LEC1 (1) PDF - Cellular Physiology

LEC. 1 PHYSIOLOGY Dr. Ihab Al -Khalifa Overview of Cellular Physiology ‫نظرة عامة على فسيولوجيا الخلية‬ ‫ يمكن أن تكون الخاليا متخصصة للغا...

LEC. 1 PHYSIOLOGY Dr. Ihab Al -Khalifa Overview of Cellular Physiology ‫نظرة عامة على فسيولوجيا الخلية‬ ‫ يمكن أن تكون الخاليا متخصصة للغاية‬،‫ عند البشر‬.‫الخلية هي وحدة العمل األساسية لجميع الكائنات الحية‬ Introduction ‫ يمكن للخاليا من أعضاء مختلفة أن تتشارك في امليزات والوظائف‬،‫في كل من البنية والوظيفة؛ وبدالً من ذلك‬ The cell is the fundamental working unit of all organisms. In humans, cells can be highly specialized in both structure and function; alternatively, cells from different organs can share features and function The Cell  Basic building blocks of life ‫اللبنية األساسية للحياة‬  Smallest living unit of an organism ‫أصغر وحدة حية في الكائن الحي‬  A cell may be an entire organism (unicellular) or it may be one of billions of ً (‫كامال )وحيدة الخلية‬ cells that make up the organism (multicellular). ‫ أو قد تكون واحدة من مليارات الخاليا‬.(‫الخاليا‬ ‫قد تكون الخلية كائن ًا‬ ‫التي تشكل الكائن الحي )متعددة‬  Grow, reproduce, use energy, adapt, respond to their environment ‫النمو والتكاثر واستخدام الطاقة والتكيف واالستجابة لبيئتهم‬  Many cannot be seen with the naked eye ‫والكثير منها ال يمكن رؤيته بالعني املجردة‬  a typical cell size is 10µm; a typical cell mass is 1 nanogram.) (.‫ نانوجرام‬1 ‫ ميكرومتر؛ كتلة الخلية النموذجية هي‬10 ‫حجم الخلية النموذجي هو‬ Cells May be Prokaryotic or Eukaryotic ‫قد تكون الخاليا بدائية النواة أو حقيقية النواة‬ ‫( تشمل أنوا ًعا مختلفة من البكتيريا‬karyon-nucleus ‫؛‬pro before :‫بدائيات النوى )باليونانية‬  Prokaryotes (Greek: pro-before; karyon-nucleus) include various bacteria  lack a nucleus or membrane-bound structures called organelles ‫تفتقر إلى نواة أو هياكل مرتبطة بغشاء تسمى العضيات‬  Eukaryotes (Greek: eu-true; karyon-nucleus) include most other cells (plants, fungi, & animals) (‫( تشمل معظم الخاليا األخرى )النباتات والفطريات والحيوانات‬karyon-nucleus ‫؛‬eu-true :‫حقيقيات النوى )باليونانية‬  have a nucleus and membrane-bound organelles ‫تحتوي على نواة وعضيات محاطة بغشاء‬ Cell Organelles 1 Cell Organelles ‫يتكون من طبقة مزدوجة من الدهون الفوسفاتية والبروتينات وهو‬.‫ يتحكم في الحركة داخل وخارج الخلية‬،‫الغشاء الذي يحيط بالخلية هو هيكل رائع‬ ،‫ ومع ذلك‬.‫ مما يسمح لبعض املواد باملرور عبره ويستثني البعض اآلخر‬،‫نصف نافذ‬ ً ‫يمكن‬ ‫أيضا أن تتنوع النفاذية ألنها تحتوي على العديد من القنوات األيونية املنظمة وبروتينات النقل األخرى التي يمكنها تغيير كميات املواد التي تتحرك‬ 1- Cell Membrane ‫ ويشار إليه عمو ًما باسم غشاء البالزما‬.‫عبرها‬  The membrane that surrounds the cell is a remarkable structure, that controls movement in and out of the cell.  It is made up of double layer of phospholipids & proteins and is semipermeable, allowing some substances to pass through it and excluding others. However, its permeability can also be varied because it contains numerous regulated ion channels and other transport proteins that can change the amounts of substances moving across it. It is generally referred to as the plasma membrane  Although the chemical structures of membranes and their properties vary considerably from one location to another, they have certain common features : ،‫كبيرا من موقع إلى آخر‬ ً ‫على الرغم من أن التركيب الكيميائي لألغشية وخصائصها تختلف اختالفًا‬  They are generally about 7.5 nm (75 Å) thick. 75) ‫ نانومتر‬7.5 ‫يبلغ سمكها عمو ًما حوالي‬ :‫إال أنها تشترك في بعض السمات املشتركة‬ (‫أنجستروم‬  The major lipids are phospholipids such as phosphatidylcholine, and phosphatidylethanolamine..‫ وفوسفاتيديل إيثانوالمني‬،‫الدهون الرئيسية هي الدهون الفوسفاتية مثل فوسفاتيديل كولني‬  The shape of the phospholipid molecule reflects its solubility properties: the head end of the molecule contains the phosphate portion and is relatively soluble in water (polar, hydrophilic) and the tails are relatively insoluble (nonpolar, hydrophobic). ‫للجزيء على جزء الفوسفات وهو قابل للذوبان نسبيًا‬ ‫ يحتوي الطرف الرأسي‬:‫يعكس شكل جزيء الفسفوليبيد خصائص قابليته للذوبان‬.(‫ كارهة للماء‬،‫ محب للماء( والذيول غير قابلة للذوبان نسبيًا )غير قطبية‬،‫في املاء )قطبي‬  The possession of both hydrophilic and hydrophobic properties make the lipid an amphipathic molecule..‫مزدوجا‬ ً ‫إن امتالك كل من الخصائص املحبة للماء والكارهة للماء يجعل الدهون جزي ًءا‬  In the membrane, the hydrophilic ends of the molecules are exposed to the aqueous environment that bathes the exterior of the cells and the aqueous cytoplasm; the hydrophobic ends meet in the water-poor interior of the membrane. ‫السطحاملاءالخارجي للخاليا والسيتوبالزم‬ ‫ تتعرض أطراف الجزيئات املحبة للماء إلى البيئة املائية التي تغمر‬،‫في الغشاء‬ ‫املائي؛ تلتقي األطراف الكارهة للماء في الجزء الداخلي من الغشاء الذي يفتقر إلى‬ Cell Membrane Components ‫ تحتوي أغشية الخاليا على مختلف الشحميات‬،‫ لكن في حقيقيات النوى‬،‫ األغشية بسيطة نسبيًا‬،‫في بدائيات النوى‬.‫ والكوليسترول باإلضافة إلى الدهون الفوسفاتية والفوسفاتيديل كولني‬،‫ والسفينغوميلني‬،‫السفنغولية السكرية‬  In prokaryotes , the membranes are relatively simple, but in eukaryotes, cell membranes contain various glycosphingolipids, sphingomyelin, and cholesterol in addition to phospholipids and phosphatidylcholine.  Many different proteins are embedded in the membrane, with different structure and functions , these can be summarized as: :‫ ويمكن تلخيصها على النحو التالي‬،‫ ولها بنية ووظائف مختلفة‬،‫يوجد العديد من البروتينات املختلفة داخل الغشاء‬ o Integral proteins o ‫البروتينات املتكاملة‬ o peripheral proteins o ‫البروتينات الطرفية‬ 2  ‫تقوم البروتينات املوجودة في األغشية بالعديد من الوظائف‬ The proteins in the membranes carry out many functions: 1. Some are cell adhesion molecules that anchor cells to their neighbors or to basal laminas..‫بعضها عبارة عن جزيئات التصاق الخاليا التي تثبت الخاليا بجيرانها أو بالصفائح القاعدية‬ 2. Proteins function as pumps, actively transporting ions across the membrane..‫ حيث تنقل األيونات بشكل فعال عبر الغشاء‬،‫تعمل البروتينات كمضخات‬ 3. Other proteins function as carriers, transporting substances down electrochemical gradients by facilitated diffusion..‫ حيث تنقل املواد إلى أسفل التدرجات الكهروكيميائية عن طريق االنتشار امليسر‬،‫تعمل البروتينات األخرى كحامالت‬ 4. Still others are ion channels, which, when activated, permit the passage of ions into or out of the cell..‫ تسمح بمرور األيونات إلى داخل الخلية أو خارجها‬،‫ عند تنشيطها‬،‫ والتي‬،‫وبعضها اآلخر عبارة عن قنوات أيونية‬ 5. Proteins in another group function as receptors that bind ligands or messenger molecules, initiating physiologic changes inside the cell. ‫الروابط أو الجزيئات‬.‫الخلية‬ ‫تعمل البروتينات املوجودة في مجموعة أخرى كمستقبالت تربط‬ ‫ مما يؤدي إلى بدء التغيرات الفسيولوجية داخل‬،‫املرسال‬ 6. Proteins also function as enzymes, catalyzing reactions at the surfaces of the ً ‫تعمل البروتينات‬ membrane. ‫ حيث تحفز التفاعالت على أسطح الغشاء‬،‫أيضا كأنزيمات‬ Movement Across the Plasma Membrane ‫الحركة عبر غشاء البالزما‬  A few molecules move freely ‫تتحرك بعض الجزيئات بحرية‬  Water, Carbon dioxide, Ammonia, Oxygen ‫ األكسجني‬،‫ األمونيا‬،‫ ثاني أكسيد الكربون‬،‫املاء‬  Carrier proteins transport some molecules ‫تقوم البروتينات الحاملة بنقل بعض الجزيئات‬ 3 2. Cytoplasm  Viscous fluid surrounded by cell membrane ‫سائل لزج محاط بغشاء الخلية‬  It houses the membranous organelles ‫ويضم العضيات الغشائية‬ 3. Nucleus.‫النواة هي مركز معلومات الخلية‬  Nucleus is the cell information center..‫لها غشاء مزدوج يحيط بالكروموسومات والنواة‬  ‫إنه املكان الذي يحدث فيه تقريبًا كل تضاعف الحمض‬ It has double membrane surrounding the chromosomes and the nucleolus..(RNA) ‫النووي وتخليق الحمض النووي الريبي‬  It is the place where almost all DNA replication and RNA synthesis occur.  The nucleolus is a site for synthesis of RNA making up the ribosome ‫( الذي يشكل الريبوسوم‬RNA) ‫النواة هي موقع لتخليق الحمض النووي الريبي‬  The nucleus is made up in large part of the chromosomes, the structures in the nucleus that carry a complete genetic features & blueprint for all the heritable ‫ وهي الهياكل املوجودة في النواة والتي تحمل‬،‫تتكون النواة في جزء كبير منها من الكروموسومات‬ species and individual characteristics of the animal..‫سمات وراثية كاملة ومخططًا لجميع األنواع املوروثة والخصائص الفردية للحيوان‬  Except in germ cells, the chromosomes occur in pairs, one originally from each parent..‫ واحد في األصل من كل من الوالدين‬،‫ توجد الكروموسومات في أزواج‬،‫باستثناء الخاليا الجرثومية‬  Each chromosome is made up of a giant molecule of DNA. The DNA strand is about 2 m long, but it can fit in the nucleus because at intervals it is wrapped ‫ يبلغ طول شريط الحمض النووي حوالي‬.‫يتكون كل كروموسوم من جزيء عمالق من الحمض النووي‬ around a core of histone proteins to form a nucleosome. ‫ لكنه يمكن أن يتناسب مع النواة ألنه يلتف على فترات حول نواة بروتينات الهيستون ليشكل‬،‫ متر‬2.‫جسيما نوويًا‬ ً  The whole complex of DNA and proteins is called chromatin..‫يسمى املجمع الكامل للحمض النووي والبروتينات بالكروماتني‬  The ultimate units of heredity are the genes on the chromosomes, each gene is a portion of the DNA molecule..DNA ‫ وكل جني هو جزء من جزيء‬،‫الوحدات النهائية للوراثة هي الجينات املوجودة على الكروموسومات‬ 4 4. Mitochondria Mitochondria is the power generators ‫امليتوكوندريا هي مولدات الطاقة‬ ‫امليتوكوندريا محاطة بغشاء مزدوج يحتوي على سلسلة من الطيات تسمى األعراف والحمض النووي للميتوكوندريا‬ Mitochondria Surrounded by a double membrane with a series of folds called cristae and mitochondrial DNA : ‫يعمل في إنتاج الطاقة‬ It Functions in energy production : ،(‫ عن طريق الفسفرة التأكسدية )مجمعات الجهاز التنفسي‬ATP ‫ التي تزود الخاليا حقيقية النواة بالقدرة على تكوين املركب الغني بالطاقة‬،‫امليتوكوندريا‬ 1. Mitochondria, providing the eukaryotic cells with the ability to form the energy- rich compound ATP by oxidative phosphorylation (respiratory complexes ) , 2. Mitochondria perform other functions, including a role in the regulation of apoptosis (programmed cell death), but oxidative phosphorylation is the most crucial..‫ ولكن الفسفرة التأكسدية هي األكثر أهمية‬،(‫ بما في ذلك دور في تنظيم موت الخاليا املبرمج )موت الخلية املبرمج‬،‫تؤدي امليتوكوندريا وظائف أخرى‬ Respiratory complexes generating ATP 5. Cytoskeleton ً ‫ بل يسمح لها‬،‫ وهو نظام من األلياف ال يحافظ على بنية الخلية فحسب‬،‫تحتوي جميع الخاليا على هيكل خلوي‬.‫أيضا بتغيير شكلها وحركتها‬ All cells have a cytoskeleton, a system of fibers that not only maintains the structure of the cell but also permits it to change shape and move. Filaments & fibers made of 3 types ‫ أنواع‬3 ‫ الخيوط واأللياف املصنوعة من‬ Microfilaments ‫ األلياف الدقيقة‬ Microtubules ‫ أنابيب مجهرية‬ ‫ املتوسطة الشعيرات‬ Intermediate filaments 5 It Has 3 functions: Mechanical support ‫ دعم ميكانيكي‬ Anchor organelles ‫ العضيات املرساة‬ ‫ املساعدة في نقل املواد‬ Help move substances 6. Rough Endoplasmic Reticulum RER ‫ وتتكون جدران األنابيب من‬.‫الشبكة اإلندوبالزمية عبارة عن سلسلة معقدة من األنابيب في سيتوبالزم الخلية‬.‫غشاء‬ The endoplasmic reticulum is a complex series of tubules in the cytoplasm of the cell.The tubule walls are made up of membrane. The RER membranous organelle is covered with ribosomes (causing the "rough" appearance) ("‫ مغطاة بالريبوسومات )مما يسبب املظهر "الخشن‬RER ‫العضية الغشائية‬ Manufacture proteins ‫ تصنيع البروتينات‬ Not all ribosomes attached to rough ER ‫ الخام‬ER ‫ ليست كل الريبوسومات مرتبطة بـ‬ ‫ قد يعدل البروتينات من الريبوسومات‬ May modify proteins from ribosomes 7. Smooth Endoplasmic Reticulum SER ‫ ال يرتبط بالريبوسومات‬ Not attached to ribosomes ‫ الشبكة اإلندوبالزمية عديمة الحبيبات هي املوقع الذي يساعد على بناء الجزيئات‬ The agranular endoplasmic reticulum is the site that help build molecules Carbohydrates ‫ الكربوهيدرات‬ ‫ الدهون‬ Lipids Steroid synthesis in steroid-secreting cells and the site of detoxification processes in other cells..‫تخليق الستيرويد في الخاليا املفرزة للستيرويد وموقع عمليات إزالة السموم في الخاليا األخرى‬ 6  8. Ribosomes ‫ ريبوسوم‬RNA ‫الريبوسومات عبارة عن هياكل معقدة تحتوي على العديد من البروتينات املختلفة وما ال يقل عن ثالثة‬ The ribosomes are complex structures, containing many different proteins and at least three ribosomal RNAs..‫ويتكون كل منها من وحدة فرعية كبيرة وصغيرة‬ Each is made up of a large and a small subunit. The ribosomes in eukaryotes measure approximately 22 × 32 nm. Each cell contains thousands ribosomes ‫ تحتوي كل خلية على آالف الريبوسومات‬.‫ نانومتر‬32 × 22 ‫يبلغ حجم الريبوسومات في حقيقيات النوى حوالي‬ They are the sites of protein synthesis..‫ وهي مواقع تخليق البروتني‬ ‫ ويطفو بحرية في جميع أنحاء الخلية‬RER ‫ موجود على‬ Found on RER & floating freely throughout the cell ‫ يوجد عادة حوالي‬.‫ عبارة عن مجموعة من األكياس املغلفة بغشاء والتي يتم تكديسها مثل أطباق العشاء‬.‫يعتبر جهاز جولجي بمثابة محطة التغليف والشحن للخلية‬ 9. Golgi Apparatus ‫ وعادة ما يكون بالقرب من‬،‫ يوجد جهاز جولجي واحد أو أكثر في جميع الخاليا حقيقية النواة‬.‫ ولكن قد يكون هناك أكثر من ذلك‬،‫ستة أكياس في كل جهاز‬.‫نواة‬ The Golgi apparatus considered the packaging & shipping station of cell. It is a collection of membrane-enclosed sacs that are stacked like dinner plates. There are usually about six sacs in each apparatus, but there may be more. One or more Golgi apparati are present in all eukaryotic cells, usually near the nucleus..‫ إنزيم تعمل على إضافة أو إزالة أو تعديل السكريات من البروتينات والدهون في جهاز جولجي‬200 ‫ ويوجد أكثر من‬،‫ يتم توجيه جهاز جولجي نحو الغليكوزيل املناسب للبروتينات والدهون‬:‫الوظائف‬ Functions : the Golgi is directed at proper glycosylation of proteins and lipids, There are more than 200 enzymes that function to add, remove, or modify sugars from proteins and lipids in the Golgi apparatus 10 - Lysosomes ‫الليزوزومات عبارة عن هياكل كبيرة غير منتظمة محاطة بغشاء موجود في سيتوبالزم الخلية‬ Lysosomes are large, irregular structures surrounded by membrane found in the cytoplasm of the cell. ‫الجزء الداخلي من هذه الهياكل أكثر حمضية من بقية السيتوبالزم‬ The interior of these structures, is more acidic than the rest of the cytoplasm. External material such as endocytosed bacteria, as well as worn-out cell components, are digested in them. ‫ وكذلك مكونات الخاليا البالية‬،‫يتم هضم املواد الخارجية مثل البكتيريا امللقحة‬ Lysosomes can contain over 40 types of hydrolytic enzymes. Not surprisingly, these enzymes are all acid hydrolases, in that they function best at the acidic pH of the lysosomal compartment. ‫ ليس من املستغرب أن تكون هذه اإلنزيمات‬.‫ نو ًعا من اإلنزيمات املحللة‬40 ‫يمكن أن تحتوي الليزوزومات على أكثر من‬.‫ حيث أنها تعمل بشكل أفضل عند الرقم الهيدروجيني الحمضي للحجرة الليزوزومية‬،‫كلها هيدروالت حمضية‬ 7  Lysosomal enzymes 11- Peroxisomes.‫ ويوجد في جميع الخاليا حقيقية النواة تقريبًا‬،‫البيروكسيسوم [ هو نوع من العضيات املعروفة باسم الجسم الصغير‬ A peroxisome ] is a type of organelle known as a microbody, found in virtually all eukaryotic cells. They are involved in catabolism of very long chain fatty acids, branched chain fatty acids, D-amino acids, and polyamines, reduction of reactive oxygen ‫ واألحماض‬،‫ واألحماض الدهنية ذات السلسلة املتفرعة‬،‫وهي تشارك في تقويض األحماض الدهنية ذات السلسلة الطويلة جدًا‬ species – specifically hydrogen peroxide..‫ وخاصة بيروكسيد الهيدروجني‬- ‫ وتقليل أنواع األكسجني التفاعلية‬،‫ والبوليامينات‬،D ‫األمينية‬ Peroxisomes are 0.5 µm in diameter, Peroxisomes can form by budding of endoplasmic reticulum..‫ ويمكن أن تتشكل عن طريق تبرعم الشبكة اإلندوبالزمية‬،‫ ميكرومتر‬0.5 ‫يبلغ قطر البيروكسيسومات‬ 12. Centrioles ‫أزواج من الهياكل األنبوبية الدقيقة يوجد بالقرب من النواة في سيتوبالزم الخاليا حقيقية النواة جسيم مركزي‬ Pairs of microtubular structures Near the nucleus in the cytoplasm of eukaryotic cells is a centrosome. Play a role in cell division , When a cell divides, the centrosomes duplicate themselves, and the pairs move apart to the poles of the mitotic spindle, where they monitor the steps ‫ وتتحرك األزواج بعيدًا عن أقطاب‬،‫ تتضاعف الجسيمات املركزية نفسها‬،‫الخطواتتنقسم الخلية‬ ‫ فعندما‬،‫دورا في انقسام الخاليا‬ ً ‫تلعب‬ ‫ حيث تراقب‬،‫املغزل االنقسامي‬ Q/ Discuss the role of centrioles in cell division ?‫ناقش دور املريكزات في انقسام الخاليا؟‬ A/ Through a mechanism that is still incompletely understood, the centrosome replicates , if a cell is going to divide during prophase of mitosis,. two identical centrosomes then move away from each other and take up positions at opposite poles of the cell , At this time, the centrosomes produce new dynamic microtubules for chromosomes. A microtubule becomes stabilized when it finally binds to the proper region of a chromosome and the spindle fibers are contractile actin and myosin ‫ ثم يتحرك اثنان من الجسيمات املركزية‬.‫ إذا كانت الخلية ستنقسم أثناء الطور االنقسامي‬،‫ يتضاعف الجسيم املركزي‬،‫من خالل آلية ال تزال غير مفهومة بشكل كامل‬ ‫املتطابقة بعي ًدا عن بعضهما البعض ويتخذان مواقعهما في قطبني متقابلني‬ ‫أخيرا بالصحيح‬ ً ‫يرتبط‬ ‫عندما‬ ‫ا‬‫مستقر‬ ً ‫الدقيق‬ ‫األنبوب‬ 8 ‫يصبح‬.‫للكروموسومات‬ ‫جديدة‬ ‫ تنتج الجسيمات املركزية أنابيب دقيقة ديناميكية‬،‫ في هذا الوقت‬،‫الخلية‬ ‫منطقة الكروموسوم واأللياف املغزلية هي األكتني املقلص وامليوسني‬.‫تقوم البروتينات بسحب الكروموسومات إلى القطبني املتقابلني للخلية أثناء االنقسام الفتيلي بحيث تنضغط الخلية إلى الداخل لتشكل خليتني ابنتيتني متماثلتني‬ proteins pull the chromosomes to opposite poles of the cell during mitosis so that cell pinches inward into two identical daughter cells. The role of centrioles in cell division ( mitosis). ‫لالطالع‬ 9 Summary for cell structure and functions 10 Microscope : is A tool for examining cellular constituents is the microscope. A light microscope can resolve structures as close as 0.2 µm, while an electron microscope can resolve structures as close as 0.002 µm. Although cell dimensions are quite variable, this resolution can give us a good look at the inner workings of the cell. Many of them can be isolated by ultracentrifugation combined with other techniques. When cells are homogenized and the resulting suspension is centrifuged, the nuclei sediment first, followed by the mitochondria. High-speed centrifugation that generates forces of 100,000 times gravity or more causes a fraction made up of granules called the microsomes to sediment. This fraction includes organelles such as the ribosomes and peroxisomes 11