Dr hab. n. o zdr. Anna Maria Badowska-Kozakiewicz

– od 2009 roku adiunkt w Zakładzie Biofizyki i Fizjologii Człowieka Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego, od 2019 roku adiunkt w Zakładzie Profilaktyki Onkologicznej Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego. Autorka publikacji naukowych w zakresie diagnostyki patomorfologicznej nowotworów, promotor 6 prac licencjackich, 11 prac magisterskich. Pełni funkcję promotora w 2 przewodach doktorskich oraz recenzenta w czasopismach o zasię-gu międzynarodowym i krajowym. Autorka 2 rozdziałów w podręczniku dla studentów Wydziałów Nauki o Zdrowiu i Fizjoterapii Kurs fizjologii doświadczalnej, WUM 2011. Autorka rozdziałów w monografiach międzynarodowych: A Bird’s Eye View of Veterinary Medicine, Intech Open Access Publisher 2012, oraz Insights from Veterinary MedicineIntech, Open Access Publisher 2013. Redaktor naukowa monografii Patofizjologia człowieka, Wydawnictwo Lekarskie PZWL 2013. Współautorka rozdziału w monografii międzynarodowej Breast Cancer and Surgery, Londyn, InTech Open 2018. W ramach działalności naukowej pro-wadzi badania dotyczące znaczenia markerów nowotworowych w diagnostyce klinicznej. Oprócz działalności naukowej spełnia się także jako dydaktyk, prowadząc wykłady, seminaria i ćwiczenia z fizjologii człowieka i patofizjologii. Prowadzi również zajęcia fakultatywne z zakresu biologii komórki nowotworowej oraz profilaktyki onkologicznej dla studentów I i II Wydziału Lekarskiego WUM. Jest opiekunem naukowym Studenckiego Koła Naukowego Biologii Komórki Nowotworowej.

© Copyright by PZWL Wydawnictwo Lekarskie, Warszawa 2019

Wszystkie prawa zastrzeżone.

Przedruk i reprodukcja w jakiejkolwiek postaci całości bądź części książki bez pisemnej zgody wydawcy są zabronione.

Wydawca Jolanta Jedlińska

Redaktor prowadzący Beata Bednarczuk

Redaktor merytoryczny: Barbara Kowalska

Korekta: Ewa Jaworska, Krzysztof Nalepa

Producent: Anna Paziewska

Projekt okładki i stron tytułowych: Małgorzata Smogorzewska

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Weronika Panecka / Woblink

ISBN 978-83-200-5916-8

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2019 r., (wyd. I)

Warszawa 2019

PZWL Wydawnictwo Lekarskie

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 695-43-21

www.pzwl.pl

AUTORZY

Dr hab. n. o zdr. Anna Maria Badowska-Kozakiewicz

Zakład Profilaktyki Onkologicznej

Wydział Nauki o Zdrowiu

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Iwona Boniecka

Zakład Dietetyki Klinicznej

Wydział Nauki o Zdrowiu

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Lek. Michał Piotr Budzik

Zakład Profilaktyki Onkologicznej

Wydział Nauki o Zdrowiu

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Tomasz Chomiuk

III Klinika Chorób Wewnętrznych i Kardiologii

II Wydział Lekarski z Oddziałem Nauczania w Języku Angielskim oraz Oddziałem Fizjoterapii

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Prof. dr hab. n. med. Agnieszka Cudnoch-Jędrzejewska

Zakład Fizjologii Doświadczalnej i Klinicznej

I Wydział Lekarski

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr hab. n. med.Ewa Dmoch-Gajzlerska, prof. WUM

Zakład Dydaktyki Ginekologiczno-Położniczej

Wydział Nauki o Zdrowiu

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Wioletta Dyrla

Katedra i Klinika Kardiologii, Nadciśnienia Tętniczego i Chorób Wewnętrznych

II Wydział Lekarski z Oddziałem Nauczania w Języku Angielskim oraz Oddziałem Fizjoterapii

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Anna Jeznach-Steinhagen

Zakład Dietetyki Klinicznej

Wydział Nauki o Zdrowiu

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Prof. dr hab. n. med.Roman Junik

Klinika Endokrynologii i Diabetologii

Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu

Lek. Dominika Klimczak-Tomaniak

Zakład Niewydolności Serca i Rehabilitacji Kardiologicznej

II Wydział Lekarski z Oddziałem Nauczania w Języku Angielskim oraz Oddziałem Fizjoterapii

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Prof. dr hab. n. med. Hanna Krauss

Katedra i Zakład Fizjologii

Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

Lek. Katarzyna Krzyżewska

Klinika Endokrynologii i Diabetologii

Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu

Prof. dr hab. n. med. Marek Kuch

Katedra i Klinika Kardiologii, Nadciśnienia Tętniczego i Chorób Wewnętrznych

II Wydział Lekarski z Oddziałem Nauczania w Języku Angielskim oraz Oddziałem Fizjoterapii

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Justyna Kupsz

Katedra i Zakład Fizjologii

Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

Prof. dr hab. n. o k. f. Maria Laurentowska

Zakład Fizjologii

Akademia Wychowania Fizycznego im. Eugeniusza Piaseckiego w Poznaniu

Lek. Anna Liszcz

Szpital Grochowski im. dr. med. Rafała Masztaka w Warszawie

Prof. dr hab. n. med. Artur Mamcarz

III Klinika Chorób Wewnętrznych i Kardiologii

II Wydział Lekarski z Oddziałem Nauczania w Języku Angielskim oraz Oddziałem Fizjoterapii

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. o k. f. Edyta Michalak

Zakład Fizjologii

Wydział Wychowania Fizycznego, Sportu i Rehabilitacji

Akademia Wychowania Fizycznego im. Eugeniusza Piaseckiego w Poznaniu

Lek. Grzegorz Niemczyk

Katedra i Zakład Fizjologii Doświadczalnej i Klinicznej

I Wydział Lekarski

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Klinika Urologii Ogólnej, Onkologicznej i Czynnościowej

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Longin Niemczyk

Katedra i Klinika Nefrologii, Dializoterapii i Chorób Wewnętrznych

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Prof. dr hab. n. med. Andrzej Pawlik

Katedra i Zakład Fizjologii

Wydział Lekarski z Oddziałem Nauczania w Języku Angielskim

Pomorski Uniwersytet Medyczny w Szczecinie

Dr hab. n. med. Jacek Piątek

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. Prezydenta Stanisława Wojciechowskiego w Kaliszu

Dr n. med. Katarzyna Romanowska-Próchnicka

Katedra i Zakład Patologii Ogólnej i Doświadczalnej

II Wydział Lekarski z Oddziałem Nauczania w Języku Angielskim oraz Oddziałem Fizjoterapii

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr hab. n. med. Sylwia Słuczanowska-Głąbowska, prof. PUM

Katedra i Zakład Fizjologii

Wydział Lekarski z Oddziałem Nauczania w Języku Angielskim

Pomorski Uniwersytet Medyczny w Szczecinie

Dr n. med. Aleksandra Stangret

Katedra i Zakład Patologii Ogólnej i Doświadczalnej

II Wydział Lekarski z Oddziałem Nauczania w Języku Angielskim oraz Oddziałem Fizjoterapii

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Marzena Staniszewska

Katedra i Zakład Fizjologii

Pomorski Uniwersytet Medyczny w Szczecinie

Dr n. med. Grzegorz Szewczyk

Katedra i Zakład Patologii Ogólnej i Doświadczalnej

II Wydział Lekarski z Oddziałem Nauczania w Języku Angielskim oraz Oddziałem Fizjoterapii

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr hab. n. farm. Danuta Szkutnik-Fiedler

Katedra i Zakład Farmacji Klinicznej i Biofarmacji

Uniwersytet Medyczny im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu

Dr hab. n. o zdr. Dorota Szostak-Węgierek

Zakład Dietetyki Klinicznej

Wydział Nauki o Zdrowiu

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Prof. dr hab. n. med.Dariusz Szukiewicz

Katedra i Zakład Patologii Ogólnej i Doświadczalnej

II Wydział Lekarski z Oddziałem Nauczania w Języku Angielskim oraz Oddziałem Fizjoterapii

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Mateusz Wątroba

Katedra i Zakład Patologii Ogólnej i Doświadczalnej

II Wydział Lekarski z Oddziałem Nauczania w Języku Angielskim oraz Oddziałem Fizjoterapii

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Marcin Wełnicki

III Klinika Chorób Wewnętrznych i Kardiologii

II Wydział Lekarski z Oddziałem Nauczania w Języku Angielskim oraz Oddziałem Fizjoterapii

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Piotr Wojdasiewicz

Katedra i Zakład Patologii Ogólnej i Doświadczalnej

II Wydział Lekarski z Oddziałem Nauczania w Języku Angielskim oraz Oddziałem Fizjoterapii

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Agnieszka Wsół

Zakład Fizjologii Doświadczalnej i Klinicznej

Laboratorium Zakładu Fizjologii Doświadczalnej i Klinicznej

Centrum Badań Przedklinicznych

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr n. med. Wioletta Wydra

Katedra i Klinika Kardiologii, Nadciśnienia Tętniczego i Chorób Wewnętrznych

II Wydział Lekarski z Oddziałem Nauczania w Języku Angielskim oraz Oddziałem Fizjoterapii

Warszawski Uniwersytet Medyczny

W tym miejscu chciałabym podziękować wszystkim Autorom, którzy przyczynili się do powstania publikacji „Fizjologia człowieka w zarysie. Zintegrowane podejście”, za przekazanie Czytelnikom wiedzy i doświadczenia.

* * *

Chcę także podziękować Panu Prof. dr hab. n. med. Jackowi Przybylskiemu za cenne uwagi i wskazówki, jakich nam udzielił w trakcie pracy nad książką.

* * *

Pragnę również podziękować Pani Marcie Fudalej i Pani Alekandrze Sobiborowicz, Współautorkom rycin w rozdziałach „Podstawy molekularnej organizacji komórki”, „Podstawy czynności komórki nerwowej”, „Fizjologia krwi i hemostazy” i „Neuroanatomia układu nocyceptywnego”.

Redaktor naukowy

Dr hab. n. o zdr. Anna M. Badowska-Kozakiewicz

PRZEDMOWA

Fizjologia człowieka to nauka zajmująca się procesami życiowymi organizmu ludzkiego – zarówno prawidłowym funkcjonowaniem organizmu, jak i sposobami przywracania właściwego działania organizmu, gdy zostanie ono zaburzone.

Fizjologia obejmuje wiele dziedzin nauki, takich jak fizyka, chemia, biologia, genetyka, a także cytologia, histologia, anatomia, biofizyka i biochemia. Stanowi podstawę nauk klinicznych i jest określana jako pomost pomiędzy biologią a medycyną.

Fizjologię można podzielić m.in. na fizjologię ogólną, kliniczną, porównawczą, zwierząt, roślin, człowieka, bakterii i patologiczną.

„Fizjologia człowieka w zarysie. Zintegrowane podejście” to nowoczesny podręcznik akademicki, który został napisany z myślą o studentach takich kierunków, jak: ratownictwo medyczne, pielęgniarstwo, położnictwo, zdrowie publiczne, dietetyka i fizjoterapia, jak również o studentach uczelni rolniczych i technicznych oraz uniwersyteckich wydziałów biologicznych. Umożliwi Czytelnikom poznanie podstawowych czynności ludzkiego organizmu oraz mechanizmów i praw regulujących jego funkcjonowanie, tak aby zrozumieli całość procesów zachodzących w ciele zdrowego człowieka. Szczególny nacisk położono na poznanie i zrozumienie wzajemnych powiązań pomiędzy poszczególnymi układami i narządami, ponieważ ich zintegrowane i prawidłowe działanie jest warunkiem zdrowia.

Książka jest podzielona na dwie części, a każda część na rozdziały, opracowane z uwzględnieniem najnowszych osiągnięć nauki.

Część pierwsza – „Fizjologia ogólna” – zawiera trzynaście rozdziałów traktujących o współdziałaniu narządów i układów w celu zachowania homeotazy wewnątrzustrojowej. Omówiono w nich ponadto: podstawy molekularnej organizacji komórki (co stanowi wstęp do poznania związków pomiędzy budową a funkcją poszczególnych narządów i układów organizmu), czynność komórki nerwowej i mięśni szkieletowych, fizjologię receptorów, czucie i percepcję, fizjologiczne mechanizmy zdobywania i unikania, a także podstawy neurobiologii i zagadnienia dotyczące wydzielania wewnętrznego.

Część druga – „Fizjologia szczegółowa” – zawiera piętnaście rozdziałów, w których zostały omówione mechanizmy fizjologiczne w obrębie poszczególnych narządów i układów.

W publikacji przedstawiono informacje niezbędne dla studentów wymienionych wcześniej kierunków. Autorzy celowo zrezygnowali z nadmiernego uszczegółowiania zagadnień, kierując uwagę Czytelnika na te aspekty fizjologii, które będą przydatne w dalszej edukacji z zakresu nauk klinicznych. Zagadnienia teoretyczne dotyczące mechanizmów fizjologicznych w organizmie człowieka są przedstawione w książce w taki sposób, aby stanowiły doskonały wstęp do nauk klinicznych, a zwłaszcza do tych przedmiotów, które są ważne dla studentów z punktu widzenia wykonywania przyszłego 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.

Redaktor naukowy

Dr hab. n. o zdr. Anna M. Badowska-Kozakiewicz

oraz Autorzy

Spis treści

Autorzy

Przedmowa

CZĘŚĆ I. FIZJOLOGIA OGÓLNA

1. Podstawy molekularnej organizacji komórki

1.1. Błona komórkowa

1.2. Jądro komórkowe jako magazyn informacji o komórce

1.2.1. Jąderko

1.3. Cytoplazma

1.4. Mitochondria jako centra energetyczne

1.5. Cytoszkielet

1.6. Peroksysomy

1.7. Siateczka śródplazmatyczna gładka i szorstka

1.8. Aparat Golgiego

1.9. Rybosomy

1.10. Lizosomy

1.11. Proteasomy

1.12. Transport błonowy

1.12.1. Transport bierny

1.12.2. Transport aktywny

1.12.3. Fagocytoza i pinocytoza

1.13. Cykl komórkowy

1.14. Apoptoza i nekroza komórki

1.15. Wzajemne oddziaływania komórek i połączenia między komórkami

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

2. Podstawy czynności komórki nerwowej

2.1. Komórka nerwowa – budowa i funkcje

2.2. Komórki glejowe

2.3. Potencjał elektryczny w neuronach, rola kanałów i pomp jonowych, potencjał spoczynkowy i czynnościowy

2.4. Przewodzenie impulsów we włóknach nerwowych

2.5. Synapsy elektryczne i chemiczne

2.6. Synteza i transport oraz magazynowanie i uwalnianie przekaźników synaptycznych

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

3. Fizjologia mięśni szkieletowych

3.1. Typy tkanki mięśniowej

3.2. Budowa mięśnia poprzecznie prążkowanego szkieletowego

3.3. Cykl skurczu mięśnia

3.4. Metabolizm energetyczny mięśni szkieletowych

3.5. Zmęczenie mięśni

3.6. Klasyfikacje komórek mięśni szkieletowych

3.7. Skurcz mięśni szkieletowych

3.8. Regulacja siły skurczu

3.9. Unerwienie ruchowe mięśni szkieletowych

3.9.1. Struktura złącza nerwowo-mięśniowego

3.10. Zastosowanie elektromiografii do badania czynności mięśni

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

4. Fizjologia receptorów

4.1. Bodźce i receptory

4.2. Kodowanie informacji w receptorach

4.3. Receptory komórkowe

4.4. Receptory zmysłowe

4.5. Czucie powierzchowne (eksteroceptywne) – receptory skóry

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

5. Czucie i percepcja

5.1. Organizacja czynnościowa ośrodkowego układu nerwowego

5.2. Przekazywanie informacji czuciowej

5.3. Podział czucia

5.3.1. Czucie eksteroceptywne

Czucie dotyku i ucisku

Czucie temperatury

Czucie bólu

5.3.2. Czucie proprioceptywne

5.3.3. Czucie interoceptywne

5.3.4. Czucie teleceptywne

Węch

Wzrok

Słuch

5.4. Podział czynnościowy kory mózgowej

5.4.1. Kora somatosensoryczna (czuciowa)

5.4.2. Kora somatomotoryczna (ruchowa)

5.4.3. Kora wzrokowa

5.4.4. Kora słuchowa

5.4.5. Kora smakowa i węchowa

5.4.6. Czynność bioelektryczna mózgu

5.4.7. Czynność magnetyczna mózgu

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

6. Ruchy i postawa ciała

6.1. Funkcja mięśni

6.2. Elementy układu nerwowego

6.3. Informacja zwrotna

6.3.1. Wrzecionka nerwowo-mięśniowe

6.3.2. Narządy ścięgniste Golgiego

6.4. Rola rdzenia kręgowego

6.4.1. Odruchy rdzeniowe

6.4.2. Odruch na rozciąganie

6.4.3. Odwrócony odruch na rozciąganie

6.4.4. Odruch cofania (zginania)

6.4.5. Koordynacja czynności lokomocyjnych

6.4.6. Przerwanie ciągłości rdzenia kręgowego

6.5. Rola ośrodków wyższych

6.5.1. Pień mózgu

6.5.2. Kora mózgowa

6.5.3. Pierwszorzędowe pole ruchowe (M1)

6.5.4. Drugorzędowe pole ruchowe

6.5.5. Pierwotna kora czuciowa (S1)

6.5.6. Dodatkowe pole czuciowo-ruchowe

6.5.7. Droga korowo-rdzeniowa

6.5.8. Układ podkorowy

6.5.9. Móżdżek

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

7. Fizjologiczny mechanizm zdobywania i unikania

7.1. Mechanizmy zdobywania i unikania

7.2. Dążenie i unikanie – definicja emocji

7.3. Popędy a funkcje podwzgórza

7.3.1. Inne ośrodki podwzgórzowe

7.4. Wewnętrzne połączenia układu limbicznego

7.5. Tworzenie pamięci długotrwałej

7.6. Obszary asocjacyjne (kojarzeniowe) kory mózgu

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

8. Fizjologia mózgowia a środowisko wewnętrzne. Autonomiczny układ nerwowy i mięśnie gładkie

8.1. Fizjologia mięśni gładkich

8.1.1. Podział czynnościowy mięśni gładkich

8.1.2. Cechy charakterystyczne budowy komórek mięśni gładkich

8.1.3. Pobudliwość mięśni gładkich

8.2. Sprzężenie elektromechaniczne

8.2.1. Regulacja stężenia wapnia (Ca2+) w komórkach mięśni gładkich

8.2.2. Podstawy molekularne skurczu

8.2.3. Regulacja aktywności skurczowej

8.3. Fizjologia mózgowia a środowisko wewnętrzne

8.3.1. Metabolizm tkanki nerwowej

8.3.2. Przenoszenie informacji w mózgowiu

8.3.3. Modulacja procesów wewnątrzkomórkowych w neuronach

8.4. Neurosekrecja

8.4.1. Krążenie płynu mózgowo-rdzeniowego

8.4.2. Czynność gleju

8.5. Autonomiczny układ nerwowy

8.5.1. Neurotransmitery układu autonomicznego

8.5.2. Receptory układu autonomicznego

8.5.3. Wpływ układu autonomicznego na narządy i tkanki

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

9. Wydzielanie wewnętrzne

9.1. Biologiczne działanie hormonów

9.2. Układ podwzgórze – przysadka – gruczoł docelowy

9.2.1. Oś podwzgórze – przysadka – tarczyca

9.2.2. Oś podwzgórze – przysadka – nadnercza

9.2.3. Oś podwzgórze – przysadka – gonady

9.2.4. Inne hormony przedniego płata przysadki

9.2.5. Hormony tylnego płata przysadki

9.3. Funkcja endokrynna trzustki

9.4. Gospodarka wapniowo--fosforanowa

9.5. Regulacja hormonalna łaknienia

9.6. Podsumowanie

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

10. Fizjologia krwi i hemostazy

10.1. Skład i funkcje osocza

10.2. Elementy morfotyczne krwi

10.2.1. Erytrocyty

Szlak erytropoezy

Układ grupowy AB0

Układ grupowy Rhesus (Rh)

10.2.2. Leukocyty

10.2.3. Płytki krwi

10.3. Hemostaza

10.4. Chłonka

10.5. Narządy krwiotwórcze

10.5.1. Szpik kostny

10.5.2. Grasica

10.5.3. Węzły chłonne

10.5.4. Tkanka limfatyczna błon śluzowych

10.5.5. Śledziona

10.6. Odporność immunologiczna

10.6.1. Odporność immunologiczna typu humoralnego i komórkowego

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

11. Rytmy biologiczne

11.1. Podział rytmów biologicznych

11.1.1. Rytmy ultradialne

11.1.2. Rytmy infradialne

11.2. Budowa zegara biologicznego

11.3. Koordynacja z siatkówką

11.4. Koordynacja z szyszynką

11.5. Sen

11.5.1. Charakterystyka snu

11.5.2. Fizjologiczne zmiany podczas snu

11.5.3. Model dwuczynnikowy regulacji snu

11.5.4. Fazy snu

11.5.5. Metody zapisu

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

CZĘŚĆ II. FIZJOLOGIA SZCZEGÓŁOWA

12. Fizjologia układu krwionośnego

12.1. Podstawy funkcjonowania układu krwionośnego – anatomia serca

12.2. Krążenie krwi – krwiobieg duży i mały

12.3. Budowa naczyń krwionośnych

12.4. Transport gazów oddechowych

12.4.1. Transport tlenu

12.4.2. Transport dwutlenku węgla

12.4.3. Specyfika transportu gazów oddechowych w krążeniu płodu

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

13. Fizjologia serca. CZĘŚĆ I

13.1. Fizjologia miocytów i przestrzeni pozamiocytarnej mięśnia sercowego

13.2. Mechanizm skurczu mięśnia sercowego

13.3. Układ przewodzący serca

13.4. Metabolizm i zapotrzebowanie energetyczne mięśnia sercowego

13.5. Czynność mechaniczna i hemodynamiczna serca.Fazy cyklu sercowego

13.6. Zjawiska akustyczne towarzyszące czynności serca – tony serca

13.6.1. Uderzenie koniuszkowe

13.7. Fizjologia krążenia wieńcowego

13.8. Nerwowa i humoralna regulacja czynności serca

13.9. Metody obrazowania struktur serca i wewnątrzsercowych przepływów

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

14. Fizjologia serca. CZĘŚĆ II

14.1. Elektrokardiografia

14.1.1. Zasady wykonywania rejestracji EKG

Zasady umiejscowienia elektrod

Niestandardowe odprowadzenia EKG

14.1.2. Parametry i struktura zapisu EKG

14.1.3. Ocena zapisu EKG

14.1.4. Ocena rytmu serca

14.1.5. Ocena osi elektrycznej serca

14.1.6. Ocena morfologii i czasu trwania odcinków

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

15. Fizjologia krążenia krwi, przepływ krwi w niektórych obszarach naczyniowychi regulacja ciśnienia tętniczego krwi

15.1. Zasady krążenia krwi

15.1.1. Podstawy hemodynamiki. Właściwości biofizyczne naczyń krwionośnych

15.2. Ciśnienie tętnicze. Czynniki wpływające na wartość ciśnienia tętniczego. Tętno i fala tętna

15.2.1. Metody pomiaru ciśnienia tętniczego

15.3. Krótko- i długoterminowa regulacja ciśnienia tętniczego

15.3.1. Ośrodkowa regulacja krążenia

15.3.2. Odruchowa regulacja układu krążenia

15.3.3. Długoterminowa regulacja ciśnienia tętniczego – mechanizmy neurohumoralne

15.4. Miejscowa i humoralna regulacja przepływu krwi

15.5. Rola śródbłonka w regulacji światła naczyń

15.6. Mikrokrążenie

15.6.1. Budowa mikrokrążenia

15.6.2. Wymiana substancji w naczyniach włosowatych pomiędzy krwią a płynem tkankowym. Równowaga Starlinga

15.7. Regulacja krążenia w poszczególnych narządach

15.7.1. Regulacja krążenia wieńcowego

15.7.2. Regulacja przepływu mózgowego

15.7.3. Regulacja krążenia płucnego

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

16. Fizjologia oddychania

16.1. Biologiczne podstawy czynności układu oddechowego

16.2. Homeostaza tlenowa

16.3. Funkcje układu oddechowego

16.4. Drogi oddechowe

16.5. Mechanika oddychania

16.5.1. Cykl oddechowy

16.5.2. Mięśnie oddechowe

16.5.3. Jama opłucnej

16.5.4. Opory oddechowe

16.5.5. Podatność płuc

16.6. Spirometria. Pojemności i objętości płuc

16.7. Krążenie płucne

16.8. Wentylacja a perfuzja płuc

16.9. Wymiana gazowa w płucach

16.10. Transport gazów oddechowych we krwi

16.10.1. Tlen

16.10.2. Dwutlenek węgla

16.11. Regulacja oddychania

16.11.1. Neurogeneza rytmu oddechowego

Regulacja chemiczna

16.11.2. Odruchy z receptorów płucnych

Odruch z mechanoreceptorów wolno adaptujących się (SAR)

Odruch z mechanoreceptorów szybko adaptujących się (RAR)

Odruch z receptorów okołokapilarnych typu J

Odruch z receptorów C

16.12. Fonacja

16.13. Nurkowanie

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

17. Układ trawienny

17.1. Budowa i motoryka przewodu pokarmowego i dróg żółciowych

17.1.1. Budowa ścian przewodu pokarmowego

17.1.2. Motoryka przewodu pokarmowego i dróg żółciowych – informacje ogólne

17.2. Motoryka przełyku – połykanie

17.2.1. Regulacja motoryki przełyku

17.3. Motoryka żołądka

17.3.1. Regulacja motoryki żołądka

17.3.2. Wymioty

17.4. Motoryka jelita cienkiego

17.4.1. Regulacja motoryki jelita cienkiego

17.5. Motoryka jelita grubego

17.5.1. Regulacja motoryki jelita grubego

17.5.2. Wydalenie kału

17.6. Wydzielanie w przewodzie pokarmowym

17.6.1. Wydzielanie śliny

17.6.2. Wydzielanie żołądkowe

Skład soku żołądkowego

17.6.3. Regulacja wydzielania żołądkowego

17.6.4. Wydzielanie trzustkowe

17.6.5. Wydzielanie w jelicie cienkim

17.6.6. Wydzielanie w jelicie grubym

Formowanie kału

17.6.7. Budowa i funkcje wątroby

17.7. Trawienie i wchłanianie

17.7.1. Trawienie i wchłanianie białek

17.7.2. Trawienie i wchłanianie związków lipidowych

Triglicerydy

Sole kwasów żółciowych

Fosfolipidy

Sterole

17.7.3. Trawienie i wchłanianie węglowodanów

17.8. Przyswajanie mikroskładników

17.8.1. Wapń

17.8.2. Fosfor

17.8.3. Magnez

17.8.4. Żelazo

17.8.5. Kobalamina (witamina B12)

17.9. Neurohormonalna regulacja przyjmowania pokarmu

17.10. Rola układu nagrody w przyjmowaniu pokarmu

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

18. Regulacja gospodarki wodno-elektrolitowej organizmu

18.1. Objętość i skład przestrzeni wodnych

18.1.1. Bilans wodny organizmu

18.2. Regulacja objętości krwi i płynu zewnątrzkomórkowego

18.3. Regulacja bilansu elektrolitowego organizmu

18.3.1. Regulacja bilansu sodowego

18.3.2. Regulacja bilansu potasowego

18.3.3. Regulacja bilansu wapniowego i fosforanowego

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

19. Termoregulacja organizmu człowieka

19.1. Prawidłowa temperatura ciała, temperatura wewnętrzna organizmu i temperatura skóry

19.2. Termoreceptory i termodetektory

19.3. Równowaga cieplna

19.4. Wytwarzanie ciepła – termogeneza

19.5. Utrata ciepła – termoliza

19.6. Mechanizmy regulujące temperaturę ciała

19.7. Rola podwzgórza i rdzenia kręgowego w termoregulacji

19.8. Termoregulacja u noworodków

19.9. Stany przebiegające ze zmianą poziomu nastawczego termoregulacji

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

20. Czynności nerek i wydalanie moczu

20.1. Anatomia czynnościowa układu moczowego

20.1.1. Filtracja kłębuszkowa

20.1.2. Zależność GFR od ciśnienia tętniczego

20.1.3. Reabsorpcja i wydalanie

20.1.4. Zagęszczanie moczu i ośrodek pragnienia

20.2. Funkcja hormonalna nerek

20.2.1. Erytropoeza

20.2.2. Gospodarka wapniowo-fosforanowa

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

21. Fizjologia wysiłku fizycznego i stanów przeciążeń

21.1. Podział wysiłków fizycznych

21.2. Wydolność fizyczna i tolerancja wysiłkowa

21.3. Zmęczenie

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

22. Neuroanatomia układu nocyceptywnego

22.1. Nocyceptory

22.2. Powstawanie odczucia bólowego

22.3. Droga czucia bólu – drogi rdzeniowo-wzgórzowe

22.4. Okolice czuciowe kory mózgowej

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

23. Mechanizm powstawania bólu

23.1. Ból

23.1.1. Ból ostry

23.1.2. Ból przewlekły

23.2. Nocycepcja

23.2.1. Transdukcja i transmisja

23.2.2. Mediatory stanu zapalnego

23.2.3. Transmisja i modulacja

23.2.4. Percepcja

23.3. Ból trzewny

23.4. Chronifikacja bólu – przewlekły zespół bólowy

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

24. Fizjologia rozrodu

24.1. Ciąża prawidłowa (fizjologiczna)

24.2. Rozwój zarodka i płodu

24.3. Łożysko – powstanie i funkcja

24.4. Płyn owodniowy

24.5. Zmiany narządu rodnego w okresie ciąży

24.5.1. Macica

24.5.2. Szyjka macicy

24.5.3. Pochwa

24.5.4. Jajniki i jajowody

24.5.5. Gruczoły piersiowe

24.6. Zmiany gospodarki wodnej organizmu

24.7. Czynność serca i układu krążenia

24.8. Układ oddechowy

24.9. Układ trawienny

24.9.1. Łaknienie

24.9.2. Jama ustna

24.9.3. Żołądek

24.9.4. Jelito cienkie i jelito grube

24.9.5. Wątroba i trzustka

24.10. Układ moczowy

24.11. Metabolizm w okresie ciąży

24.11.1. Gospodarka węglowodanowa

24.11.2. Gospodarka tłuszczowa

24.12. Gruczoły wydzielania wewnętrznego w okresie ciąży

24.12.1. Czynność układu podwzgórzowo--przysadkowego

24.12.2. Czynność hormonalna jajników

24.12.3. Czynność gruczołu tarczowego

24.12.4. Czynność kory nadnerczy

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

25. Metabolizm tkanki kostnej. Gospodarka wapniowo-fosforanowa

25.1. Budowa tkanki kostnej

25.2. Remodeling tkanki kostnej

25.3. Czynniki wpływające na obrót kostny

25.3.1. Zaburzenia hormonalne

25.3.2. Menopauza

25.3.3. Nieprawidłowa dieta

25.3.4. Zaburzenia funkcji układu pokarmowego i nerek

25.3.5. Czynniki środowiskowe

25.3.6. Gospodarka wapniowo-fosforanowa

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

26. Adaptacja układu krążenia do wysiłku fizycznego

26.1. Wprowadzenie

26.2. Adaptacja do regularnego treningu

26.2.1. Zmiany w budowie i funkcjonowaniu serca wywołane systematycznym wysiłkiem fizycznym

26.2.2. Zmiany w budowie i funkcjonowaniu naczyń wywołane systematycznym wysiłkiem fizycznym

26.2.3. Zmiany parametrów hemodynamicznych naczyń wywołane systematycznym wysiłkiem fizycznym

26.3. Adaptacja do pojedynczej sesji wysiłku fizycznego

26.3.1. Wpływ pojedynczej sesji wysiłku dynamicznego na układ krążenia

26.3.2. Wpływ pojedynczej sesji wysiłku statycznego na układ krążenia

Piśmiennictwo

Pytania kontrolne

Część I

FIZJOLOGIA OGÓLNA

1. PODSTAWY MOLEKULARNEJ ORGANIZACJI KOMÓRKI

Anna Maria Badowska-Kozakiewicz, Michał Piotr Budzik

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.

1.2. Jądro komórkowe jako magazyn informacji o komórce

Jądro komórkowe jest głównym ośrodkiem dowodzenia komórki. Jest kuliste lub owalne, ma przeciętnie około 5 μm średnicy. Zawiera płyn jądrowy (kariolimfę), jąderka i chromatynę. Jądro komórkowe jest otoczone dwoma współśrodkowymi błonami, które tworzą otoczkę jądrową (ryc. 1.3). W otoczce jądrowej znajdują się pory o średnicy 50–80 nm umożliwiające komunikację jądrowo-cytoplazmatyczną. Głównym składnikiem jądra komórkowego jest chromatyna, zbudowana z DNA oraz białek. DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) jest nośnikiem informacji genetycznej o wszystkich cechach dziedzicznych organizmu. W zależności od fazy cyklu komórkowego chromatyna występuje w postaci euchromatyny (postać rozproszona, charakterystyczna dla komórek w fazie podziału) lub heterochromatyny (postać skondensowana, charakterystyczna dla komórek niedzielących się). Dwie nici DNA tworzą strukturę o kształcie podwójnej helisy poskładaną we fragmenty przestrzenne zwane chromosomami. Każda komórka somatyczna człowieka ma ich 46: 22 pary chromosomów autosomalnych i 1 parę chromosomów płciowych (XX u kobiet, a XY u mężczyzn). W DNA jest zawarta informacja genetyczna kodująca sekwencję aminokwasową wszystkich białek ludzkiego organizmu. Informacja ta jest przepisywana na mRNA (messenger RNA), czyli tzw. informacyjny RNA, w procesie zwanym transkrypcją. Synteza RNA w jądrze komórkowym odbywa się dzięki aktywności specjalnych enzymów – polimeraz RNA. Następnie powstająca jednoniciowa cząsteczka mRNA ulega potranslacyjnym modyfikacjom. Tak przygotowana opuszcza jądro i po przyłączeniu do rybosomów może służyć jako matryca do syntezy nowych białek w procesie zwanym translacją.

Rycina 1.3. Jądro komórkowe

(autorzy ryciny: M. Maksimiuk, A. Sobiborowicz).

1.2.1. Jąderko

Wewnątrz jądra komórkowego znajduje się od jednej do kilku struktur nazywanych jąderkami. Są to miejsca transkrypcji RNA, przede wszystkich rybosomalnych kwasów rybonukleinowych (rRNA). W centrum jąderka znajdują się odcinki DNA kodujące wspomniane rRNA, a na jego obwodzie są rozlokowane zwykle przetworzone, dojrzałe formy rRNA. W tym miejscu łączą się one z pochodzącymi z cytozolu białkami, tworząc struktury zwane rybosomami. Jąderko jest strukturą nieotoczoną błoną. Z tego względu powstające w nim gotowe rybosomy dyfundują swobodnie do jądra komórkowego, a przez pory jądrowe przemieszczają się do cytoplazmy. Poza omówioną funkcją jąderku przypisuje się również rolę w regulacji cyklu komórkowego.

1.3. Cytoplazma

Mianem cytoplazmy określa się zawartość wewnętrzną każdej komórki, która odnosi się do organelli komórkowych (z wyjątkiem jądra) oraz substancji wypełniającej przestrzenie pomiędzy nimi. W jej skład wchodzą zatem:

– cytozol, nazywany cytoplazmą podstawową;

– organelle komórkowe (z wyjątkiem jądra komórkowego).

Cytozol jest substancją koloidalną, w której w skład wchodzą substancje organiczne (białka, lipidy, węglowodany, RNA, produkty metabolizmu komórkowego) oraz związki nieorganiczne wielu pierwiastków zawieszone w tzw. fazie rozpraszającej, czyli w wodzie. Ważnym składnikiem cytozolu jest skomplikowana przestrzenna sieć białkowych włókienek zbudowana z mikrofilamentów i mikrotubuli, tworzących tzw. cytoszkielet.

1.4. Mitochondria jako centra energetyczne

Do najistotniejszych organelli komórkowych należą mitochondria, mające owalny przekrój i długość od 1 do kilku mikrometrów. Każde mitochondrium jest odgraniczone od cytozolu dwiema odrębnymi błonami. Błona zewnętrzna mitochondrium jest przepuszczalna dla wielu rodzajów substancji, dzięki obecności licznych kanałów zbudowanych z białka poryny. Natomiast błona wewnętrzna jest wysoce selektywna i przepuszcza niewiele substancji. Ma dużo większą powierzchnię od błony zewnętrznej, dlatego wpukla się do wnętrza mitochondrium, tworząc liczne pofałdowania układające się w tzw. grzebienie mitochondrialne. Błona wewnętrzna zawiera również łańcuch transportu elektronów (łańcuch oddechowy), utworzony przez ściśle uszeregowany zespół związków chemicznych. Dzięki nim zachodzi w niej jeden z kluczowych etapów oddychania komórkowego. Mitochondria zawierają własny DNA i odtwarzają się niezależnie od podziałów komórki przez samoistne podziały. W macierzy mitochondrium (matrix) znajdują się enzymy cyklu Krebsa oraz rybosomy.

Ze względu na ich liczne podobieństwa do bakterii uważa się, że mitochondria pochodzą pierwotnie od drobnoustrojów, które zostały wchłonięte przez praprzodków dzisiejszych komórek eukariotycznych.

Mitochondria wytwarzają energię chemiczną dla całej komórki. Czerpią tę energię z utleniania cząstek pokarmowych (np. węglowodanów) i tworzą ATP, które zasila większość procesów czynnych w komórce. Mitochondria pełnią także istotną funkcję w procesie zaprogramowanej śmierci komórki – apoptozie. Bogate w mitochondria są komórki wykazujące wysoki poziom metabolizmu, np. hepatocyty.

1.5. Cytoszkielet

Cytoszkielet to wewnątrzkomórkowa sieć włókien białkowych, które pełnią zasadnicze funkcje w utrzymaniu kształtu komórki i dynamiki błon, transporcie wewnątrzkomórkowym, pozycjonowaniu organelli, polaryzacji i poruszaniu się komórek oraz w podziałach komórkowych. Do włókien białkowych cytoszkieletu zaliczane są: mikrofilamenty, filamenty pośrednie oraz mikrotubule.

Mikrofilamenty to cienkie włókna zbudowane z aktyny. Są dosyć giętkie i krótsze od mikrotubul. Podlegają nieustannej przebudowie, polegającej na ciągłym dołączaniu cząsteczek aktyny na ich jednym końcu (biegun dodatni) i odłączaniu jej na końcu przeciwnym (biegun ujemny). Mikrofilamenty umożliwiają komórce zmianę kształtu i ruch. Współdziałając z miozyną, warunkują zdolności skurczowe komórek oraz transport błoniastych struktur komórkowych wzdłuż swojego przebiegu.

Filamenty pośrednie są twarde i nadają komórkom sztywność. Jest ich szczególnie dużo w komórkach narażonych na działanie sił mechanicznych (np. w komórkach naskórka). Są zbudowane z wielu różnych białek. Występują zarówno w cytoplazmie, jak i w jądrze komórkowym. Filamenty jądrowe to laminy, znajdujące się tuż pod otoczką jądrową.

Mikrotubule to najgrubsze z włókien wchodzących w skład cytoszkieletu. Są zbudowane z tubuliny α i β. Podobnie jak mikrofilamenty, podlegają ciągłej przebudowie. Biorą udział w transporcie różnych organelli i pęcherzyków wewnątrz komórki. Mikrotubule odgrywają również rolę w podziale komórki, biorąc udział w rozdziale chromatyd (lub chromosomów), i w kariokinezie, tworząc wrzeciono kariokinetyczne.

Rycina 1.4. Mitochondrium

(autorzy ryciny: M. Maksimiuk, A. Sobiborowicz).

1.6. Peroksysomy

Peroksysomy to struktury błonowe formujące się na kształt połączonych ze sobą pęcherzyków. Zawierają w swoim wnętrzu enzymy z grupy oksydaz, przeprowadzające reakcje utleniania i wykorzystujące do tego celu cząsteczki tlenu. Katalizują początkową fazę biosyntezy plazmalogenu – fosfolipidu, który jest obecny w mielinie, oraz uczestniczą w β-oksydacji kwasów tłuszczowych. Powstający w trakcie przemian w peroksysomach toksyczny dla komórki nadtlenek wodoru (H_2O_2) jest od razu rozkładany przez katalazę. Per-oksysomy biorą również udział w wielu szlakach przemian innych związków: aminokwasów, zasad azotowych, cholesterolu, kwasów żółciowych, a nawet etanolu. U ludzi największe nagromadzenie peroksysomów występuje w komórkach wątroby.

1.7. Siateczka śródplazmatyczna gładka i szorstka

Siateczka śródplazmatyczna (retikulum endoplazmatyczne) tworzy najrozleglejszą komórkową strukturę o charakterze błoniastym. W komórce bierze udział w licznych procesach, jednak jej główna rola polega na zaangażowaniu w transport wewnątrzkomórkowy. Uczestniczy również w podziale cytoplazmy na przedziały (kompartmenty). Wyróżnia się dwa podtypy siateczki śródplazmatycznej:

– Siateczka śródplazmatyczna gładka, która bierze udział w procesach detoksykacji oraz w syntezie steroidów i tłuszczów. Jej powierzchnia jest pozbawiona rybosomów. Szczególną właściwością siateczki gładkiej jest jej zdolność do magazynowania jonów Ca2+. Funkcja ta jest szczególnie istotna w mięśniach szkieletowych, w których siateczka gładka przyjmuje formę siateczki sarkoplazmatycznej.

– Siateczka śródplazmatyczna szorstka, która odpowiada za potranslacyjną modyfikację białek i nadawanie im ostatecznej konformacji przestrzennej. Posiada na swojej powierzchni liczne rybosomy.

1.8. Aparat Golgiego

Aparat Golgiego jest rozbudowaną strukturą błonową zbudowaną z licznych cystern i towarzyszących im pęcherzyków transportujących. W tej organelli wytworzona w siateczce śródplazmatycznej błona ulega modyfikacji i przyjmuje ostatecznie charakter błony komórkowej, otaczającej komórkę. Możliwa jest tu również przebudowa błon komórkowych w odwrotnym kierunku i włączanie ich w system błon wewnętrznych. W taki oto sposób Aparat Golgiego pełni integrującą i nadrzędną rolę w komórkowym systemie przepływu i przebudowy błon. Ponadto zachodzą w nim procesy modyfikacji białek polegające na ich glikozylacji, czyli przyłączaniu reszt cukrowych (tak powstają proteoglikany). Aparat Golgiego jest szczególnie rozbudowany w komórkach gruczołowych, co dowodzi również jego roli wydzielniczej.

1.9. Rybosomy

Jak wspomniano przy omawianiu budowy i funkcji jąderka, rybosomy to kompleksy rRNA i białek uformowane w dwie odrębne podjednostki: małą i dużą. Ich zasadniczą rolą jest produkcja białek w procesie zwanym translacją. Podjednostki rybosomów są ze sobą połączone tylko podczas syntezy białek. Po zakończeniu translacji rozdzielają się, aby odtworzyć rybosom podczas kolejnego cyklu produkcji nowego białka. W komórkach ludzkich występują rybosomy 80S oraz charakteryzujące się odmienną budową mniejsze rybosomy mitochondrialne. Rybosomy mogą występować w postaciach związanych z błonami (np. z siateczką śródplazmatyczną szorstką) lub wolnych, swobodnie pływających w cytoplazmie. Rybosomy związane z błonami produkują przede wszystkim białka kierowane poza komórkę (takie jak kolagen, enzymy wydzielnicze, hormony), natomiast rybosomy wolne odpowiadają za syntezę białek nieeksportowanych poza komórkę (są to m.in. enzymy wewnątrzkomórkowe, białka jądrowe, białka cytoszkieletu).

1.10. Lizosomy

Lizosomy to otoczone błoną pęcherzyki, w których dzięki obecności licznych enzymów hydrolitycznych zachodzi proces trawienia wewnątrzkomórkowego. Enzymy te są syntetyzowane w szorstkiej siateczce śródplazmatycznej, a następnie po przejściu przez aparat Golgiego zbierane w specjalnych pęcherzykach i dostarczane do lizosomów. Enzymy lizosomalne należą do tzw. kwaśnych hydrolaz, co oznacza, że do osiągnięcia aktywności potrzebują środowiska kwaśnego. Z tego względu w błonach lizosomów obecna jest pompa protonowa odpowiadająca za aktywny transport jonów wodorowych (H+) do ich wnętrza, co powoduje spadek lizosomalnego pH. W lizosomach trawieniu ulegają cząsteczki pobrane ze środowiska zewnętrznego komórki, jak również własne składniki komórki (np. fragmenty uszkodzonych organelli).

1.11. Proteasomy

Proteasomy to agregaty enzymów proteolitycznych swobodnie zawieszone w cytoplazmie. Ich zadaniem jest trawienie nieprawidłowo uformowanych białek. Sygnałem kierującym uszkodzone białko do proteasomu jest jego poliubikwitynizacja, tj. przyłączenie wielu cząsteczek ubikwityny. Przyłączenie pojedynczej cząsteczki ubikwityny (monoubikwitynizacja) kieruje oznaczone w ten sposób białko do proteolizy w opisanych powyżej lizosomach.

1.12. Transport błonowy

Każda substancja pobierana przez komórkę lub produkowana przez nią i wydzielana do otoczenia musi najpierw przekroczyć barierę w postaci błony komórkowej. Przepuszczalność błon jest ściśle związana z ich budową. Przez dwuwarstwę zbudowaną z lipidów przenikają swobodnie apolarne cząsteczki gazów (O_2, CO_2), obojętne elektrycznie substancje o niskiej masie cząsteczkowej (takie jak glicerol, mocznik, etanol) oraz cząsteczki wody. Dla większości cząsteczek o budowie polarnej błona komórkowa stanowi natomiast barierę nieprzepuszczalną. Dzięki tej właściwości możliwe jest na przykład utrzymanie gradientu elektrochemicznego jonów po obu stronach błony komórkowej, co stanowi istotę pobudliwości komórek mięśniowych oraz neuronów. Błona komórkowa jest również nieprzepuszczalna dla związków o wysokiej masie cząsteczkowej. Duże cząsteczki i jony mogą przekraczać barierę błonową jedynie przy udziale wyspecjalizowanych białek transportowych. Ze względu na mechanizm transportu wyróżniamy trzy rodzaje białek transportowych: nośniki, pompy i kanały. Rodzaje transportu błonowego przedstawiono w tabeli 1.1.

1.12.1. Transport bierny

Transport bierny, inaczej zwany dyfuzją, cechuje przemieszczanie się cząsteczek zgodnie z gradientem ich stężeń, czyli w kierunku od ich wyższego do niższego stężenia. Transport bierny odbywa się zatem jedynie dzięki różnicy stężeń substancji po obu stronach błony komórkowej, bez dodatkowego wydatku energetycznego. Najprostszym rodzajem transportu biernego jest dyfuzja prosta, polegająca na bezpośrednim przenikaniu cząsteczek przez błonę komórkową. Jak wspomniano wcześniej, ten typ transportu jest charakterystyczny jedynie dla małych, apolarnych cząsteczek. Specjalnym rodzajem dyfuzji prostej jest zjawisko osmozy. Osmozą nazywamy transport przez błonę biologiczną rozpuszczalnika – wody, a nie substancji rozpuszczonej. Zachodzi ona przeciwnie do gradientu stężeń substancji rozpuszczonej. W uproszczeniu można przyjąć, że cząsteczki wody przenikają przez błonę w taki sposób, aby wyrównać stężenia substancji po obu jej stronach. Przenikając do miejsca o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej, woda niejako rozcieńcza ją, wyrównując jej stężenie po obu stronach błony komórkowej. Osmoza zachodzi równocześnie ze zjawiskiem dyfuzji. W przypadku jednak, gdy błona komórkowa jest nieprzepuszczalna dla danej substancji, jej stężenie zmienia się wyłącznie dzięki zjawisku osmozy. Transport substancji nieprzepuszczalnych przez błonę komórkową (cząsteczki o budowie polarnej, substancje o wysokiej masie cząsteczkowej) odbywa się jedynie przy udziale wyspecjalizowanych białek transportowych. Dotyczy głównie cukrów, aminokwasów oraz metabolitów komórkowych. Również odbywa się bez udziału energii (transport bierny), zgodnie z gradientem stężeń danej substancji. W związku z koniecznością zaangażowania białek nośnikowych, mówimy o transporcie ułatwionym, inaczej dyfuzji wspomaganej. Wśród nośników wyróżnia się:

– uniportery – transportujące tylko jedną substancję;

– kotransportery – przenoszące dwie lub więcej substancji; dzielimy je na:

• symportery – przenoszące substancje w tym samym kierunku;

• antyportery, wymienniki – przenoszące substancje w przeciwnych kierunkach.

Tabela 1.1. Rodzaje transportu błonowego

Rodzaj transportowanych cząsteczek

Typ transportu

Charakter transportu

Zaangażowanie białek błonowych

Uzależnienie od gradientu jonowego (najczęściej Na+)

Woda, O_2, CO_2, glicerol, mocznik, etanol

Dyfuzja prosta

Bierny

Nie

Nie

Jony, cukry, aminokwasy

Dyfuzja ułatwiona//wspomagana

Bierny

Tak

Nie

Jony, różne substancje hydrofilne

Transport aktywny pierwotny

Aktywny

Tak

Nie

Jony, glukoza, aminokwasy

Transport aktywny wtórny

Aktywny

Tak

Tak

Jony, substancje nieorganiczne i organiczne, mikroorganizmy, fragmenty komórek, organelle komórkowe, przeciwciała i inne

Egzocytoza

Złożone mechanizmy zaangażowane w dystrybucję błon wewnętrznych i ich fuzję z błoną komórkową; wymagają współdziałania wielu rodzajów białek

Pinocytoza

Fagocytoza

Błona komórkowa jest również nieprzepuszczalna dla jonów, do transportu których wymagana jest obecność innych integralnych białek błonowych – kanałów jonowych. Kanały jonowe to cylindryczne białka przechodzące przez błonę komórkową. Ich domeny hydrofobowe skierowane są na zewnątrz, w stronę dwuwarstwy lipidowej, a części hydrofilne, zwracając się ku sobie, ograniczają położony koncentrycznie hydrofilny por. Kanały jonowe mają zdolność do kontrolowanego przepuszczania jonów przez błony biologiczne zgodnie z gradientem ich stężeń. Kanały wykazują selektywność jonową, co oznacza że są specyficzne dla jednego, określonego rodzaju jonu. W warunkach spoczynkowych najczęściej nie przepuszczają jonów. Otwarcie kanałów jest możliwe jedynie po zadziałaniu odpowiedniego bodźca. Jest to tzw. zjawisko bramkowania kanałów jonowych.

Wyróżniamy kanały jonowe:

– bramkowane napięciem – otwierane w odpowiedzi na zmianę potencjału błonowego;

– bramkowane ligandem – otwierane w obecności odpowiedniej cząsteczki (ligandu);

– bramkowane stresem – otwierane po zadziałaniu rozciągającego czynnika mechanicznego.

1.12.2. Transport aktywny

O transporcie aktywnym mówimy wtedy, gdy odbywa się on wbrew gradientowi stężeń danej substancji. Ponadto, aby mógł zachodzić, wymagane jest dostarczanie energii. Transport aktywny dzielimy na pierwotny i wtórny. W transporcie aktywnym pierwotnym energia niezbędna do przeniesienia cząsteczek pochodzi bezpośrednio z hydrolizy ATP. W transporcie aktywnym wtórnym energia ta uzyskiwana jest z rozładowania utworzonego uprzednio gradientu jonowego. W transporcie aktywnym uczestniczą białka błonowe określane jako pompy. Funkcjonują one podobnie do nośników, z tym że posiadają dodatkowe domeny odpowiadające za hydrolizę ATP.

Szczególną rolę w wielu procesach zachodzących w ludzkim organizmie pełni pompa sodowo-potasowa. Wyprowadza ona z komórki 3 jony Na+, wprowadzając na ich miejsce 2 jony K+ (3Na+/2K+) i zużywając przy tym energię pochodzącą z hydrolizy ATP. Pompa Na+-K+ jest elektrogenna, co oznacza, że dzięki swojej aktywności wytwarza różnicę potencjałów po obu stronach błony komórkowej. Przez wyprowadzenie w każdym cyklu pracy trzech ładunków dodatnich i wprowadzenie do komórki dwóch ładunków dodatnich (ogólny bilans to utrata jednego ładunku dodatniego na każdy cykl) wpływa na asymetryczny rozkład jonów Na+ i K+, a co za tym idzie na różnicę potencjału między wnętrzem komórki a środowiskiem zewnętrznym. Innymi przykładami pomp jonowych są ATPazy Ca2+, znajdujące się m.in. w siateczce śródplazmatycznej mięśni szkieletowych, oraz ATPazy H+, znajdujące się w błonach lizosomów, komórkach okładzinowych żołądka i kanalikach nerkowych.

1.12.3. Fagocytoza i pinocytoza

Opisane powyżej mechanizmy transportu (dyfuzja prosta i wspomagana, transport aktywny) dotyczą przede wszystkim stosunkowo niewielkich cząstek. Niezależnie od nich komórka ma zdolność pobierania lub usuwania dużych porcji płynów, ciał stałych, mikroorganizmów i produktów metabolizmu przy użyciu błon komórkowych, którą wspomniane substancje zostają wstępnie otoczone w postaci pęcherzyków. Pobieranie przez komórkę substancji z zewnątrz to endocytoza, a wydzielanie – egzocytoza. W ramach endocytozy współistnieją dwa procesy:

– pinocytoza – pobór płynów (tzw. picie komórkowe);

– fagocytoza – pobór ciał stałych (tzw. jedzenie komórkowe).

Egzocytoza polega na wydzielaniu przez komórkę rozmaitych substancji. Najczęściej są to białka, peptydy, aminy i śluz. Czasem na drodze egzocytozy komórka pozbywa się zbędnych lub uszkodzonych struktur oraz substancji szkodliwych. Podczas tego procesu pęcherzyki podpływają do wewnętrznej warstwy błony komórkowej, a po połączeniu się z nią następuje „wylanie” ich zawartości na zewnątrz komórki. Błona pęcherzyka wbudowuje się i zostaje całkowicie włączona w błonę komórkową. Proces ten może zachodzić w sposób ciągły (egzocytoza konstytutywna) lub jedynie w odpowiedzi na sygnały zewnętrzne (egzocytoza regulowana). W odpowiedzi na pobudzenie wzrasta wewnątrzkomórkowe stężenie jonów Ca2+, co jest kluczowym czynnikiem wyzwalającym fuzję pęcherzyków z błoną komórkową.

1.13. Cykl komórkowy

Cyklem komórkowym nazywamy ciąg zjawisk, które zachodzą pomiędzy kolejnymi podziałami komórki. Na wstępie warto wspomnieć, że nie wszystkie komórki ludzkiego organizmu mają zachowaną zdolność do podziałów: niektóre z nich, np. neurony i kardiomiocyty, są zróżnicowane i nie dzielą się.

Cykl komórkowy składa się z czterech oddzielnych faz:

– fazy G_1 – nasilenie procesów biosyntezy, synteza enzymów niezbędnych do replikacji DNA, podział organelli komórkowych;

– fazy S – replikacja (podwojenie ilości) jądrowego DNA i synteza białek histonowych;

– fazy G_2 – synteza tubuliny niezbędnej do utworzenia wrzeciona podziałowego, synteza błon na potrzeby obu komórek potomnych;

– fazy M – właściwy podział komórki – mitoza.

Fazy G_1, S i G_2 składają się łącznie na interfazę, poprzedzającą podział komórki. Właściwy podział komórki, czyli faza M, obejmuje dwa etapy: (1) kariokinezy (pięcioetapowy podział jądra komórkowego, na który składają się: profaza, prometafaza, metafaza, anafaza i telofaza), oraz (2) cytokinezy (podział cytoplazmy). Schemat cyklu komórkowego przedstawiono na rycinie 1.5.

Rycina 1.5. Schemat cyklu komórkowego

(autorzy ryciny: M. Maksimiuk, A. Sobiborowicz).

Komórki znajdujące się w fazie G_1 mogą niekiedy przejść w fazę G_0, czyli fazę spoczynkową. W praktyce oznacza to wyjście z cyklu komórkowego przez komórki wysoce zróżnicowane. Niektóre komórki mają zdolność powrotu do cyklu komórkowego po kilku miesiącach, a nawet latach. Dzieje się tak na przykład w przypadku hepatocytów pobudzonych do podziałów przez bodźce uszkadzające. Inne komórki, w tym większość neuronów i kardiomiocyty, wchodzą w fazę G_0 na zawsze, bezpowrotnie tracąc potencjał replikacyjny.

Regulacja cyklu komórkowego obejmuje kluczowe dla komórki procesy, takie jak wykrywanie i naprawa materiału genetycznego, oraz systemy nadzoru zapobiegające niekontrolowanym podziałom komórkowym (naturalne mechanizmy przeciwnowotworowe). Przechodzenie komórki pomiędzy kolejnymi fazami cyklu komórkowego jest na każdym etapie kontrolowane przez kinazy serynowo-treoninowe, których funkcję regulują specyficzne białka – cykliny. Łącząc się z odpowiednimi kinazami, umożliwiają one przejście komórki do kolejnych faz cyklu. Z tego względu wspomniane kinazy nazywamy kinazami zależnymi od cyklin (CDK – cyclin-dependent kinases). Aktywność kinaz CDK w trakcie cyklu komórkowego pozostaje niemal stała, podczas gdy cykliny są w sposób cykliczny syntetyzowane i degradowane w miarę postępu cyklu. W cyklu wyróżnia się kilka momentów decydujących o wejściu komórki w kolejną fazę. Kluczowym z nich jest punkt restrykcyjny, czyli moment przejścia z fazy G_1 do S. Jest on wyznaczony przez właściwy rozmiar komórki oraz korzystne warunki środowiskowe. Do przejścia przez punkt restrykcyjny konieczne jest utworzenie kompleksów kinaz CDK4, CDK6 z cykliną D. Przejście komórki przez ten punkt oznacza nieodwołalną kontynuację cyklu, aż do jej podziału. W późniejszych fazach cyklu pojawiają się punkty kontrolne sprawdzające poprawność replikacji materiału genetycznego. Kluczową rolę w tych procesach odgrywa białko p53, ze względu na swoje właściwości nazywane strażnikiem genomu. W przypadku wykrycia uszkodzeń DNA ma ono zdolność inicjacji procesów naprawczych. Gdy okażą się one nieskuteczne, białko p53 może skierować komórki na szlak apoptozy (omówiony w dalszej części rozdziału).

Szczególnym rodzajem podziału komórkowego jest mejoza, dotycząca jedynie komórek prekursorowych gamet. Podział mejotyczny składa się z dwóch następujących po sobie podziałów. W efekcie z jednej komórki wyjściowej powstają 4 komórki potomne. Istotą pierwszego podziału jest rekombinacja oraz redukcja materiału genetycznego. Powstałe w wyniku tego podziału 2 komórki rozpoczynają kolejny podział, który przebiega jak typowy podział mitotyczny, prowadząc ostatecznie do powstania 4 gamet. Drugi podział nazywamy podziałem wyrównawczym. Istotą podziałów mejotycznych jest redukcja i wymiana materiału genetycznego między chromosomami oraz ich losowa selekcja do komórek potomnych, czyli plemników i komórek jajowych. Dzięki temu zredukowana o połowę ilość materiału genetycznego w komórkach płciowych, po ich połączeniu się w czasie zapłodnienia, pozwala na odtworzenie prawidłowej jego zawartości w zygocie. Porównanie podstawowych cech mitozy i mejozy przedstawiono w tabeli 1.2.

1.14. Apoptoza i nekroza komórki

Zachowanie równowagi pomiędzy podziałami komórek, a ich niszczeniem i eliminacją, stanowi istotny element warunkujący prawidłowy wzrost organizmu, przebudowę tkanek i narządów oraz ich regenerację. Zachowanie tzw. homeostazy komórkowej jest również istotą procesu selekcji limfocytów biorących późnej udział w reakcjach immunologicznych. Równowaga pomiędzy procesem powstawania nowych i niszczeniem starych komórek stanowi również naturalny mechanizm zabezpieczający przed rozwojem nowotworów. W organizmie istnieją dwie podstawowe metody eliminacji komórek: apoptoza i nekroza.

Tabela 1.2. Porównanie mitozy i mejozy

Mitoza

Mejoza

Zachodzi w komórkach somatycznych

Zachodzi w komórkach macierzystych gamet

Powstają 2 komórki potomne

Powstają 4 komórki potomne (gamety)

Komórki potomne nie różnią się informacją genetyczną od siebie oraz od komórki macierzystej

Komórki potomne mają o połowę mniej informacji genetycznej oraz jest ona różna pod względem jakościowym (rekombinacja, losowy rozdział chromosomów)

Umożliwia wzrost i regenerację tkanek

Prowadzi do powstania gamet (plemniki, komórki jajowe)

Składa się z jednego podziału

Składa się z dwóch zachodzących bezpośrednio po sobie podziałów

Apoptoza to zaprogramowana genetycznie śmierć komórki zachodząca w wyniku aktywacji zróżnicowanych mechanizmów wewnątrzkomórkowych. Kluczowym jej procesem jest aktywacja enzymów z grupy proteaz, nazywanych kaspazami. Układ pobudzanych kolejno enzymów, nazywany kaskadą kaspaz, składa się z kilkunastu białek. W wyniku ich działania następuje rozpad otoczki jądrowej oraz degradacja DNA i białek komórki. Sygnały kierujące komórkę na szlak apoptozy mogą pochodzić zarówno z wnętrza komórki, jak i dochodzić do niej z otoczenia. W zależności od tego, jakie receptory pełnią rolę inicjatorów w procesie zaprogramowanej śmierci komórki, wyróżniamy szlak błonowy (wynikający z pobudzenia receptorów błonowych, szlak zewnętrzny) oraz szlak mitochondrialny apoptozy (związany z sygnałem pochodzącym z białek mitochondrium, szlak wewnętrzny). Szlak błonowy rozpoczyna się w momencie pobudzenia określonych receptorów rozlokowanych w błonie komórkowej, nazywanych receptorami śmierci. Receptory te zawierają wewnątrzkomórkową domenę śmierci (DD – death domain) odpowiadającą za aktywację kaskady kaspaz. Najważniejsze z nich to: rodzina receptorów dla czynnika martwicy nowotworów α (TNF-α – tumor necrosis factor α), receptory Fas (CD95) oraz receptory dla związanego z TNF czynnika indukującego apoptozę (TRAIL – TNF-related apoptosis inducing ligand). Szlak mitochondrialny apoptozy jest inicjowany przez bezpośrednie oddziaływanie różnych związków z błoną zewnętrzną mitochondriów (np. reaktywnych form tlenu) albo uszkodzeniem chromatyny jądrowej. Zjawiska te prowadzą do wbudowania do zewnętrznej błony mitochondrium białek z rodziny Bcl-2 i w efekcie wypływ cytochromu c i czynnika indukującego apoptozę (AIF – apoptosis-inducing factor) z przestrzeni perimitochondrialnej do cytozolu. Cytochrom c oraz białko AIF, wchodząc następnie w swoiste inter-akcje, nabywają zdolności do aktywacji kaskady kaspaz.

Proces apoptozy jest nieustannie kontrolowany przez nagromadzone w cytoplazmie białka o charakterze pro- i antyapoptotycznym. Na poziomie molekularnym apoptoza jest regulowana przez ekspresję określonych genów. Produkty protoonkogenów najczęściej hamują apoptozę, a białka kodowane przez geny supresorowe zwykle ją indukują. Do najlepiej poznanych białek promujących apoptozę należy białko p53, będące produktem genu supresorowego TP53.

Drugim powszechnie występującym typem śmierci komórek jest nekroza, zwana również martwicą, wywoływana przez czynniki działające na komórkę z zewnątrz z takim natężeniem, że powodują jej bezpośrednie uszkodzenie. Są to zwykle czynniki fizyczne (zarówno niska, jak i wysoka temperatura, promieniowanie jonizujące i ultrafioletowe) oraz mechaniczne. W wyniku ich działania dochodzi do zaburzenia równowagi osmotycznej w komórce, zahamowania metabolizmu, spadku poziomu ATP, zaburzenia równowagi jonowej (przede wszystkim dotyczące jonów Ca2+) oraz napływu wody do wnętrza komórki skutkującego obrzękiem organelli i całej komórki. Enzymy uwalniane z pękających lizosomów rozpoczynają trawienie struktur komórkowych, a zwiększone stężenie jonów wapniowych aktywuje nukleazy uszkadzające materiał genetyczny. W efekcie dochodzi do rozpadu komórki i uwolnienia jej zawartości do przestrzeni pozakomórkowej. Proces ten prowadzi do rozwoju miejscowego stanu zapalnego przyciągającego komórki fagocytarne.

Podsumowanie najważniejszych cech wyróżniających dwa podstawowe mechanizmy śmierci komórek opisane w tym rozdziale zawiera tabela 1.3.

Tabela 1.3. Porównanie dwóch głównych mechanizmów śmierci komórek (apoptozy i nekrozy)

Cecha różniąca

Apoptoza

Nekroza

Charakter procesu

Programowany (aktywny) – kaskada aktywacji białek efektorowych – kaskada kaspaz

Bierny, kataboliczny – zależny od czynników zewnętrznych

Metabolizm komórkowy

Zachowany

Zahamowany, ostatecznie całkowicie przerwany

Obszar procesu

Obejmuje pojedyncze komórki

Obejmuje wiele komórek (tworzą się ogniska martwicy)

Etap kończący

Formowanie ciał apoptotycznych

Pęknięcie komórki

Ognisko zapalne

Nie występuje

Występuje

Sąsiednie komórki

Sąsiednie komórki oraz makrofagi wchłaniają ciała apoptotyczne

Komórki układu fagocytarnego „pożerają” fragmenty uszkodzonych komórek

Błony plazmatyczne

Zachowane do momentu wchłonięcia ciał apoptotycznych

Ulegają uszkodzeniu

Objętość komórki

Maleje (odwodnienie cytoplazmy)

Wzrasta (obrzęk komórki)

Kształt komórki

Wydłużony

Kulisty

Organelle komórkowe

Zachowane

Obrzęknięte, w efekcie pękają

Jądro komórkowe (chromatyna)

Kondensacja chromatyny, fragmentacja jądra komórkowego

Brak kondensacji chromatyny, liza jądra komórkowego

Kwas deoksyrybonukleinowy

DNA ułożone brzeżnie i podbłonowo; wybiórcze cięcie DNA przez nukleazy

Rozkład DNA na fragmenty o przypadkowej długości

1.15. Wzajemne oddziaływania komórek i połączenia między komórkami

Istotnym zagadnieniem z zakresu biologii komórki jest komunikacja pomiędzy komórkami, odbywająca się na drodze różnorodnych mechanizmów.

Wyróżniamy procesy komunikacji:

– autokrynne – komórka przez wydzielanie różnorodnych substancji (hormony, cytokiny, przeciwciała) oddziałuje sama na siebie;

– parakrynne – cząsteczki sygnałowe docierają do sąsiednich komórek przez dyfuzję w przestrzeni międzykomórkowej;

– endokrynne – dystrybucja wydzielanych cząstek sygnałowych odbywa się przez układ dokrewny;

– przez bezpośrednie połączenia komunikacyjne pomiędzy komórkami – tzw. połączenia szczelinowe (neksus). Są to struktury kanałopodobne zbudowane z białka koneksyny. Umożliwiają swobodny przepływ (dyfuzję) cząstek o masie do 1 kDa pomiędzy sąsiednimi komórkami. Tą drogą mogą przepływać jony, cząsteczki ATP oraz małe związki organiczne. Połączenia typu neksus pomiędzy neuronami tworzą synapsy elektryczne.

Wymienione powyżej sposoby komunikacji międzykomórkowej wykorzystują w pierwszym etapie opisane w tym rozdziale sposoby transportu błonowego. Wydzielane przez komórkę na różne sposoby substancje (cząsteczki gazów, jony, aminokwasy, hormony, przeciwciała, cytokiny i inne) oddziałują na inne komórki i przekazują im określone sygnały. Uwalniając do otoczenia określone produkty, komórka powoduje zmianę środowiska zewnętrznego, co jest odbierane przez inne, czasem bardzo odległe komórki. Jednak odbiór tych sygnałów jest możliwy jedynie w przypadku, gdy komórki docelowe wykazują obecność (ekspresję) odpowiednich receptorów. Rozpoznanie sygnału (ligandu) przez receptor powoduje uruchomienie w komórce wrażliwej określonych reakcji. W ten sposób sygnał zewnętrzny (przekaźnik pierwotny) zostaje zamieniony na sygnał wewnątrzkomórkowy (przekaźnik wtórny). Przekaźnik wtórny, wykazując specyficzną dla siebie aktywność w komórce docelowej, wywołuje jej odpowiedź. Receptory dla substancji pozbawionych możliwości dyfundowania przez błony (białek, peptydów, aminokwasów) znajdują się na powierzchni błony komórkowej komórki docelowej. Receptory te dzieli się na trzy główne grupy: receptory związane z kanałami jonowymi, receptory związane z białkami G oraz receptory związane z enzymami. Receptory dla substancji łatwo dyfundujących przez błony (cząsteczki o charakterze lipofilnym, steroidy, hormony tarczycy, kwas retinowy, witamina D_3, cząsteczki gazów) zlokalizowane są wewnątrz komórek docelowych, w ich jądrze lub cytoplazmie.

Receptory związane z kanałami jonowymi (receptory jonotropowe) to białka, które oprócz funkcji kanału jonowego pełnią funkcję receptorową. W odpowiedzi na przyłączenie cząsteczki sygnałowej (ligandu) następuje zmiana ich konformacji przestrzennej i w efekcie przepływ określonych jonów (są to kanały wybiórcze jonowo, ściśle selektywne). Tego typu białka są także nazywane kanałami jonowymi bramkowanymi ligandem (opisane w rozdziale dotyczącym transportu biernego).

Receptory związane z białkiem G to receptory o charakterze metabotropowym. Przyłączenie ligandu powoduje reakcję domen wewnątrzkomórkowych tych receptorów z białkami G, które pośredniczą w dalszym przekazywaniu sygnału w komórce docelowej. Białka G, w zależności od budowy, mają zdolność aktywacji różnych kaskad reakcji wewnątrzkomórkowych, zarówno o charakterze pobudzającym, jak i hamującym. Ostatecznym efektem pobudzenia receptorów związanych z białkiem G jest modulacja aktywności określonych kanałów jonowych lub aktywacja enzymów katalizujących specyficzne reakcje prowadzące do fosforylacji białek komórkowych. Fosforylacja białek docelowych przez odpowiednie kinazy wpływa na ich aktywność biologiczną. W zależności od rodzaju białka fosforylacja może mieć na nie wpływ zarówno aktywujący, jak i dezaktywujący.

Inną grupą receptorów metabotropowych są receptory związane z enzymami. Ich domena zewnątrzkomórkowa wiąże ligand, a część wewnątrzkomórkowa wykazuje bezpośrednią aktywność enzymatyczną. Najważniejszą rolę w komórkach pełnią receptory o aktywności kinaz tyrozynowych oraz receptory związane z kinazami tyrozynowymi – posiadające zdolność fosforylacji reszt tyrozynowych w białkach docelowych. Inną grupę stanowią receptorowe kinazy serynowo-treoninowe, fosforylujące reszty seryny i treoniny.

Odmienną grupę receptorów stanowią wspomniane wcześniej receptory dla cząsteczek dyfundujących swobodnie przez błonę komórkową, znajdujące się w cytoplazmie bądź jądrze komórkowym. Receptory te działają przez bezpośredni wpływ na transkrypcję jądrową. Typowo składają się z domeny wiążącej ligand, domeny wiążącej DNA oraz domeny aktywującej transkrypcję. Regulując syntezę mRNA, receptory te wpływają na ekspresję określonych genów.

Piśmiennictwo

1. Alberts B. (red.): Molecular biology of the cell. Taylor & Francis Group, New York 2015.

2. Gartner L.P. (red.): Cell biology and histology. Wolters Kluwer Health, Philadelphia 2015.

3. Kawiak J. (red.): Seminaria z cytofizjologii: podręcznik dla studentów medycyny, weterynarii i biologii. Elsevier Urban & Partner, Wrocław 2014.

4. Silverthorn D.E. (red.): Human physiology: an integrated approach. Pearson, Boston 2013.

Pytania kontrolne

1. Co to jest teoria komórkowa? Przez kogo została sformułowana?

2. Opisz budowę błony komórkowej i wyjaśnij na czym polega amfipatyczność tworzących ją cząstek?

3. Co to jest glikokaliks i jaką pełni rolę w komórkach?

4. Organella nieotoczona błoną to:

a. Jądro komórkowe.

b. Mitochondrium.

c. Lizosom.

d. Jąderko.

e. Wszystkie wyżej wymienione to organelle otoczone błoną.

5. Mitochondria:

a. Zawierają własny materiał genetyczny.

b. Uczestniczą w apoptozie.

c. Prawdopodobnie pochodzą od bakterii.

d. Uczestniczą w syntezie ATP.

e. Wszystkie odpowiedzi są prawidłowe.

6. Katalaza to enzym:

a. Występujący w lizosomach.

b. Występujący w peroksysomach.

c. Rozkładający nadtlenek wodoru.

d. Odpowiedzi a i c są prawidłowe.

e. Odpowiedzi b i c są prawidłowe.

7. Porównaj budowę i funkcje gładkiej oraz szorstkiej siateczki śródplazmatycznej.

8. Jakie białko znakuje uszkodzone białka w celu skierowania ich do proteasomów?

9. Swobodnie dyfundują przez błonę komórkową:

a. Tlen.

b. Woda.

c. Mocznik.

d. Odpowiedzi a i b są prawdziwe.

e. Wszystkie odpowiedzi są prawdziwe.

10. Jakie mechanizmy odpowiadają za otwieranie kanałów jonowych?

11. Przejście tzw. punktu restrykcyjnego cyklu komórkowego jest możliwe dzięki aktywności:

a. Cykliny A.

b. Cykliny B.

c. Cykliny C.

d. Cykliny D.

e. Cykliny E.

12. Jaką rolę podczas cyklu komórkowego odgrywa białko p53?

13. Za pomocą jakich mechanizmów możliwa jest komunikacja pomiędzy komórkami? Jak uważasz, który z tych mechanizmów cechuje największa szybkość i precyzja przekazywanego sygnału?

14. Rybosomy biorą udział w:

a. Transkrypcji.

b. Translacji.

c. Replikacji.

d. Odpowiedzi a i b są prawidłowe.

e. Wszystkie odpowiedzi są prawidłowe.