatyczna. Węglowodany – to po postu cukry, które pełnią funkcje energetyczną w organizmie. Składają się przede wszystkim z łańcucha węglowodorowego (jak wskazuje ich nazwa). Cukry dzielimy ze względu na budowę i ilość cząsteczek na proste (np. fruktoza czy glukoza) oraz złożone: dwucukry (np. sacharoza) i wielocukry (np. celuloza i skrobia). Lipidy – to cząsteczki biologiczne składające się z glicerolu i ‘przyczepionych’ do niego kwasów tłuszczowych. Tłuszcze zwierzęce są zbudowane z nasyconych . Są składnikiem energetycznym, który pozwala na utrzymanie stałej temperatury ciała (dostarcza energii cieplnej). Nadmiar lipidów odkłada się w tkance podskórnej (tłuszczowej) i stanowi barierę ochronną przed zimnem. Kwasy nukleinowe – ich jednostką podstawową jest nukleotyd, składający się z zasady azotowej (Adenina, Guanina, Cytozyna, Tymina), cukru (rybozy lub deoksyrybozy) oraz reszty kwasu fosforowego. Natomiast sama zasada azotowa, połączona z cukrem, tworzy tzw. Nukleozyd. W komórkach występują dwa rodzaje kwasów: DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) i RNA (kwas rybonukleinowy). W DNA jest informacja w formie genów. Zawiera ona "przepis' na wszystkie niezbędne dla organizmu białka. DNA budują dwa łańcuchy polinukleotydowe, które splatają się ze sobą tworząc podwójną helisę. Kwas rybonukleinowy uczestniczy głównie w procesie biosyntezy białka. W komórce spotykamy trzy jego rodzaje: mRNA, biorące udział w przekazywaniu informacji genetycznej z jądra do cytoplazmy, tRNA, który dostarcza odpowiednie aminokwasy do rybosomów oraz odczytuje poszczególne kodony w kwasie mRNA, oraz rRNA budujący obie podjednostki rybosomów. 3) Ważne pojęcia Dysocjacja – rozdzielanie się substancji w środowisku wodnym na jony Kohezja – zjawisko przyciągania się cząsteczek substancji Adhezja - łączenie się powierzchni dwóch różnych (stałych lub ciekłych) ciał (faz) na skutek przyciągania międzycząsteczkowego. Typy wiązań chemicznych – wiązania silne i wiązania słabe, ich rola w budowie cząsteczek i znaczenie dla oddziaływań między cząsteczkami, przykłady oddziaływań opartych na strukturalnych dopasowaniu cząsteczek. 1)wiązania silne - kowalencyjne 2)wiązania słabe - niekowalencyjne (są jedynie oddziaływaniami między atomami), jonowe 1 - WIĄZANIA KOWALENCYJNE (wspólna para)- tworzą stałe cząsteczki. np. tlen z tlenem, wodór z wodorem. ->atomy tlenu ma taką samą elektroujemność dlatego dzielą się jednym elektronem by uzyskać oktet. Z kolei wodór jest wyjątkiem, któremu wystaczr uzyskać 2 elektrony. Zatem wodór z jednym elektronem łączy się z drugim wodorem z jednym elektronem, tworząc cząsteczkę H2. jest to wiązanie NIESPOLARYZOWANE, ponieważ żaden z atomów nie przyciąga do siebie silnej drugiego atomów – równoważą się. Z kolei wiązania SPOLARYZOWANE są wtedy, gdy jeden atom ma większą elektroujemność od drugiego, dlatego przyciąga go do siebie. Wciąż jest to wiązanie kowalencyjne, ponieważ każdemu z atomów pasuje takie dzielenie się elektronami. Np H20, gdzie tlen ma większą elektroujemność i aby uzyskać oktet, przyciąga do siebie dwie cząsteczki wodoru, z czego każdej zabiera po elektronie. Wiązanie kowalencyjne jest podstawą związków organicznych. 2)- WIĄZANIE JONOWE (jeden ma za dużo, drugi ma za mało) - atom, który ma zbyt wiele elektronów, oddaje je atomowi, który ma ich zbyt mało. Ten, który oddał jest kationem(+), ten, który przyjął staje się anionem(-). np Na(+)Cl(-), Ca(2+)Cl2(-) 3) - WIĄZANIE NIEKOWALENCYJNE (tak naprawdę nie powinno być nazwane wiązaniem, ponieważ nie tworzą się dzięki niemu nowe cząsteczki. To takie oddziaływanie elektrostatyczne) + łączy się z - np h20 ROLA WIĄZAŃ: a) kowalencyjne - struktura białka 1-rzędowa (kolejność aminokwasów), bądź struktura DNA (kolejność nukleotydów) b) niekowalencyjne (wodorowe) - wyższe struktury białek - nietrwałe oddziaływania pozwalają na modyfikację białka. Wiązania wodorowe istnieją też pomiędzy zasadami azotowymi Dzięki wiązaniom kowalencyjnym spolaryzowanym powstają cząstkowe ładunki elektryczne, dzięki którym możliwe są oddziaływania między cząsteczkami. Każda wielka cząsteczka zawierająca grupy polarne ma typowy dla siebie wzór ułożenia cząstkowych ładunków dodatnich i ujemnych na jej powierzchni. Gdy taka cząsteczka napotka inną, z komplementarnym układem ładunków to dochodzi do wzajemnego przyciągania się obu cząsteczek poprzez słabe oddziaływanie jonowe, ale bardzo słabe. Jeśli wytworzy się w ten sposób dostatecznie dużo słabych wiązań niekowalencyjnych między powierzchniami styku dwóch cząsteczek, to następuje ich specyficzne łączenie się (niekowalencyjne). W ten sposób tworzone są białka. Podstawy chemicznej użyteczności węgla Prawie wszystkie cząsteczki w komórkach (oprócz wody) są związkami węgla. Cechą wyróżniającą węgiel spośród innych pierwiastków jest jego zdolność do tworzenia wielkich cząsteczek; daleko za nim drugie miejsce pod tym względem zajmuje krzem, pierwiastek mający taką samą konfigurację zewnętrznej powłoki. Atom węgla jest mały, na ostatniej powłoce ma 4 atomy i 4 wolne miejsca, może więc tworzyć 4 wiązania kowalencyjne z innymi atomami. Może również łączyć się z innymi atomami węgla wiązaniami kowalencyjnymi. tworzącą łańcuchy i pierścienie. Mało i wielkocząsteczkowe związki węgla, wytwarzane prze komórki, nazywa się cząsteczkami organicznymi, pozostałe związki w tym woda, nazywane są nieorganicznymi. Małe cząsteczki organiczne mogła pełnić w komórce różne role: mogą np. łączyć się w większe lub służyć jako źródło energii. Wszystkie cząsteczki organiczne syntetyzowane są z jednakowego zestawu bardzo prostych związków i ulegają rozpadowi dając podobny ich zestaw. Woda – właściwości cząsteczki i ich znaczenie dla organizacji i funkcjonowania komórki, pojęcie hydrofobowy i hydrofilowy Woda stanowi 70% masy komórek, a większość wewnątrzkomórkowych reakcji przebiega w środowisku wodnym. W każdej cząsteczce wody dwa atomy wodoru są kowalencyjnie związane z atomem tlenu. Wiązania te są silnie spolaryzowane, ponieważ tlen przyciąga elektrony znacznie silniej niż wodór. W rezultacie w cząsteczce wody elektrony są nierównomiernie rozmieszczone, co prowadzi do przesunięcia ładunku dodatniego na atomy wodoru, u ujemnego – na tlenu. Czyli tam gdzie siła przyciągania elektronów jest większa, tam jest ładunek ujemny. Kiedy dodatnio naładowany rejon H2O (jeden z atomów wodoru) przybliża się do ujemnie naładowanego rejonu (czyli atomu tlenu) drugiej cząsteczki, ich wzajemne przyciąganie się prowadzi do powstania słabego wiązania, wiązania wodorowego. Wiązania takie są bardzo słabe i ulegają łatwo zerwaniu przez przypadkowe ruchy termiczne pod wpływem energii cieplnej cząsteczek, przez co czas trwania każdego z nich jest bardzo krótki. Ale sumaryczne efekt wielu słabych wiązań nie jest mały. Każda cząsteczka wody może tworzyć wiązania wodorowe poprzez swoje dwa atomy H z dwiema innymi cząsteczkami, co prowadzi do powstania całej sieci, w której wiązania wodorowe stale ulegają zrywaniu i ponownemu tworzeniu. Tylko dzięki wiązaniom wodorowym łączącym poszczególne cząsteczki woda w temperaturze pokojowej nie jest gazem, lecz cieczą o wysokim punkcie wrzenia i dużym napięciu powierzchniowym. Bez wiązań wodorowych życie w takiej postaci jaką znamy, nie mogło by istnieć. Hydrofobowy – taki, który nie wchodzi w reakcję z wodą hydrofilowy – taki, który wchodzi w reakcje z wodą Komórka, a prawa termodynamiki: dostępne, użyteczne i nieużyteczne postaci energii, stan uporządkowania i nieuporządkowania Reakcje zachodzące w organizmach żywych, podobnie jak wszystkie inne reakcje chemiczne, podlegają zasadom termodynamiki, opisującym przepływ energii cieplnej i pracy. Według drugiej zasady termodynamiki całkowita wartość entropii (stopnia nieuporządkowania układu) wykazuje tendencję wzrostową w procesach zachodzących samorzutnie. Mimo że wyjątkowa złożoność komórek zdaje się przeczyć temu prawu, faktem jest, że wszystkie żywe organizmy są tak naprawdę układami otwartymi wymieniającymi nieustannie materię i energię z otoczeniem. Nie pozostają one wprawdzie w stanie równowagi termodynamicznej, są jednak systemami dyssypatywnymi( Są to dalekie od stanu równowagi stabilne stany stacjonarne, których powstaniu towarzyszy wzrost uporządkowania. Do utrzymania tych struktur (stanów) niezbędna jest ciągła nieodwracalna wymiana energii z otoczeniem), utrzymującymi stan wysokiej złożoności dzięki zwiększaniu entropii swego otoczenia. Jest to osiągane dzięki łączeniu spontanicznych (niewymagających doprowadzenia energii) reakcji katabolicznych z niespontanicznymi procesami anabolizmu. Druga zasada termodynamiki pozostaje spełniona, ponieważ wzrost stopnia uporządkowania wewnątrz organizmu, jest kompensowany obniżeniem stopnia uporządkowania w środowisku otaczającym organizm. Tym samym entropia całego układu stale wzrasta. Można powiedzieć, że metabolizm utrzymuje porządek tworząc nieporządek. Uporządkowanie struktur komórkowych i cząsteczek związków organicznych jest możliwe tylko dzięki stałemu dostarczaniu do komórki energii. Organizmy heterotroficzne mogą pozyskiwać energię jedynie ze związków organicznych, natomiast istnieją też organizmy autotroficzne (głownie rośliny), które wykorzystują energię słoneczną i zamieniają energię fal elektromagnetycznych na energię wiązań chemicznych. Jest też mała grupa organizmów chemoautotroficznych, które potrafią wykorzystywać energię z utleniania związków nieorganicznych powstałą w procesie zwanym chemosyntezą. Uwalniana w procesach katabolicznych energia przynajmniej w części jest przez komórkę wykorzystywana do przeprowadzania procesów anabolicznych. Energia musi być łatwo dostępna, a to gwarantuje jej magazynowanie w postaci związku o nazwie adenozynotrójfosforan (ATP). Związek ten pełni swą rolę we wszystkich rodzajach komórek. ATP jest uniwersalnym nośnikiem energii biologicznie użytecznej. ATP jest związkiem zbudowanym z: - adeniny (zasada azotowa), - rybozy (cukier prosty - pentoza) oraz - trzech reszt fosforanowych. Pomiędzy resztami fosforanowymi tworzą się wysokoenergetyczne wiązania. Oznacza to, że rozpad takiego wiązania wyzwala duże ilości energii i analogicznie, powstanie wiązania jest jednoznaczne ze zmagazynowaniem znacznej jej ilości. Metabolizm – poziomy regulacji, zasada działania i znaczenie enzymów, koordynacja działania enzymów, katabolizm i anabolizm, białka alleosteryczne Metabolizm – ogół przemian i reakcji biochemicznych, zachodzących w całym organizmie (w wyspecjalizowanych narządach i układach), a także w poszczególnych komórkach (m. komórkowy), niezbędnych do jego prawidłowego funkcjonowania, wzrostu i rozwoju. To całokształt przemian materii, prowadzących do syntezy złożonych związków organicznych z prostszych substratów organicznych lub nieorganicznych (anabolizm) ; oraz rozkładu substancji złożonych na związki prostsze, prowadząc do uzyskania energii zmagazynowanej w postaci wiązań chemicznych (katabolizm). Reakcje chemiczne są zorganizowane w szlaki metaboliczne, a substraty są przekształcane za pomocą enzymów. Owe szlaki można podzielić na dwie grupy: - reakcje egzoenergetyczne – przekształcają zw. chemiczne, wytwarzając tym samym energię biologicznie użyteczną ( przekształcają zw. organiczne w energię) [reakcje kataboliczne]; - reakcje endoenergetyczne – wymagają dostarczenia energii, by móc zachodzić, np. tworzenie glukozy, lipidów albo białek [reakcje anaboliczne]. Większość reakcji metabolicznych można zakwalifikować ze względu na rodzaj przenoszonej grupy funkcyjnej. Części metabolizmu wyspecjalizowane w przenoszeniu tych grup pomiędzy związkami to koenzymy (każdy przyporządkowany konkretnemu rodzajowi reakcji). Są one tworzone w komórce bez przerwy, są po jakimś czasie rozkładane i ponownie Użytkowane przez odpowiednie enzymy. Przykładem takiego koenzymu jest ATP. Procesy kataboliczne wszystkich organizmów mają na celu utworzenia potencjału redoks ( miara właściwości utleniających utleniacza lub redukujących reduktora w reakcjach redoks) pozwalającego na przenoszenie elektronów między zredukowanymi cząsteczkami. Można ten proces podzielić na trzy etapy: 1) cząsteczki substancji organicznych są trawione w układzie pokarmowym do mniejszych; 2) mniejsze cząstki są transportowane do komórek i rozkładane na jeszcze prostsze związki (najczęściej acetylo-CoA, czyli koenzym A związany z resztą acylową. Koenzym ten jest odpowiedzialny za przenoszenie grup acylowych) , uwalnia się energia; 3) w cyku Krebsa gr. acetylenowa jest utleniana do CO2, energia jest przenoszona na NADH (Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, pochodna wit. B2, koenzym, pełni funkcję akceptora wodoru) i GTP (Guanozyno-5'-trifosforan, rybonukleotyd purynowy, przenosi energię w komórce, powstaje w cyklu Krebsa) . NADH ulega utlenieniu w łańcuchu oddechowym, wyzwala energię, finalnie magazynowaną w ATP. Katabolizm węglowodanów - głównie rozkładanie ich na mniejsze cząsteczki. Są transportowane do komórek tuż po rozłożeniu na monosacharydy. W glikolizie, kolejnym etapie rozkładu glukozy, z cukrów powstaje kwas pirogronowy i energia, wiązana w ATP. Trawienie to także element procesów metabolicznych. Główne enzymy trawienne w organizmie to: - lipazy (rozkładają tłuszcze); - glikozydazy (depolimeryzują polisacharydy); proteazy (rozkładają białka). Poprzez hydrolizę odbywa się katabolizm tłuszczów, uwalniają się kwasy tłuszczowe (rozpadają się w procesie beta-oksydacji, wytwarza się acetylo-CoA) i glicerol (przechodzi glikolizę). U aminokwasów proces oksydacji zaczyna się od usunięcia gr. aminowej podczas transaminacji, co jest częścią cyklu ornitynowego. Kluczowym elementem wytwarzania energii dla komórki jest fosforylacja oksydacyjna, czyli proces, w którym elektrony pobrane z cząsteczek związków organicznych są przekazywane na tlen, a uwolniona energia pożytkowana na tworzenie ATP. Dzieje się to za sprawą białek zawartych w błonie mitochondriom, zwanych łańcuchem oddechowym. Białka te użytkują energię powstałą w czasie przemieszczania się cząsteczek zredukowanych na cząsteczkę tlenu, by transportować protony na przez wewnętrzną błonę komórkową. Takie przeniesienie protonów z macierzy mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej powoduje różnicę stężeń i potencjałów pomiędzy obiema stronami błony i generuje potencjał elektrochemiczny. Jednak protony mogą powracać do macierzy mitochondrialnej przez kanał jonowy enzymu – syntazy ATP. Przepływ dodatnich ładunków powoduje rotację osi enzymu, dlatego też centrum aktywne syntazy zmienia kształt i fosforyzuje ADP do ATP. Glukogenezą nazywa się syntezę glukozy ze związków takich, jak kwas pirogronowy, kwas mlekowy, glicerol, aldehyd 3-fosfoglicerynowy lub aminokwasy. Mnóstwo jest substancji, które mogą być znaczącym zagrożeniem dla organizmu (ksenobiotyki, np. narkotyki, naturalne trucizny, leki, antybiotyki), gdyż nie spełniają żadnych metabolicznych funkcji. Są one detoksyfikowane za pomocą specjalnych enzymów, działających trzyetapowo: najpierw utleniają ksenobiotyk, dołączanie do niego cząsteczki grup hydrofilowych, wydalenie z organizmu. Dużym problemem dla organizmu jest też stres oksydacyjny. Różne procesy, np. fosforylacja oksydacyjna, powodują powstawanie reaktywnych form tlenu. Te oksydany są neutralizowane przez przeciwutleniacze lub enzymy: katalazy i peroksydazy. Homeostaza – stan stałości warunków w organizmie. Ponieważ w organizmach zachodzą nieustanne zmiany, reakcje metaboliczne podlegają regulacji, by homeostaza była zachowana. Owa regulacja pozwala organizmom na interakcje ze środowiskiem. Podstawowym sposobem regulacji jest automatyczna odpowiedź na zmianę stężenia substratów. Regulacja zewnętrzna powoduje zmiany w metabolizmie komórki, przy użyciu sygnałów płynących z innej komórki (zazwyczaj te sygn. mają postać rozpuszczonych w wodzie substancji, np. hormonów i są odbierane przez konkretne receptory na powierzchni innej komórki). Metabolizm komórki podlega kontroli przez: - regulację ilości enzymów; - regulację katalitycznej aktywności enzymów; - przestrzenne udzielenie zachodzących reakcji. Regulacja ilości enzymów odbywa się także przez zmiany szybkości transkrypcji genów kodujących dane enzymy, natomiast ich aktywności – przez modyfikację kowalencyjną (odwracalna fosforylacja, mogąca zwiększać lub zmniejszać aktywność enzymu). Kontrola alleosteryczna polega na zmianie aktywności przez związki chemiczne, biorące udział w reakcjach, składających się na szlak metaboliczny. Podział komórki na wiele przedziałów izolowanych (tzw. kompartmentacja). Poszczególne kompartymenty są utworzone przez system błon białkowo–lipidowych (oddzielenie poszczególnych elementów komórki – jądra, mitochondriom etc.). Taki podział umożliwia kontrolę reakcji biochemicznych w najprostszy sposób – przez limitowanie dostępu substratów dla zachodzących we właściwych przedziałach komórki szlaków metabolicznych. Białka alleosteryczne to takie, które zbudowane jest z podjednostek, a jego przestrzenna budowa i zastosowanie są zmienne (zmieniają się po przyłączeniu efektora alleosterycznego: aktywatora lub inhibitora). Przykładem takiego białka jest hemoglobina. Białka te odgrywają kluczową rolę w kontroli, integracji i regulacji przemian molekularnych, zachodzących w komórkach organizmów. Enzymy alleosteryczne – złożone z podjednostek, każda ma jedno lub więcej miejsc aktywnych, kontrolują, najczęściej, pierwszą reakcję w szlakach lub cyklach biochemicznych. Są wrażliwe na małe zmiany stężenia substratu. Kontrolowane przez aktywatory i inhibitory. Inhibitor – zw. chemiczny powodujący zahamowanie lub spowolnienie reakcji chemicznej. Podstawy odtwarzania komórek, droga od genu do białka Gen- odcinek genomu przepisywany na cząsteczkę RNA; odcinek DNA zawierający przepis budowy jednego konkretnego białka. (*alternatywny splicing sprawia, że dany odcinek DNA może zawierać informację dotycząca kilku białek; istnieją także geny RNA) (str. 140 + ze slajdów dr H. Kmity) Egzony- odcinki kodujące (fragment kodujący DNA, będący nośnikiem informacji) (str. 141 + http://portalwiedzy.onet.pl/95047,,,,egzon,haslo.html... Plik z chomika: pszczolkaizulka Inne pliki z tego folderu: wprowadzenie do psychologii biologicznej opracowanie.doc (4463 KB) biologiczne podstawy zachowań opracowanie.doc (269 KB) historia myśli psychologicznej prof Ryszard Stachowski.docx (35 KB) filozofia pytania otwarte dr Andrzej Wiśniewski.doc (130 KB) psychologia społeczna cz1 dr Dariusz Rosiński.docx (22 KB) Inne foldery tego chomika: Dokumenty Galeria pedagogika Prywatne zachomikowane Zgłoś jeśli naruszono regulamin Strona główna Aktualności Kontakt Dział Pomocy Opinie Regulamin serwisu Polityka prywatności Copyright © 2012 Chomikuj.pl