wykład z biologii 25.11.07

anitka · Wysłany: Nie 17:11, 23 Gru 2007 Temat postu: wykład z biologii 25.11.07

Rodzaje komórek
Wielkość i kształt komórek związane są z funkcją, jaką pełnią. Niektóre, jak komórki pełzakowate (np. ameby) lub białe krwinki, mogą zmieniać swój kształt podczas poruszania się. Wydłużone wypustki komórek nerwowych pozwalają na przekazywanie sygnałów na duże odległości. Rodzaje: komórka jajowa i plemniki, ameba, komórki bakterii, komórka nerwowa, komórki nabłonka, komórka roślinna (parenchymatyczna).
Średnia wielkość komórki eukariotycznej to 10 – 100 μm. Większe są np. jaja i niektóre neurony.

Tkanki – to zespoły komórek pełniących wyspecjalizowane funkcje, które wytwarzają istotę międzykomórkową.
Narząd – kilka tkanek zajmujących wspólne terytorium i pełniących skoordynowane funkcje. Narząd składa się z zespołu komórek (i ich istoty międzykomórkowej), pełniących swoiste funkcje. Takie komórki noszą nazwę miąższu (albo parenchymy).
Tkanka, która podtrzymuje i odżywia komórki miąższowe nazywa się zrębem (stroma).
Zrąb większości tkanek jest zbudowany z tkanki łącznej właściwej, natomiast w grasicy jest nim tkanka nabłonkowa, a w ośrodkowym układzie nerwowym tkanka glejowa.
Organizacja komórek
Komórki – są podstawowymi jednostkami funkcjonalnymi.
Tkanki – są funkcjonalnymi zespołami komórek.
Tkanki proste – zbudowane są z takich samych komórek.
Tkanki złożone – to tkanki zbudowane z różnych komórek, z substancji pozakomórkowej i z różnych wytworów komórkowych.
Tkanki tworzą narządy i układy
Narząd – jest to anatomicznie oddzielona grupa komórek, najczęściej kilku typów, spełniająca specyficzną funkcję, np. serce, nerka.
Rozróżniamy cztery rodzaje tkanek:
nabłonkową, łączną, mięśniową i nerwową
Typy nabłonków pokrywających

Rodzaje nabłonków
1. Nabłonek jednowarstwowy płaski
Lokalizacja: pęcherzyki płucne, wyściółka naczyń krwionośnych.
Funkcje: przepuszczanie substancji, tam gdzie funkcja ochronna jest mało istotna lub zbędna i gdzie główną formą transportu jest dyfuzja.
Opis: komórki są płaskie i ułożone jednowarstwowo. (25μm)
2. Nabłonek jednowarstwowy sześcienny
Lokalizacja: wyściela komórki nerkowe i przewody gruczołów.
Funkcje: wydzielanie i wchłanianie.
Opis: Pojedyncza warstwa komórek, niektóre komórki posiadają mikrokomórki, które biorą udział w procesie wchłaniania. (25μm)
3. Tkanka łączna zwarta (zbita)
Lokalizacja: ścięgna, więzadła, skóra.
Funkcje: podpiera, przenosi siły.
Opis: włókna kolagenowe mogą być ułożone regularnie lub nieregularnie. (25μm)
4. Tkanka łączna wiotka (luźna)
Lokalizacja: wszędzie tam, gdzie konieczna jest sprężysta podpora (np. warstwa podskórna).
Funkcje: podpiera, magazynuje płyny i sole mineralne.
Opis: włókna produkowane przez komórki zwane fibroblastami otoczone są półpłynną istotą podstawową: w niej grupy różnorodnych komórek. (50μm)
5. Tkanka łączna sprężysta
Lokalizacja: struktury, które muszą być nie tylko rozciągliwe, ale i powracać do wyjściowych rozmiarów, tak jak tkanka płuc czy duże tętnice.
Funkcje: nadaje elastyczność.
Opis: rozgałęzione włókna elastyczne i nieregularne rozrzucone fibroblasty. (50μm)
6. Tkanka łączna tłuszczowa
Lokalizacja: warstwa podskórna: osłania niektóre narządy wewnętrzne.
Funkcje: magazynowanie tłuszczów, izolacja termiczna, podtrzymywanie takich narządów jak: gruczoły mleczne i nerki.
Opis: komórki tłuszczowe początkowo kształtu gwiaździstego gromadząc kropelki tłuszczu przybierają typowy kulisty kształt. (50μm)
7. Tkanka łączna siateczkowata
Lokalizacja: rusztowanie wątroby, węzłów limfatycznych, śledziony.
Funkcje: podpieranie.
Opis: przeplatające się siateczkowato włókienka. (50μm)
8. Tkanka chrzęstna
Lokalizacja: tworzy szkielet rekinów, płaszczek i niektórych innych kręgowców; u pozostałych w zakończeniach kości; pierścienie w ścianach dróg oddechowych, przegroda nosa, małżowina uszna.
Funkcje: nadaje elastyczność i zmniejsza tarcie między powierzchniami stawowymi.
Opis: komórki (chondrocyty), oddzielone od siebie substancją międzykomórkową znajdują się w jamkach. (50μm)
9. Tkanka kostna
Lokalizacja: tworzy szkielet większości kręgowców.
Funkcje: podtrzymywanie i ochrona narządów wewnętrznych, magazyn wapnia, miejsce przyczepu mięśni szkieletowych.
Opis: osteocyty znajdują się w jamkach kostnych, w istocie zbitej blaszki kostne ułożone są koncentrycznie wokół kanałów Haversa. (50μm)
10. Krew
Lokalizacja: w sercu i naczyniach krwionośnych.
Funkcje: transport tlenu, substancji odżywczych zbędnych produktów przemiany materii oraz innych substancji.
Opis: zawiera komórki zawieszone w płynnej substancji międzykomórkowej. (25μm)
Główne składniki krwi:
-krwinki czerwone (erytrocyty)
-krwinki białe (leukocyty)
-płytki krwi (trombocyty)
-osocze (plazma)
Zasadnicze typy komórek krwi:
• krwinki czerwone (erytrocyty) - te komórki nie posiadają jądra komórkowego, oraz licznych organelli komórkowych.
• płytki krwi (trombocyty) – są to fragmenty ich komórkowych prekursorów czyli megakariocytów. Odpowiadają za krzepnięcie krwi.
• krwinki białe (leukocyty) – odpowiadają za odpowiedź immunologiczną. Leukocyty dzielą się na: agranulocyty - w skład których wchodzą:
o limfocyty
o monocyty granulocyty - w skład których wchodzą:
o neutrofile
o eozynofile
o bazofile Magazynowanie tłuszczów w komórce tłuszczowej Gromadzące się w cytoplazmie kropelki tłuszczu stopniowo zlewają się tworząc ostatecznie wielką kroplę, która zajmuje znaczną część komórki. Cytoplazma i organelle komórkowe zepchnięte są na peryferie komórki.
Neurony to typowe komórki układu nerwowego
Funkcjonalną jednostką układu nerwowego jest neuron, czyli komórka nerwowa wyspecjalizowana w odbieraniu i przekazywaniu informacji. Czynność ta polega na przekazywaniu krótkich sygnałów elektrycznych zwanych impulsami nerwowymi.
Drugi typ komórek układu nerwowego to komórki glejowe. Ich funkcja polega między innymi na odżywianiu i osłanianiu komórek nerwowych.
Skóra, nasz wrażliwy naturalny płaszcz ochronny
-warstwa brodawkowa skóry, różowe wypustki formują nasze niepowtarzalne linie papilarne.

-gruczoły łojowe wydzielają mieszankę wosków i tłuszczów, stanowiącą ochronny wodno – tłuszczowy płaszcz skóry. Ta warstwa stanowi dodatkową wodoodporną ochronę przed zarazkami. Sprawia, że skóra jest miękka, ale jej nadmiar sprzyja powstawaniu pryszczy.

-gruczoły potowe wydzielają pot, złożony głównie z wody i soli nieorganicznych. Pocąc się człowiek schładza swój organizm. Pozbywa się też tą drogą niepotrzebnych związków chemicznych. Przeciętnie wydzielamy około półtora litra potu w ciągu doby. W warunkach ekstremalnych (podczas upału, dużego wysiłku fizycznego) ta ilość może wzrosnąć aż do 12 litrów.

Wytwory skóry:
łuski, pióra, włosy (m.in. rzęsy i brwi), paznokcie, pazury, rogi, kopyto.
Cellulit
Cellulit nie jest stanem chorobowym, ale normom czyli naturalnym sposobem gromadzenia tłuszczu w organizmie kobiety. Występuje prawie u 80% kobiet. U mężczyzn występuje rzadko.
Cellulit jest to przyrost komórek tłuszczowych – adipocytów – spowodowany przewagą syntezy kwasów tłuszczowych w stosunku do ich rozkładu czyli lipowy. Tłuszcz odłożony w skórze bioder i ud stanowi rezerwę energii wykorzystywaną podczas ciąży.
Do powstania „skórki pomarańczowej” najbardziej przyczyniają się żeńskie hormony – estrogen (ich wysoki poziom w stosunku do progesteronu). Estrogeny mają wpływ na elastyczność i na charakterystyczną dla kobiet strukturę tkanki łącznej.
U mężczyzn włókna kolagenu i elastyny układają się jak siateczka i mocno podtrzymują komórki tłuszczowe oraz naczynia krwionośne.
Natomiast u kobiet kolagen i elastyny układają się równolegle, dzięki temu tkanka łączna kobiet jest elastyczna i rozciągliwa (jest w stanie pomieścić dziecko w czasie ciąży), ale może spowodować że pozbijane w twarde grudki komórki tłuszczowe mogą się przesuwać między włóknami kolagenu i elastyny deformując tkankę łączną, która stopniowo twardnieje i traci elastyczność.
Rola układu limfatycznego w tworzeniu cellulitu
Krążąca po organizmie limfa zbiera substancje toksyczne i odprowadza je do węzłów chłonnych, skąd są transportowane do nerek i usuwane z organizmu. To, czy układ limfatyczny dobrze funkcjonuje, zależy od sprawności i elastyczności tkanki łącznej. Jeśli jest zbyt miękka i przepuszczalna, toksyny zamiast wędrować do węzłów chłonnych wnikają w inne tkanki np. gromadzą się w komórkach tłuszczowych. Dlatego sprawny układ limfatyczny pomaga w usuwaniu toksyn z komórek tłuszczowych (zapobiega powiększeniu się cellulitu).
Układ odpornościowy
Zadaniem układu odpornościowego jest rozpoznawanie i eliminowanie obcych organizmów. Odpowiedź immunologiczna powinna być szybka i ograniczona do obcych cząsteczek lub komórek. Nigdy nie powinna być ona skierowana przeciw własnym komórkom.
Główne komórki układu immunologicznego to: monocyty, makrofagi, limfocyty T (indukcyjne, wspomagające, supresyjne, cytotoksyczne), limfocyty B, komórki naturalnie cytotoksyczne – NK.
Optymalna odpowiedź immunologiczna
• wrodzona (szybka, nieswoista) występuje u wszystkich organizmów wielokomórkowych
• nabyta (swoista)
Limfocyty T i B
Limfocyty T dojrzewają w grasicy (thymus – stąd litera T w nazwie).
Limfocyty B powstają w szpiku kostnym u ssaków i u ptaków w tzw. torebce (bursa) Fabrycjusza (stąd litera B w nazwie). Dalsze procesy różnicowania mają miejsce w węzłach chłonnych (limfocyty T) i śledzionie (limfocyty B).

Limfocyty i odpowiedź immunologiczna
Limfocyty są kluczowymi składnikami reakcji odpornościowej. Dowód:
• zniszczenie (promieniowaniem) tkanki limfoidalnej myszy – po podaniu antygenu – brak reakcji
• wszczepieniu (nie napromieniowanych) limfocytów innej myszy z chowu wsobnego do napromienionego zwierzęcia – otrzymanie odpowiedzi immunologicznej.
Odpowiedź komórkowa i hormonalna
Wytworzenie przeciwciała w wyniku kontaktu limfocyta B z obcym antygenem (np. bakterią, wirusem, grzybem lub obcym białkiem) zwane jest humoralną odpowiedzią immunologiczną. Dochodzi do szybkiej proliferacji limfocytów B, które przekształcają się w komórki plazmatyczne i produkują wolne przeciwciała, które wiążą się z antygenem..
Odpowiedź komórkowa poszerza możliwości obronne organizmu. W tej odpowiedzi centralną rolę nie odgrywają przeciwciała ale same immunokompetentne komórki (różne subpopulacje limfocytów T). Ale warunkiem wystąpienia tej reakcji jest zetknięcie się układu immunologicznego z antygenem.
Antygen
Antygen – cząsteczka, która stymuluje układ odpornościowy i uruchamia odpowiedź immunologiczną, np. produkcję przeciwciał i/lub reakcję ze specyficznymi przeciwciałami (reakcja antygen – przeciwciało).
Reakcje antygenu z „pasującymi” do niego przeciwciałem nazywa się odpowiedzią immunologiczną.
Przeciwciało/a – białka z grupy gamma – globulin krwi występujące w płynach ustrojowych wszystkich kręgowców.
Antygeny mogą być: białkami, wielocukrami, albo mieć strukturę lipidową. Mogą mieć pochodzenie bakteryjne, roślinne albo wirusowe.
Prezentacja antygenu
 termin obejmujący mechanizmy odpornościowe, które polegają na „ukazaniu” antygenu limfocytom T przy udziale cząsteczek MHC (Major Histocompatibility Complex; głównego układu zgodności tkankowej). Jest to zespół białek, odpowiedzialnych za prezentacje antygenów limfocytom T. Swoją nazwę zawdzięczają temu, że zostały odkryte jako pierwsze i najważniejsze białka decydujące o utrzymaniu się lub odrzuceniu przeszczepu – odpowiadają za zgodność tkanek dawcy i biorcy. Tradycyjna nazwa: HLA (human leukocyte antigen).
 każda komórka ciała ma na powierzchni specyficzne białka (tzw. antygeny zgodności tkankowej), które są rozpoznawane przez układ odpornościowy. W normalnych warunkach nie tworzą się przeciwko nim przeciwciała ani uczulone limfocyty (tolerancja immunologiczna na własne antygeny). Brak tej cechy prowadzi do zniszczenia własnych tkanek (autoagresja).
• Autoantygeny – antygeny własne organizmu; nie powodują reakcji immunologicznej
• Alloantygeny – antygeny należące do osobników tego samego gatunku
• Heteroantygeny – antygeny należące do różnych gatunków
Przeciwciała
Rodzina białek obronnych syntetyzowanych przez nasze ciało po stymulacji antygenem. Głównym elementem budowy cząsteczki przeciwciała (immunoglobuliny) jest białko w kształcie litery Y, składające się z dwóch łańcuchów lekkich (łańcuchy L). Połączone są one w odpowiednich miejscach za pomocom mostków dwusiarczkowych. Przeciwciała wytwarzane są przez kręgowce jako obrona przed infekcją.

Przeciwciała bronią nas przed infekcją

Jak są normalnie pobudzane pomocnicze limfocyty T…
1. Najpierw komórka prezentująca antygen pochłania drobnoustrój, trawi a jego fragmenty prezentuje na swej powierzchni.
2. Limfocyt T ulega pobudzeniu, gdy jego receptor dla antygenu połączy się z prezentowanym antygenem i gdy do kompleksu antygenowego dołączy także cząsteczka CD4. Z kompleksem tym oddziałują także inne cząsteczki..
Apoptoza wywołana przez perforyny i granzymy wydzielane przez cytotoksyczne limfocyty.

Kiedy układ immunologiczny nas zawodzi
• Zły typ odpowiedzi (zakażenia bakteryjne)
• Choroby autoimmunologiczne (odpowiedź przeciwciał lub komórek efektorowych przeciwko własnym antygenom)
• Alergia (igE sierść, kurz, grzyby…)
• Przeszczepy
• Wrodzone niedobory immunologiczne
Choroby autoimmunologiczne (autoagresji)
Autoagresja - komórek polega na zaistnieniu odpowiedzi skierowanej przeciwko własnym, prawidłowym komórkom organizmu.
Autoimmunizacja – to wytworzenie przez organizm przeciwciał skierowanych przeciwko własnym komórkom, tkankom i niszczenie ich.
Spowodowane jest to błędami w uzyskaniu kompetencji przez limfocyty w narządach limfoidalnych. Przez barierę szpikową przechodzą limfocyty nie posiadające właściwych powierzchniowych markerów tożsamości – antygenów zgodności tkankowej (MHC). Efektem takiej dysfunkcji jest atakowanie własnych komórek, uznawanych przez układ odpornościowy za ciała obce.
…i jak umierają
3. Pobudzony limfocyt T proliferuje. Może więc eksponować na powierzchni dwie cząsteczki – Fas i ligand Fas.
4. Po kilku dniach cząsteczka Fas występująca na powierzchni pobudzonego limfocytu T staje się zdolna do wiązania własnego ligandu Fas lub występującego na powierzchni innego pobudzonego limfocytu. Ligand Fas, wiążąc się z białkiem Fas, poleca limfocytowi T uruchomić maszynerię śmierci w celu samozniszczenia.
W chorobach wywołanych autoagresją występuje ograniczenie apoptozy w limfocytach T. Żyją one dłużej niż powinny i indukują apoptozę w normalnych komórkach (są nadaktywnymi komórkami odpornościowymi).
Przykłady chorób autoimmunologicznych:
 bielactwo – komórki układu immunologicznego atakują i niszczą melanocyty w skórze
 stwardnienie rozsiane – demielinizacja włókien nerwowych – błędne rozpoznawanie osłonek mielinowych przez limfocyty jako obce tkanki
 wrzodziejące zapalenie jelita grubego – układ immunologiczny rozpoznaje śluzówkę jelita grubego jako obcą tkankę – choroba Crohna
 toczeń rumieniowaty – układ odpornościowy atakuje tkankę łączną – stan zapalny
 skleroderma (twardzina) – choroba zaliczana do kolagenoz (odmiana skórna i układowa)
 reumatoidalne zapalenie stawów – układ odpornościowy atakuje chrząstkę stawową.
Układ dokrewny
Większość hormonów wytwarzają gruczoły wydzielania wewnętrznego, zwane gruczołami dokrewnymi. Wydzielina tych gruczołów przedostaje się bezpośrednio do krwi, a następnie, wraz z krwią jest transportowana do narządów docelowych. Regulacja nerwowa odbywa się szybciej i jest raczej krótkotrwała, podczas gdy regulacja hormonalna jest wolniejsza i działa dłużej.
Hormony – są to substancje wytwarzane w organizmie przez gruczoły dokrewne (oraz przez niektóre inne narządy i tkanki), regulujące czynności narządów wewnętrznych.
Hormon – substancja wytwarzana w minimalnych ilościach w jednej części organizmu i przenoszona do innej, gdzie wywołuje określoną reakcję.
U roślin hormony są substancjami wzrostowymi. U zwierząt hormony wydzielane są przez gruczoły dokrewne do krwi, która transportuje je do miejsc przeznaczenia. Pobudzają lub hamują procesy biochemiczne zachodzące w tkankach.
Hormony nie są budulcem ani nie dostarczają energii. Hormony występują w organizmie w bardzo małym stężeniu, ale każde odchylenie od stanu pożądanego zakłóca równowagę i powoduje wystąpienie objawów chorobowych.
Mózg
Odpowiednie hormony trafiają pod właściwe adresy dzięki „pasującym” do nich receptorom znajdującym się na powierzchni komórek.
Hormony w organizmach żywych pełnią rolę regulacyjną, będąc ważnym mechanizmem homeostazy. Homeostaza to stałość środowiska wewnętrznego i jest warunkiem niezakłóconego funkcjonowania wszystkich narządów.
Ośrodek sterowania produkcją hormonów znajduje się w podwzgórzu mózgu, gdzie „komunikują się” ze sobą system nerwowy i system hormonalny.
Komunikat o zapotrzebowaniu poszczególnych narządów na odpowiednie hormony kierowany jest do przysadki mózgowej, która produkuje hormony sterujące – pobudzające lub hamujące aktywność gruczołów dokrewnych.
Organizm człowieka składa się z wielu systemów i narządów, których działanie musi być dostosowane do aktualnych potrzeb całego ustroju. Od sprawności ich funkcjonowania zależy nasze zdrowie.
Gruczoł dokrewny
Gruczoł dokrewny (wewnątrzwydzielniczy) – gruczoł produkujący hormony.
Produkt wytworzony w gruczole dokrewnym (hormon) dostaje się do krwi i jest transportowany przez naczynia krwionośne do tkanek i narządów. Jest więc wydzielany do wnętrza organizmu i w nim przejawia swoje działanie.
Najważniejszymi gruczołami wydzielania wewnętrznego są, obok przesadki, podwzgórze, szyszynka, tarczyca, przytarczyce, grasica, nadnercza, trzustka oraz męskie i żeńskie gruczoły płciowe.
Gruczoły dokrewne u człowieka
Podwzgórze
Hormony:
 wazopresyna (ADH, VP) – hormon antydiuretyczny – zatrzymuje wodę. W wyniku działania hormonu antydiuretycznego dochodzi do zmniejszenia diurezy (ilości produkowanego moczu) oraz wzrostu ciśnienia krwi.
 oksytocyna – stymuluje skurcze; pobudzenie skurczów mięśni gładkich macicy i wydzielania mleka.
 hormony sterujące czynnością przysadki – regulacja wydzielania hormonów przysadki.
Szyszynka
 melatonina – powoduje agregację ziaren barwnika melaniny; wpływa na ośrodki snu i czuwania (kontroluje biorytmy); współdziała w kontroli wczesnych etapów dojrzewania płciowego.
Przytarczyce
 parathormon (PTH) – podwyższa poziom wapnia we krwi, stymuluje rozkład tkanki kostnej, zwiększa resorpcję wapnia w nerkach, aktywuje witaminę D.
Przysadka mózgowa (nieparzysty gruczoł położony u podstawy mózgu)
 somatotropina (GH): pobudza wzrost organizmu, pośrednio wpływa na wzrost kości długich, wzmaga transport aminokwasów, przyczynia się do wzrostu poziomu glukozy we krwi, pobudza układ tłuszczów zapasowych, zatrzymuje jony wapnia i fosforanowe. Niedobór somatotropiny u dzieci powoduje karłowatość. Natomiast zbyt duże wydzielanie GH powoduje u dzieci gigantyzm, a u dorosłych akromegalię.
 prolaktyna (PRL) - (hormon laktotropowy) – zapoczątkowuje i podtrzymuje wydzielanie mleka.
 hormony tropowe:
 tyreotropina (TSH) – pobudza wydzielanie hormonów (tyroksyny) przez tarczycę.
 adrenokortykotropina (ACTH) – pobudza wydzielanie hormonów przez korę nadnerczy.
 folitropina (FSH) – folitropina kobiet pobudza wzrost i dojrzewanie pęcherzyka jajnikowego, a u mężczyzn pobudza spermatogenezę.
 lutropina (LH) – powoduje jajeczkowanie; pobudza wydzielanie testosteronu przez komórki śródmiąższowe jąder.
 lipotropina – pobudza rozkład tłuszczów zapasowych
Trzustka
 glukagon – podwyższenie poziomu cukru we krwi.
 insulina – obniża stężenie glukozy (cukru) we krwi, przyspieszając jej pobieranie i „spalanie” w komórkach, zwiększa syntezę białek i tłuszczów. Względny lub bezwzględny niedobór insuliny jest przyczyną zaburzeń gospodarki węglowodanowo – lipidowej z cukrzycą włącznie, zaś jej niedobór jest przyczyną hipoglikemii.
 somatostatyna – hamuje wydzielanie hormonów jelitowo – żołądkowych oraz hamuje działanie gastryny, cholecystokininy i insuliny na gruczoły trawienne.
Jądra
 androgeny (testosteron) – pobudzają rozwój zewnętrznych narządów płciowych męskich; determinuje męską sylwetkę oraz owłosienie i zachowanie typu męskiego.
Jajniki
 estrogeny (estradiol) – rozwój cech płodowych, popęd płciowy, regulacja cykli menstruacyjnych.
 progesteron – stymuluje rozwój błony śluzowej macicy.
Pojedyncze komórki tworzące tkanki nie mogą jednocześnie realizować procesów anabolicznych i katabolicznych, dlatego w organizmach zwierząt i ludzi występują specjalne hormony, które sterują tymi procesami poprzez „przełączanie” komórek w tryb anaboliczny lub kataboliczny, za pomocą interakcji ze specjalnymi receptorami znajdującymi się na powierzchni ich błon komórkowych.
Do hormonów anabolicznych (nasilających procesy biosyntezy) należą:
• hormon wzrostu
• insulina
• testosteron
• estrogeny
Do hormonów katabolicznych (stymulujących procesy degradacji) należą:
• kortyzol (glikokortykoidy)
• glukagon
• adrenalina
• cytokiny
Metabolizm – to ogół różnorodnych reakcji biochemicznych i związanych z nimi przemian energetycznych zachodzących w komórkach organizmu.
Organizmy żywe do prowadzenia procesów metabolicznych potrzebują energii. Każdą żywą komórkę można traktować jako precyzyjną fabrykę chemiczną, do której trzeba dowozić surowce, dostarczać energie i wywozić z niej odpady. Komórka – na podobieństwo zakładu przemysłowego – musi być zaopatrywana w substraty reakcji metabolicznych, móc odprowadzać produkty końcowe i mieć duży zasób energii.
Wszystkie organizmy na Ziemi można podzielić na dwie grupy:
autotrofy, czyli organizmy samożywne (zdolne do wykorzystania dwutlenku węgla do budowy związku organicznego w procesie fotosyntezy).
heterotrofy, czyli organizmy cudzożywne (zdobywające energię w wyniku rozkładu złożonych substancji organicznych.
Szlak metaboliczny – to seria reakcji metabolicznych następujących po sobie w określonej kolejności. Każda z tych reakcji dostarcza produktów wykorzystywanych w toku następnej reakcji.
Przemiana materii jest jednym z istotnych kryteriów odróżniających świat żywy (życie) od przyrody nieożywionej.
Dwa główne kierunki metabolizmu, zazwyczaj pozostające z sobą w dynamicznej równowadze:
• anabolizm – to reakcje syntez związków złożonych z prostszych, wymagające dostarczenia energii do ich przebiegu (endoergiczne). Dostarczana energia zostaje zmagazynowana w postaci wiązań chemicznych. Przykłady: biosynteza białek, polisacharydów, kwasów nukleinowych, lipidów, chemosynteza, fotosynteza, wiązanie azotu atmosferycznego itd.
• katabolizm – to ogół reakcji chemicznych metabolizmu prowadzący do rozpadu złożonych związków chemicznych na prostsze cząsteczki. Reakcja egzoenergetyczna, uwalniająca energię. Przykłady: oddychanie i trawienie. Różną się formą uwalniania energii. W oddychaniu część energii jest wiązana w ATP, reszta jest rozproszona jako energia cieplna. W trawieniu całą energia ulega rozproszeniu.
Zmiany poziomu energetycznego w procesie metabolizmu
U organizmów zdolnych do fotosyntezy źródłem energii do procesów anabolicznych jest energia świetlna, która zostaje zamieniona na energię wiązań chemicznych w związkach organicznych.
W przypadku organizmów cudzożywnych energia konieczna do reakcji anabolicznych pochodzi z utlenienia związków organicznych w procesie oddychania, przy czym związki te muszą być dostarczane do organizmu jako pokarm.
W rozwoju osobniczym obserwuje się zmianę w proporcji między procesami anabolizmu i katabolizmu. W rozwoju zarodkowym i pozazarodkowym okresie wzrostu przeważa anabolizm. Później reakcje anabolizmu i katabolizmu ulegają zrównoważeniu, a w końcowej fazie życia dominuje katabolizm.
Procesy anaboliczne – prowadzą do tworzenia i wzrostu organów i tkanek, są więc związane z ogólnym wzrostem masy i rozmiarów ciała. Typowymi przykładami tego rodzaju procesów jest wzrost siły i masy mięśni, rozrost szkieletu, rośnięcie włosów i paznokci.
Procesy kataboliczne – mogą powodować zmniejszenie się rozmiarów i masy tkanek i organów. W procesach tych białko tworzące te tkanki jest rozkładane do aminokwasów, które mogą być spożytkowane przez organizm do ich celów.
Reakcje chemiczne wymagające dopływu energii powiązane są z tymi, które tę energię dostarczają. Procesy te mają miejsce w różnych partiach komórki. Energia uwalniana podczas jednego procesu musi zostać przetransportowana do miejsca gdzie zachodzi proces energochłonny. Nośnikami tej energii są związki wysokoenergetyczne, takie jak ATP czy NAD.
ADP, ATP i reakcje pomiędzy nimi
ADP – adenozynodifosforan - związek organiczny, który przyłączając grupę fosforanową tworzy cząsteczkę ATP.
ADP + Pi = ATP
ATP - adenozynotrifosforan – uniwersalny akumulator i przenośnik energii. Jest nukleotydem złożonym z adeniny, rybozy i trzech reszt fosforanowych. ATP jest odpowiedzialny za gromadzenie energii uwalnianej w czasie oddychania komórkowego.
ATP + H2O = ADP + Pi (hydroliza wiązania bezwodnikowego).
Uniwersalny przenośnik energii – ATP
• Fosforyzacja oksydacyjna – proces tworzenia cząsteczek ATP z ADP w obecności tlenu podczas oddychania komórkowego.
• ATP jest formą komunikacji energii chemicznej w obrębie komórki, skupionej w wysokoenergetycznych wiązaniach i przeznaczonej do szybkiego wykorzystania.
• Jeśli ATP jest używany w komórce (defosforylacja ATP do ADP), to musi istnieć proces odwrotny powodujący jego powstanie, czyli fosforyzacja ADP do ATP.

W komórce ustala się równowaga między fosforylacją ADP i defosforylacja ATP

Cząsteczka NAD+ jest dwunukleotydem nikotynamido – adeninowy, który umożliwia prawidłowe działanie różnego typu enzymów. Jest jednym z najważniejszych koenzymów, będących akceptorem wodoru w oddychaniu komórkowym (w metabolicznym procesie odpowiedzialnym za dostarczanie komórce energii).
Cząsteczka NAD+ wiąże jeden proton i dwa elektrony. Miejscem ich działania jest amid kwasu nikotynowego. Drugi proton zostaje w środku reakcji. Zredukowany NAD+ (NADH) przekazuje proton i elektron na mitochondrialny łańcuch oddechowy, gdzie poprzez wiele ogniw pośrednich są one przekazywane na tlen, tworząc cząsteczkę wody. Procesowi temu towarzyszy powstanie energii magazynowanej w postaci ATP.
Cytofizjologia komórki
Wszystkie procesy życiowe w komórce – synteza białek i innych substancji, rozmnażanie i ruch wymagają nieustannej dostawy energii. Energia ta jest uzyskiwana z działania wielu umieszczonych w cytoplazmie central energetycznych zwanych mitochondriami (u zwierząt i roślin) oraz chloroplastami (tylko u roślin). Chloroplast to jedna centrala energetyczna, w której rośliny zielone mogą przy syntezie skrobi przekształcać energię promieniowania słonecznego w ukrytą energię chemiczną. Za pomocą energii słonecznej właśnie w chloroplastach dwutlenek węgla i woda wiążą się tworząc glukozę, a w mitochondriach przy oddychaniu glukoza znowu się rozkłada na dwutlenek węgla i wodę wyzwalając przy tym energię (gromadzoną w ATP).
Fotosynteza - przebiega w zielonych liściach roślin
Fotosynteza (photos – światło, synthesis – składanie) – jest procesem polegającym na redukcji CO2 wodorem z H2O lub H2S prowadzącym do powstania związku organicznego – cukru prostego, prostego wykorzystaniem energii świetlnej słońca oraz przy udziale barwników asymilacyjnych i enzymów.
FOTOSYNTEZA – ASYMILACJA WĘGLA zbliżony proces wytwarzania związków organicznych z dwutlenku węgla i wody kosztem energii świetlnej.
Wytworzone w wyniku fotosyntezy związki organiczne i tlen stanowią pokarm i źródło energii dla człowieka i zwierząt.
Fotosynteza przebiega wg ogólnej reakcji 6CO2 + 6H2O + energia świetlna = C6H12O6 + 6O2 fotosyntezę mogą przeprowadzać rośliny zielone zawierające CHLOROFIL, a także bakterie zawierające BAKTERIOCHLOROFIL.
1.To właśnie w chloroplastach zachodzi fotosynteza, czyli proces podczas którego substancje nieorganiczne takie jak dwutlenek węgla, woda i sole mineralne zostają przekształcone w substancje organiczne przy udziale energii świetlnej wychwytywanej przez chlorofil. Produktem ubocznym fotosyntezy jest tlen. Pierwsza faza fotosyntezy zwana fazą jasną zachodzi w granach.
2.Druga faza, tzw. faza ciemna zachodzi w stromie.
Fotosynteza – u eukariontów przebiega w chloroplastach (umieszczonych w mezofilu, czyli wewnętrznej parenchymatycznej tkance liścia). Przebieg fotosyntezy zależy od wielu czynników, największe znaczenie mają światło, temperatura i woda.
Faza fotosyntezy niezależna od światła

• Niezależnie od światła reakcje fotosyntetyczne, nazwane zostały cyklem Calvina. Reakcje przebiegają cyklicznie:1. karboksylacja, 2. redukcja, 3. regeneracja i prowadzą do powstania zysku organicznego w postaci cukru – triody kosztem węgla nieorganicznego. W każdych sześciu obrotach cyklu sześć cząsteczek CO2 zostaje przekształconych w jedną cząsteczkę sześciowęglowego cukru, takiego jak glukoza.
Triozy powstające w chloroplastach stanowią źródło syntez heksoz, a następnie disacharydów (np. sacharozy) i polisacharydów (skrobia, celuloza). Są też substratem do budowy aminokwasów i białek, oraz kwasów tłuszczowych i innych związków organicznych. Trioza jest pierwotnym produktem fotosyntezy. Wszystkie związki organiczne tworzone z trioz są wtórnymi produktami fotosyntezy.
Inną formą syntezy jest chomeosynteza. Jest to proces zdobywania energii bez obecności chlorofilu, w którym samożywne organizmy wykorzystują energię uzyskaną z utleniania zredukowanych substancji nieorganicznych np. H2S, S, NH3. Przykładem są bakterie chemosyntetyzujące, przystosowane do życia w temperaturze około 200ºC. Żyją w gorących źródłach dna oceanu. Wykorzystują energię utleniania siarkowodoru zamiast energii słonecznej.
Chemosyntezę przeprowadzają również bakterie nitryfikacyjne, wodorowe, siarkowe, żelaziste, metanowe i inne. Dzięki istnieniu tych bakterii zachodzi krążenie pierwiastków w przyrodzie (np. azotu i siarki).
Oddychanie komórkowe
Oddychanie komórkowe – jest to biologiczne utlenianie związków organicznych do dwutlenku węgla i wody.
Glikoliza – pierwszy etap oddychania, odbywający się bez udziału tlenu w cytoplazmie komórki, w którym glukoza ulega przemianie w kwas pirogronowy. Proces ten kontrolowany jest przez kompleks enzymów i koenzymów. W jego toku uwalniana jest energia gromadzona w ATP.

Oddychanie tlenowe
Cztery etapy oddychania komórkowego:
1. Glikoliza – sześciowęglowa cząsteczka glukozy jest przekształcana w dwie trójwęglowe cząsteczki pirogronianu oraz zostają utworzone ATP i NADH.
2. Tworzenie acetylo-CoA – proces zachodzi w mitochondriach. Pirogroniam jest utleniany do dwuwęglowej cząsteczki octanu, który łączy się z koenzymem A, tworząc acetylo-CoA. Utworzony zostaje dwutlenek węgla i NADH.
3. Cykl kwasu cytrynowego. Cykl Krebsa – odbywa się w mitochondriach w obecności tlenu. Octan z acetylo-CoA łączy się z czterowęglową cząsteczką szczawiooctanu, tworząc sześciowęglowa cząsteczkę cytrynianu. Z cytrynianu odtwarzany jest szczawiooctanu, w wyniku czego tworzą się dwutlenek węgla, ATP oraz zredukowane wysokoenergetyczne związki NADH i FADH2.
4. System transportu elektronów i chemiosmoza – atomy wodoru (i ich elektrony) uwolnione z glukozy w poprzednich etapach są przenoszone na łańcuch akceptorów elektronów. Wraz z transportem elektronów z jednego akceptora na drugi, jony wodorowe są przepompowywane przez błonę wewnętrzną mitochondrium, tworząc gradient stężeń protonów. W procesie chemiosmozy gradient stężenia protonów stanowi źródło energii dla tworzenia ATP.
Oddychanie tlenowe jest wielostopniowym procesem redoks, w którym wodór jest przenoszony z glukozy na tlen. Glukoza jest utleniana, a tlen ulega redukcji. C6H12O6 + 6O2 + 6H2O – 6CO2 + 12H2O + energia (ATP)
Katabolizm węglowodanów białek i tłuszczów
Etap 1 odbywa się na zewnątrz komórki, chociaż lizosomy mogą rozkładać duże cząsteczki wewnątrz komórki
Etap 2 zachodzi w cytozolu (glikoliza)
Etap 3 zachodzi w mitochondrium
Białka rozkładane są do aminokwasów a te z kolei do mocznika. Węglowodany są przekształcane w metabolity, takie jak pirogronian – (I etap oddychania tlenowego) – produkty końcowe – CO2 i woda. Tłuszcze są rozkładane do glicerolu i kwasów tłuszczowych.
Wszystkie enzymy są białkami produkowanymi przez żywe komórki.
Centrum aktywne enzymu to miejsce w cząsteczce enzymu, do którego przyłączana jest cząsteczka substratu.
• Inhibicja kompetycyjna – inhibicja polega na konkurencji pomiędzy substratem i inhibitorem o cząsteczkę enzymu.
• Inhibicja niekompetycyjna – inhibicja polegająca na stałym połączeniu inhibitora z enzymem, uniemożliwiająca przyłączenie cząsteczki substratu.
Klasy enzymów

Hydrolazy – enzymy katalizujące rozkład złożonych związków organicznych do prostszych z wykorzystaniem wody jako substratu (hydro – woda, liza – rozkład). Należą do nich enzymy trawienne.
Oksydoreduktazy – enzymy katalizujące procesy utleniania i redukcji. Występują w postaci utlenionej i zredukowanej (enzymy biorące udział w fotosyntezie i oddychaniu).
Transferazy – enzymy katalizujące przenoszenie grup, karboksylowych, amonowych i innych z substratu na inny związek.
Ligazy – enzymy katalizujące tworzenie wiązań: C-O, C-N, C-C z jednoczesnym rozszczepieniem ATP, np. enzymy aktywujące aminokwasy.
Izomerazy – grupa enzymów katalizujących reakcje polegające na zmianie uporządkowania atomów w obrębie cząsteczki.
Najgroźniejsze skutki dla komórki mogą spowodować enzymy rozkładające białka (ryzyko lizy białek cytoplazmy i jądra) dlatego są izolowane w obszarze komórki błonami lizosomalnymi. Poza obszar komórki są wydzielone w formie nieaktywnych proenzymów.
Enzymy trawienne przewodu pokarmowego
Enzymy, które produkowane są przez żołądek, trzustkę i komórki jelita cienkiego, cienkiego następnie wydzielane do światła przewodu pokarmowego.
Ich obecność umożliwia rozłożenie skomplikowanych cząsteczek znajdujących się w pokarmie (np. białek i lipidów) do prostych cząsteczek (np. aminokwasów, kwasów tłuszczowych i glicerolu), które mogą zostać wchłonięte przez jelita i wykorzystane do potrzeb organizmu.
• Enzymy trawiące węglowodany - amylaza, maltaza, laktaza, sacharoza.
• Enzymy trawiące białka – pepsyna, trypsyna, chymotrypsyna, peptydazy: aminopeptydazy, dwupeptydazy.
• Enzymy trawiące tłuszcze – lipazy, fosfolipazy.
• Enzymy trawiące kwasy nukleinowe – nukleazy.
amylaza – enzym, który katalizuje hydrolizę węglowodanów (skrobia), do cukrów prostych.
podpuszczka – enzym, który koaguluje mleko. Jest wydzielana przez gruczoły żołądka.
pepsyna – enzym katalizujący hydrolizę białek do polipeptydów w środowisku kwaśnym. Jest wydzielana przez żołądek.
maltaza – enzym katalizujący hydrolizę maltozy do dwóch cząsteczek glukozy.
laktaza – enzym katalizujący hydrolizę dwucukru laktozy do glukozy i galaktozy.

lipaza – enzym katalizujący hydrolizę tłuszczów do kwasów tłuszczowych i glicerolu. Jest wydzielana przez trzustkę.
chymotrypsyna – enzym katalizujący rozkład białek na aminokwasy. Jest wydzielana przez trzustkę.
gastryna – hormon stymulujący wydzielanie kwasu solnego i pepsyny w żołądku.
trypsyna – enzym katalizujący hydrolizę białek do polipeptydów i aminokwasów. Jest wydzielana przez trzustkę.
Zaburzenia metaboliczne
Niemal wszystkie procesy biochemiczne zachodzące u człowieka są katalizowane przez enzymy. Zmienność aktywności enzymatycznej jest częsta wśród ludzi i niektóre z powstałych w ten sposób wariantów enzymatycznych mogą powodować choroby.
• Cukrzyca – to wywołanie różnymi przyczynami schorzenie metaboliczne, charakteryzujące się przewlekłym podwyższonym stężeniem glukozy we krwi (hiperglikemią). Przyczyną choroby jest defekt wydzielania i/lub działania insuliny.
• Alkaptonuria
• Fenyloketonuria
• Mukopolisacharydoza
Fenyloketonuria, genetycznie uwarunkowany niedobór enzymu (hydroksyfazy fenyloalaniny) uniemożliwiający przemianę fenyloalaniny w tyrozynę (aminokwasy). Gromadzona we krwi nadmierna ilość fenyloalaniny i produktów jej rozpadu prowadzi do uszkodzenia mózgu (konsekwencja – upośledzenie umysłowe).
Alkaptonuria – rzadkie schorzenie (choroba genetyczna), w którym pośredni produkt metabolizmu fenyloalaniny i tyrozyny jest wydalany w ogromnej ilości z moczem, powodując jego ciemniejsze zabarwienie.
Mukopolisacharydoza - rzadka choroba dziedziczna, której przyczyną jest wada metabolizmu polegająca na gromadzeniu się w organizmie mukopolisacharydów z powodu braku lub wadliwej funkcji enzymu (lub enzymów) powodujących ich rozpad. Mukopolisacharydy są częścią składową tkanki łącznej i składają się z łańcuchów cząsteczek cukrów. Gromadzenie się (odkładanie się) cukrów w lizosomach powoduje rozszerzanie się pozostałych składowych komórek, co powoduje uszkodzenie komórek i narządów ciała i prowadzi do wyniszczenia organizmu dziecka.
Cukrzyca
Insulina to główny hormon anaboliczny, niezbędny do prawidłowego metabolizmu węglowodanów, tłuszczów i białek. Całkowity brak insuliny może prowadzić do kwasicy ketonowej i śpiączki. Nie leczone to powikłania są śmiertelne.
Przewlekłe powikłania cukrzycy obejmują uszkodzenie, dysfunkcję i niewydolność różnych narządów: retinopatie, neuropatię i neuropatię. Osoby z cukrzycą są również obciążone zwiększonym ryzykiem choroby wiecowej oraz miażdżycy tętnic obwodowych i mózgowych.
Ostre powikłania cukrzycy

• Kwasica ketonowa jest niebezpiecznym powikłaniem i stanem bezpośrednio zagrażającym życiu. Brak insuliny powoduje rozkładanie tłuszczów i związanego z nim powstawania ciał ketonowych, które przechodzą do krwi i moczu chorego.
• Nieketonowy stan hiperosmolaeny lub kwasica hiperosmotyczna – występuje stosunkowo rzadko, dotyczy zwykle starszych osób chorujących na cukrzycę typu 2. Wysokie stężenie glukozy we krwi powoduje osmotyczną utratę wody z komórek i dalej utratę wody wydalanej z glukozą w moczu. Jeśli braki płynów nie są uzupełnione, prowadzi to do skrajnego odwodnienia i braku równowagi elektrolitowej.
• Hipoglikemia – zbyt niskie stężenie glukozy we krwi; grozi chorym leczącym się insuliną lub doustnymi środkami zwiększającymi wydzielanie insuliny. Zwykle pojawia się po przyjęciu niewłaściwej dawki leku, nie przyjmowaniu pokarmów lub nie strawieniu posiłku, wraz z którym lek był przyjmowany, a także po wysiłku fizycznym, którego nie zrekompensowano odpowiednią dawką glukozy w jedzeniu lub zmniejszeniem dawki leku.
Przewlekłe powikłania cukrzycy
Wieloletnia cukrzyca prowadzi do wielu groźnych powikłań, które dotyczą wielu narządów. Przyczyną powstania powikłań są uszkodzenia naczyń krwionośnych: mikroangiopatia, dotycząca drobnych naczyń i naczyń włosowych oraz makroangiopatia prowadząca do zmian miażdżycowych naczyń o średniej i dłużej średnicy.
• Mikroangiopatia powoduje uszkodzenia:
 Oczu – zmiany naczyń siatkówki czyli retinopatia cukrzycowa, zaćma, zmiany dotyczące naczyniówki. Najpoważniejszym efektem uszkodzenia narządu wzroku jest ślepota.
 Nerek – neuropatia cukrzycowa, czyli uszkodzenie funkcji nerek prowadzące do ich niewydolności (konieczność leczenia dializami lub przeszczepem).
 Włókien nerwowych – neuropatie: polineuropatia cukrzycowa o charakterystycznych objawach „rękawiczkowych” i „skarpetkowych” (zaburzenia czucia, uczucie drętwienia, bólu lub parzenia dłoni i stóp).
 Zespołu stopy cukrzycowej – zaburzeń ukrwienia i unerwienia stopy, mogących prowadzić do owrzodzeń i deformacji stopy, infekcji a w konsekwencji do martwicy i konieczności mniejszych lub większych amputacji.
Homeostaza – warunek zdrowia
Homeostaza jest niezbędnym warunkiem zdrowia, czyli prawidłowego funkcjonowania organizmu. Zaburzenia mechanizmów homeostazy prowadzą do chorób.
Homeostaza – utrzymywanie stałych warunków wewnątrz organizmu, pozwalających na najbardziej sprawne funkcjonowanie komórek, pomimo zmian, które zachodzą w zewnętrznym środowisku organizmu> zasadniczo sprowadza się to do równowagi płynów wewnątrz- i zewnątrz- komórkowych. Pojęcie homeostazy wprowadził żyjący w XIX wieku Claude Bernard.
Sposoby kontroli składu płynów wewnątrz- i zewnątrz-
komórkowych
Utrzymanie wewnętrznej równowagi wymaga regulowania lub kontrolowania wartości najważniejszych parametrów wewnętrznego środowiska organizmu. Należą do nich głównie:
• Temperatura (u organizmów stałocieplnych)
• pH krwi i płynów ustrojowych
• obojętność płynów ustrojowych (stan nawodnienia organizmu)
• stężenie związków chemicznych w płynach ustrojowych (np. glukozy w osoczu)
• ciśnienie tętnicze krwi
• ciśnienie parcjalne tlenu i dwutlenku węgla we krwi.
Witaminy
Termin wprowadzony w 1912 roku przez polskiego biochemika Kazimierza Funka, który po raz pierwszy wyizolował rozpuszczalny w wodzie związek zapobiegający rozwojowi choroby beri-beri (niedobór witaminy z grupy B). Do grupy witamin zaliczamy 13 rodzajów związków, które w naturalny sposób dzielą się na dwie grupy.
Do pierwszej zaliczano A i D, K i E rozpuszczalne w tłuszczach.
Do drugiej grupy włączono związki rozpuszczalne w wodzie: witamina C i tzw. kompleks B: tiamina, ryboflawina, niacyna, kwas pantotenowy, pirydoksyna, biotyna, kwas foliowy i cyjanokobalamina.