Biofyzika buňky, biomembrány

Pojem život je vázán na existenci organismů se složitou strukturou. Hlavní projevy života: látková výměna, růst, pohyb a rozmnožování. Nejmenší jednotka živých systémů schopná samostatné existence a vykazující všechny základní znaky života: buňka. U mnohobuněčných organismů se buňky stejného druhu sdružují a vytvářejí tkáně a orgány určené pro výkon specifických funkcí. Téměř všechny vyšší organismy procházejí během svého vývoje jednobuněčným stadiem. Některé mnohobuněčné organismy mohou být rozděleny na menší části i na jednotlivé buňky, které mohou regenerovat a vytvořit celý organismus. Při rozdělení buňky již není možná regenerace, proto je buňka základní strukturní jednotkou.

Struktura buňky Buňka je oddělena od okolí plazmatickou membránou. Buňky se rozmnožují dělením, při kterém je předána novým buňkám kompletní genetická informace, nebo fúzí dvou či více buněk. Podle složitosti vnitřní struktury dělíme buňky na prokaryontní (jednodušší) a eukaryontní se složitější, organelovou vnitřní strukturou. Lidský organismus je složen z bilionů buněk různých tvarů a velikostí od několika mikrometrů až po několik decimetrů (nervové buňky).

Základní cytoplazma je nitrobuněčné prostředí potřebné pro existenci buňky jako celku i pro činnost buněčných organel. Je většinou v tekutém nebo gelovitém stavu. Skládá se hlavně z vody (70 – 85%), anorganických látek, organických sloučenin a biopolymerů. Většinou propouští světlo, jeví se jako bezbarvá. Mechanicky je pevná a pružná, pokud je v gelovém stavu. Viskozita je vyšší než u vody, závisí na typu buňky, teplotě i okolním prostředí. Hodnota pH je poměrně stálá a mírně kyselá (asi 6,8).

Všechny buňky obsahují jádro oddělené dvouvrstvou membránou a další jednoduché (ribozomy, lipozomy…) a složitější (endoplazmatické retikulum, Golgiho komplex…) struktury. Plazmatická membrána odděluje cytoplazmu od okolního prostředí a zajišťuje výměnu látek, energie a informace s okolím. Tloušťka membrány je asi 8 nm. Biologická membrána je v neustálém pohybu. Základem plazmatické membrány je dvojvrstva lipidů (fosfolipidy a cholesterol jako tmelicí materiál) obsahující různé typy bílkovin. Periferní bílkoviny jsou pevně spojeny s povrchem membrány, fungují většinou jako enzymy nebo receptory. Integrální bílkoviny prostupují dvojvrstvou, tvoří iontové kanály nebo mediátory pro aktivní přenos látek. Propustnost membrány závisí na množství pórů.

Většina buněčných organel má také membránový charakter Většina buněčných organel má také membránový charakter. Hlavně endoplazmatické retikulum se systémem kanálků, které slouží k transportu látek do různých částí buňky a Golgiho systém, který naopak pomocí kanálků odvádí látky z buňky ven. Další membránovou strukturou jsou mitochondrie, které produkují většinu buněčného ATP a ribozomy potřebné k syntéze bílkovin.

Z termodynamického hlediska je buňka otevřený systém, kde dochází k trvalé výměně látek, energie a informací s okolím. Plazmatická membrána umožňuje dosáhnout vyšší koncentraci některých látek uvnitř buňky. Plnohodnotná buňka obsahuje aparát k syntéze všech základních biopolymerů, tedy proteinů, DNA i RNA. Tím se liší např. od virů a bakteriofágů, které sice obsahují biologickou informaci, ale ne současně DNA a RNA a potřebují syntetický aparát hostitelské buňky.

Buněčný pohyb je jednak pohyb v prostředí, ve kterém se nachází a také pohyb vnitřních organel např. při buněčném dělení nebo růstu. Typické je např. zkrácení svalových buněk při pohybu. Podílejí se na něm bílkoviny aktin a myosin, který přeměňuje energii ATP v mechanickou sílu. Uvnitř buňky se při tvorbě energie k pohybu organel po mikrotubulech (něco jako cesty uvnitř buněk) podílejí bílkoviny kinesin a dynein.

Transportní mechanismy Transport látek uvnitř buněk i mezi buňkami je základem všech metabolických pochodů. Pasivní transport Aktivní transport

Pasivní transport Funguje na principu difuze a osmozy. Difuze je nerovnovážný termodynamický proces charakterizovaný 1. a 2. Fickovým zákonem, což jsou dvě diferenciální rovnice. Využijí se pro výpočet toku iontů přes membránu. Osmoza je přenos molekul rozpouštědla (obvykle voda) přes polopropustnou membránu dle koncentračního gradientu. Pasivní transport je spontánní izotermický proces, při kterém roste entropie (systém přechází do pravděpodobnějšího, měně uspořádaného stavu).

Komunikace přes biologickou membránu je umožněna hlavně přes bílkovinné kanály. Ty jsou selektivně propustné pro nízkomolekulární látky a jejich otvírání a zavírání řídí zvláštní mechanismy, často na principu změny elektrického napětí membrány nebo v důsledku chemické reakce nebo oběma způsoby současně. Možné je i pouhé mechanické natažení membrány a tím se otevře iontový kanál.

Aktivní transport Nerovnoměrné rozdělení látek v částech buňky a mezi buňkou a okolím je podmínkou správného fungování buněk. Tento stav homeostázy se snaží udržet dva mechanismy: selektivní propustnost membrán a zároveň mechanismy aktivního transportu. Aktivní transport se oproti pasivnímu uskutečňuje proti směru koncentračního spádu a vyžaduje energii z metabolických procesů v membráně. Při přenosu nabité částice přes elektricky polarizovanou membránu je třeba ještě přičíst práci proti elektrickému gradientu (při souhlasném směru obou gradientů).