Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Конспекты лекций по биологии - файл 1.docx


Конспекты лекций по биологии
скачать (6603.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.docx6604kb.17.11.2011 19:38скачать

содержание
Загрузка...

1.docx

  1   2   3   4   5   6   7   8   9
Реклама MarketGid:
Загрузка...
1.1. Основные свойства и уровни организации живой природы

Уровни организации живых систем отражают соподчиненность, иерархичность структурной организации жизни:

• молекулярно-генетический — отдельные биополимеры (ДНК, РНК, белки);

• клеточный — элементарная самовоспроизводящаяся единица жизни (прокариоты, одноклеточные эукариоты), ткани, органы;

• организменный — самостоятельное существование отдельной особи;

• популяционно-видовой — элементарная эволюционирующая единица — популяция;

• биогеоценотический — экосистемы, состоящие из разных популяций и среды их обитания;

• биосферный — все живое население Земли, обеспечивающее круговорот веществ в природе.

Природа — это весь существующий материальный мир во всем многообразии его форм. Единство природы проявляется в объективности ее существования, общности элементного состава, подчиненности одним и тем же физическим законам, в системности организации. Различные природные системы, как живые, так и неживые, взаимосвязаны и взаимодействуют между собой. Примером системного взаимодействия является биосфера.

Биология — это комплекс наук, изучающих закономерности развития и жизнедеятельности живых систем, причины их многообразия и приспособленности к окружающей среде, взаимосвязь с другими живыми системами и объектами неживой природы.

Объектом исследования биологии является живая природа.

Предметом исследования биологии являются:

• общие и частные закономерности организации, развития, обмена веществ, передачи наследственной информации;

• разнообразие форм жизни и самих организмов, а также их связи с окружающей средой.

Все многообразие жизни на Земле объясняется эволюционным процессом и действием окружающей среды на организмы.

Сущность жизни определяется М.В. Волькенштейном как существование на Земле «живых тел, представляющих собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот».

Основные свойства живых систем:

• обмен веществ;

• саморегуляция;

• раздражимость;

• изменчивость;

• наследственность;

• размножение;

^ 1.2. Химический состав клетки. Неорганические вещества клетки

Цитология — наука, изучающая строение и функции клеток. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живых организмов. Клеткам одноклеточных организмов присущи все свойства и функции живых систем. Клетки многоклеточных организмов дифференцированы по строению и функциям.

Атомный состав: в состав клетки входит около 70 элементов Периодической системы элементов Менделеева, причем 24 из них присутствуют во всех типах клеток.

Макроэлементы — Н, О, N, С, микроэлементы — Mg, Na, Са, Fe, К, Р, CI, S, ультрамикроэлементы — Zn, Сu, I, F, Мn, Со, Si и др.

Молекулярный состав: в состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.

Неорганические вещества клетки
Вода. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.

^ Рис. 1. Молекула воды Рис. 2. Водородные связи между молекулами воды

Физические свойства воды:

• вода может находиться в трех состояниях — жидком, твердом и газообразном;

• вода — растворитель. Полярные молекулы воды растворяют полярные молекулы других веществ. Вещества, растворимые в воде, называют гидрофильными. Вещества, не растворимые в воде, — гидрофобными;

• высокая удельная теплоемкость. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство воды обеспечивает поддержание теплового баланса в организме;

• высокая теплота парообразования. Для испарения воды необходима достаточно большая энергия. Температура кипения воды выше, чем у многих других веществ. Это свойство воды предохраняет организм от перегрева;

• молекулы воды находятся в постоянном движении, они сталкиваются друг с другом в жидкой фазе, что немаловажно для процессов обмена веществ;

• сцепление и поверхностное натяжение. Водородные связи обусловливают вязкость воды и сцепление ее молекул с молекулами других веществ (когезия). Благодаря силам сцепления молекул на поверхности воды создается пленка, которую характеризует поверхностное натяжение;

• плотность. При охлаждении движение молекул воды замедляется. Количество водородных связей между молекулами становится максимальным. Наибольшую плотность вода имеет при 4°С. Замерзая, вода расширяется (необходимо место для образования водородных связей), и ее плотность уменьшается, поэтому лед плавает на поверхности воды, что защищает водоем от промерзания;

• способность к образованию коллоидных структур. Молекулы воды образуют вокруг нерастворимых молекул некоторых веществ оболочку, препятствующую образованию крупных частиц. Такое состояние этих молекул называется дисперсным (рассеянным). Мельчайшие частицы веществ, окруженные молекулами воды, образуют коллоидные растворы (цитоплазма, межклеточные жидкости).

Биологические функции воды:

• транспортная — вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почвы и к водоемам;


• метаболическая — вода является средой для всех биохимических реакций и донором электронов при фотосинтезе, она необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров;

• участвует в образовании:

1) смазывающих жидкостей, которые уменьшают трение (синовиальная — в суставах позвоночных животных, плевральная, в плевральной полости, перикардиальная — в околосердечной сумке);

2) слизей, которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей;

3) секретов (слюна, слезы, желчь, сперма и т.д.) и соков в организме.

Неорганические ионы. Неорганические ионы клетки представлены: катионами К+, Na+, Са2+, Mg2+, NH3 и анионами Сl-, NOi2-, H2PO4-, HCO3-, HPO42-.

Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения.

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6—9.

Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 4—7.

Соединения азота служат источником минерального питания, синтеза белков, нуклеиновых кислот. Атомы фосфора входят в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, а также костей позвоночных, хитинового покрова членистоногих. Ионы кальция входят в состав вещества костей, они также необходимы для осуществления мышечного сокращения, свертывания крови.

^ 1.3 Органические вещества клетки. Углеводы, липиды

Углеводы.

Общая формула: Сn (Н20)n.

Функции растворимых в воде углеводов:

транспортная, защитная, сигнальная, энергетическая.

Моносахариды: глюкоза — основной источник энергии для клеточного дыхания; фруктоза — составная часть нектара цветов и фруктовых соков; рибоза и дезоксирибоза — структурные элементы нуклеотидов, являющихся мономерами РНК и ДНК.

Дисахариды: сахароза (глюкоза + фруктоза) — основной продукт фотосинтеза, транспортируемый в растениях; лактоза (глюкоза + галактоза) — входит в состав молока млекопитающих; мальтоза (глюкоза + глюкоза) — источник энергии в прорастающих семенах.

Полимерные углеводы: крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин. Они не растворимы в воде.

Функции полимерных углеводов:

структурная, запасающая, энергетическая, защитная.

Крахмал — смесь двух полимеров а-глюкозы — амилозы и амилопектина. Состоит из разветвленных спирализован-ных молекул, образующих запасные вещества в тканях растений.

Гликоген — запасное вещество животной клетки, мономером которого является Р-глюкоза.

Целлюлоза — полимер, образованный остатками B(бэта)-глю-козы, состоящими из нескольких прямых параллельных цепей, соединенных водородными связями. Такая структура препятствует проникновению воды и обеспечивает устойчивость целлюлозных оболочек растительных клеток.

Хитин — состоит из аминопроизводных B(бэта)-глюкозы. Основной структурный элемент покровов членистоногих и клеточных стенок грибов.


Липиды — сложные эфиры жирных кислот и глицерина. Нерастворимы в воде, но растворимы в неполярных растворителях. Присутствуют во всех клетках. Состоят из атомов водорода, кислорода и углерода.

Виды липидов: жиры, воски, фосфолипиды, стеролы (стероиды).

Функции липидов:

• структурная — фосфолипиды входят в состав клеточных мембран;

• запасающая — жиры накапливаются в клетках позвоночных животных;

• энергетическая — треть энергии, потребляемой клетками позвоночных животных в состоянии покоя, образуется в результате окисления жиров, которые используются и как источник воды;

• защитная — подкожный жировой слой защищает организм от механических повреждений;

• теплоизоляционная — подкожный жир помогает сохранить тепло;

• электроизоляционная — миелин, выделяемый клетками Шванна, изолирует некоторые нейроны, что во много раз ускоряет передачу нервных импульсов;

• питательная — желчные кислоты и витамин D образуются из стероидов;

• смазывающая — воски покрывают кожу, шерсть, перья животных и предохраняют их от воды; восковым налетом покрыты листья многих растений; воск используется пчелами в строительстве сот;

• гормональная — гормон надпочечников — кортизон и половые гормоны имеют липидную природу, их молекулы не содержат жирных кислот.

^ 1.4. Белки, их строение и функции

Белки — это биологические гетерополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Полимеры, состоящие из аминокислот, называют полипептидами. Белки синтезируются в живых организмах и выполняют в них определенные функции.

Белки — это активные полипептиды. В состав белков может входить 20 различных аминокислот. Чередование разных аминокислот в полипептидной цепи позволяет получать огромное количество разных белков.

Белки отличаются друг от друга последовательностью аминокислот, которая образует его первичную структуру. Она, в свою очередь, зависит от последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК (гене), кодирующем данный белок.

Во вторичной структуре молекула белка имеет вид спирали. Между СО и NH — группами аминокислотных остатков соседних витков спирали возникают водородные связи, удерживающие цепь.

Молекула белка, имеющая сложную конфигурацию в виде глобулы, приобретает третичную структуру. Прочность этой структуры обеспечивается гидрофобными, водородными, ионными и дисульфидными связями.

Некоторые белки имеют четвертичную структуру, образованную несколькими полипептидными цепями (третичными структурами). Четвертичная структура также удерживается слабыми нековалентными связями — ионными, водородными, гидрофобными. Однако прочность этих связей невелика и структура может быть легко нарушена.

Нарушение (денатурация) четвертичной, третичной и вторичной структур обратимо. Разрушение первичной структуры необратимо.



^ Рис. 4. Вторичная структура Рис. 6. Четвертичная молекулы белка структура белковой молекулы
Функции белков:

• структурная — белки входят в состав клеточных мембран, белок кератин образует волосы и ногти, белки коллаген и эластин — хрящи и сухожилия;

• каталитическая (ферментативная) — белки ускоряют расщепление питательных веществ в пищеварительном тракте, фиксацию углерода при фотосинтезе, участвуют в реакциях матричного синтеза.

Ферменты — это специфические белки, обладающие активным центром — участком молекулы, соответствующим по геометрической конфигурации молекулам субстрата. Каждый фермент ускоряет одну, и только одну реакцию (как в прямом, так ив обратном направлении). Скорость ферментативных реакций зависит от температуры среды, уровня ее рН, а также концентраций реагирующих веществ и фермента;

^ Рис. 7—9. Влияние концентрации фермента, температуры и реакции среды на скорость ферментативной реакции
• транспортная — белки обеспечивают активный транспорт ионов через клеточные мембраны, кислорода и углекислого газа (гемоглобин), жирных кислот (сывороточный альбумин);

• защитная — антитела обеспечивают иммунную защиту организма, фибриноген и фибрин защищают организм от кровопотерь;



• сократительная — обеспечивается сократительными белками — актином и миозином;

• сигнальная — белковые молекулы могут принимать сигналы и служить их переносчиками в организме (гормонами).

^ 1.5. Нуклеиновые кислоты. Реакции матричного синтеза

ДНК —линейный полимер, имеющий вид двойной спирали, образованной парой антипараллельных комплементарных цепей. Мономерами ДНК являются нуклеотиды.

Каждый нуклеотид ДНК состоит из пуринового (А — аде-нин или Г — гуанин) или пиримидинового (Т — тимин или Ц — цитозин) азотистого основания, пятиуглеродного сахара — дезоксирибозы и фосфатной группы.

Молекула ДНК имеет следующие параметры: ширина спирали около 2 нм, шаг, или полный оборот спирали, — 3,4 нм. В одном шаге содержится 10 комплементарных пар нуклео-тидов.

Нуклеотиды в молекуле ДНК обращены друг к другу азотистыми основаниями и объединены парами в соответствии с правилами комплементарности: напротив аденина расположен тимин, напротив гуанина — цитозин. Пара А-Т соединена двумя водородными связями, а пара Г-Ц — тремя.

Остов цепей ДНК образован сахарофосфатными остатками.

Репликация ДНК — это процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый под контролем ферментов.

На каждой из цепей, образовавшихся после разрыва водородных связей, при участии фермента ДНК-полимеразы синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, имеющиеся в цитоплазме клеток.

Синтез дочерних молекул на соседних цепях идет с разной скоростью. На одной цепи новая молекула собирается непрерывно, на другой — с некоторым отставанием и фрагментарно. После завершения процесса фрагменты новых молекул ДНК сшиваются ферментом ДНК-лигазой. Так, из одной молекулы ДНК возникает две, являющиеся точной копией друг друга и материнской молекулы. Такой способ репликации называют полуконсервативным.
^ Рис. 10. Участок двойной спирали ДНК

Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерним, что и происходит при делении соматических клеток.



Репарация ДНК — механизм, обеспечивающий способность к исправлению нарушенной последовательности нуйлеоти-дов в молекуле ДНК.

Если при репликации ДНК последовательность нуклео-тидов в ее молекуле нарушается в силу каких-либо причин, то в большинстве случаев эти повреждения устраняются клеткой самостоятельно. Изменение обычно происходит в одной из цепей ДНК. Вторая цепь остается неизмененной. Поврежденный участок первой цепи может «вырезаться» с помощью ферментов — ДНК репарирующих нуклеаз. Другой фермент — ДНК-полимераза копирует информацию с неповрежденной цепи, вставляя необходимые нуклеотиды в поврежденную цепь. Затем ДНК-лигаза «сшивает» молекулу ДНК, и поврежденная молекула восстанавливается.

РНК — линейный полимер, состоящий, как правило, из одной цепи нуклеотидов. В составе РНК тиминовый нуклео-тид замещен на урациловый (У). Каждый нуклеотид РНК содержит пятиуглеродный сахар — рибозу, одно из четырех азотистых оснований и остаток фосфорной кислоты.

Матричная, или информационная, РНК синтезируется в ядре при участии фермента РНК-полимеразы, комплементарна участку ДНК, на котором происходит синтез, составляет 5% РНК клетки. Рибосомная РНК синтезируется в ядрышке и входит в состав рибосом, составляет 85% РНК клетки. Транспортная РНК (более 40 видов) переносит аминокислоты к месту синтеза белка, имеет форму клеверного листа и состоит из 70—90 нуклеотидов.

^ Рис. 11. Схема тРНК
К реакциям матричного синтеза относят репликацию ДНК, синтез РНК на ДНК (транскрипцию), синтез белка на мРНК (трансляцию), а также синтез РНК или ДНК на РНК вирусов.

При транскрипции фермент РНК-полимераза присоединяется к группе нуклеотидов ДНК — промотору. Промотор указывает место, с которого должен начаться синтез мРНК. Она строится из свободных нуклеотидов комплементарно молекуле ДНК. Фермент работает до тех пор, пока не встретит еще одну группу нуклеотидов ДНК — стоп-сигнал, возвещающий о конце синтеза мРНК.



Молекула мРНК выходит в цитоплазму на рибосомы, где происходит синтез полипептидных цепей. Процесс перевода информации, содержащейся в последовательности нуклеотидов мРНК, в последовательность аминокислот в полипептиде называется трансляцией.

Определенная аминокислота доставляется к рибосомам определенным видом тРНК.


^ 1.6. Клеточная теория. Особенности строения прокариотических и эукариотических клеток

Основные положения современной клеточной теории:

• все простые и сложные организмы состоят из клеток, способных к обмену с окружающей средой веществами, энергией, биологической информацией;

• клетка — элементарная структурная, функциональная и генетическая единица живого;

• клетка — элементарная единица размножения и развития живого;

• в многоклеточных организмах клетки дифференцированы по строению и функциям. Они объединены в ткани, органы и системы органов;

• клетка представляет собой элементарную, открытую живую систему, способную к саморегуляции, самообновлению и воспроизведению.

В соответствии с особенностями строения ядра и цитоплазмы различают два типа клеток — клетки прокариот и клетки эукариот.

^ Органоид Функция Бактерии Раст Жив-ые

Ядро Хранение наследственной информации, синтез РНК Нет Есть Есть

Хромосома Наследственный материал, состоящий из линейной ДНК Нет Есть Есть

Рибосомы Органеллы, состоящие из двух частей, производят синтез белка Есть Есть Есть

^ Митохондрии Органеллы, покрытые двойной мембраной, синтезируют АТФ(ATP) Нет Есть Есть

Комплекс Производит синтез сложных белков, полисахаридов, их накопление и Нет Есть Есть

Гольджи секрецию

^ ЭПС Производит синтез и транспорт белков и липидов Нет Есть Есть

Центриоль Во время деления клетки образует веретено деления Нет Нет Есть

Хлоропласты Производят синтез органических веществ из воды и углекислого газа Нет Есть Нет

с выделением кислорода

Лейкопласты Производят накопление крахмала Нет Есть Нет

^ Хромопласты Придают окраску плодам и цветкам растения, т.к. содержат ксантофилл Нет Есть Нет

Лизосомы Производят расщепление различных органических веществ Нет Нет Есть

^ Пероксисомы Производят синтез и транспорт белков и липидов Нет Есть Есть

Клеточная Полисахаридная оболочка над клеточной мембраной, защищающая клетку Есть Есть Нет

оболочка

^ Вакуоли Накапливают клеточный сок Нет Есть Нет

Цитоскелет Придаёт форму клетке Нет Есть Есть

Органеллы Служат для перемещения в пространстве (реснички и др.) Есть Нет Нет

перемещ.

Мезосомы Осуществляют дыхание и синтез органических веществ Есть Нет Нет


^ 1.7. Фотосинтез и хемосинтез

Фотосинтез — процесс образования органических соединений из диоксида углерода (СО2) и воды с использованием и преобразованием энергии света. Происходит у зеленых растений, цианобактерий и водорослей.
Красный и синий свет улавливается фотосинтезирующим пигментом — хлорофиллом, встроенным во внутреннюю мембрану пластид или в складки цитоплазматической мембраны прокариот. Зеленый свет отражается от листа, поэтому мы видим листья зелеными.

Фотосинтез подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода. Их не совсем точно называют световой и темновой фазами.

Световая фаза — это этап, на котором энергия света, поглощенная хлорофиллом, преобразуется в химическую энергию АТФ и НАДФН2. Осуществляется на свету в мембранах гран при участии белков-переносчиков и АТФ-синтетазы.

Реакции, вызываемые светом, происходят на фотосинтетических мембранах гран хлоропластов:

• возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;

• восстановление акцепторов электронов — НАДФ+ до НАДФН2:

2Н+ + 4е - +НАДФ+ -> НАДФН2;

• фотолиз воды, происходящий при участии квантов света:

2Н2O-> 4Н++ 4е- + O2.

Процесс происходит внутри тилакоидов гран хлоропластов;

• протоны водорода Н+ накапливаются в Н+-резервуаре внутри граны. Их накопление на внутренней стороне мембраны приводит к нарастанию разности потенциалов. При этом внутренняя сторона мембраны заряжается положительно, за счет протонов, а наружная — отрицательно, за счет электронов;

• начинает работать протонная помпа, обеспечивающая движение протонов из тилакоидов в строму через канал АТФ-синтетазы под действием электрического поля. В строме же находится АДФ и остатки фосфорной кислоты, которые используются для синтеза АТФ.

Результатами световых реакций являются: образование кислорода, синтез АТФ, восстановление НАДФН2.

Темновая фаза — процесс преобразования СO2 в глюкозу в строме хлоропластов с использованием энергии АТФ и НАДФН2.

Реакции фиксации углерода — это последовательные преобразования СO2 в глюкозу:

• сначала происходит фиксация молекул С02 1-5-рибуло-зодифосфатом, при участии ферментов;

• затем диоксид постепенно восстанавливается до глюкозы при участии АТФ и НАДФН2 (Цикл Кальвина):

СO2 + 24Н -> С6Н12O6 + 6Н2O;


^ Рис. 12. Схема фотосинтеза

• помимо молекул глюкозы в строме образуются аминокислоты, нуклеотиды, спирты.

Суммарное уравнение фотосинтеза:


Значение фотосинтеза:

• фотосинтез обеспечивает производство исходных органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ;

• в процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов;

• кислородом образован защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения;

• фотосинтез способствует снижению концентрации диоксида углерода в атмосфере.

Хемосинтез — образование органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно-восстановительных реакций соединений азота, железа, серы. Существует несколько видов хемосинтетических реакций:

• окисление аммиака до азотистой и азотной кислот нитрифицирующими бактериями:



• превращение двухвалентного железа в трехвалентное железобактериями:
• окисление сероводорода до серы или серной кислоты серобактериями:

Выделяемая энергия используется для синтеза органических веществ.

Роль хемосинтеза: бактерии-хемосинтетики разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых.

^ 1.8. Биосинтез белка

Биосинтез белка — это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определенную последовательность аминокислот в белковых молекулах.

Этапы биосинтеза одного вида белка в клетке:

• сначала происходит синтез мРНК на определенном участке одной из цепей молекулы ДНК;

• мРНК выходит через поры ядерной мембраны в цитоплазму и прикрепляется к малой субъединице рибосом;

• к этой же субъединице рибосомы присоединяется ини-циаторная тРНК, антикодон которой взаимодействует со стартовым кодоном мРНК — АУГ, затем из малой и большой частиц формируется рабочая рибосома;
• на противоположном антикодону конце молекулы ини-циаторной тРНК находится аминокислота метионин (ее код — АУГ). Карбоксильная группа метионина присоединяется к аминогруппе следующей аминокислоты, доставленной на рибосому;

• при включении новой аминокислоты рибосома передвигается вперед на три нуклеотида. Аминокислоты, доставленные на рибосомы, ориентированы по отношению друг к другу так, что карбоксильная группа одной аминокислоты оказывается рядом с аминогруппой другой аминокислоты. В результате между ними образуется пептидная связь;

• рибосома движется вдоль мРНК, пока не достигнет одного из ее трех стоп-кодонов — УАА, УАГ или УГА;

• после этого полипептид покидает рибосому и направляется в цитоплазму. На одной молекуле мРНК находятся несколько рибосом, образующих полисому. Именно на полисомах и происходит одновременный синтез нескольких одинаковых полипептидных цепей;

• каждый этап биосинтеза катализируется соответствующим ферментом и обеспечивается энергией АТФ;

• биосинтез происходит в клетках с огромной скоростью (в организме высших животных в одну минуту образуется до 60 тыс. пептидных связей).

Точность белкового синтеза обеспечивается следующими механизмами:

• фермент аминоацил-тРНК-синтетазы обеспечивает связывание строго определенной аминокислоты с соответствующими молекулами транспортной РНК;

• транспортная РНК, присоединившая аминокислоту, своим антикодоном связывается с кодоном на информационной РНК в месте прикрепления рибосомы. Только после узнавания молекулой тРНК «своего» кодона аминокислота включается в растущую полипептидную цепь.

^ 1.9. Энергетический обмен в клетке



Энергетический обмен — это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Синтезированная АТФ становится универсальным источником энергии для жизнедеятельности организмов.

Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа, каждый из которых сопровождается несколькими ферментативными реакциями. Участие ферментов снижает энергию активации химических реакций, благодаря чему энергия выделяется не сразу (как при зажигании спички), а постепенно.
Первый этап — подготовительный. В желудочно-кишечном тракте многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных — ферментами лизосом. На первом этапе происходит расщепление белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Этот процесс называют пищеварением.

Второй этап — бескислородный (гликолиз). Происходит в цитоплазме клеток. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Ее бескислородное расщепление называют анаэробным гликолизом. Он состоит из ряда последовательных реакций по превращению глюкозы в лактат. Его присутствие в мышцах хорошо известно уставшим спортсменам.

В ходе гликолиза образуется большое количество энергии, часть которой рассеивается в виде тепла, а часть используется на синтез АТФ.

Суммарное уравнение реакций гликолиза выглядит следующим образом:

Молекула С3Н4О3 — пировиноградная кислота, или пиру-ват, может восстанавливаться до этилового спирта при спиртовом брожении у дрожжей или в клетке растений, а может превращаться в лактат, как это происходит у некоторых бактерий или в мышцах животных.

СН3СОСООН + НАДН -> С3Н6O3 + НАД + лактат.

Третий этап — кислородный, состоящий из цикла Кребса и окислительного фосфорилирования. Он стал возможным после накопления в атмосфере достаточного количества молекулярного кислорода. Происходит в митохондриях клеток.



^ Рис. 13. Схема синтеза АТФ в митохондриях

Пировиноградная кислота (ПВК), попав в митохондрии, взаимодействует с коферментом А (КоА). В результате образуется ацетилкофермент А, который включается в цикл Кребса, названный по имени нобелевского лауреата Ганса Кребса.

Суммарная реакция гликолиза и цикла Кребса:

^ C6H12O6 + 6Н2O 6СO2 + 4АТФ + 8НАДН2 + 2НАДФН2 + + 2ФАДН2.

Большая часть энергии сберегается в переносчиках электронов — НАД и ФАД. Энергия молекул-переносчиков используется в следующей стадии — стадии окислительного фосфорилирования.

Окислительное фосфорилирование (клеточное дыхание) происходит на внутренних мембранах митохондрий, в кото-рые встроены молекулы — переносчики электронов. В ходе »той стадии освобождается большая часть метаболической энергии. Молекулы-переносчики транспортируют электроны к молекулярному кислороду. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.

АТФ образуется в результате работы протонной помпы, протаскивающей протоны Н+ через канал АТФ-азы на внутреннюю поверхность мембраны. Протоны, взаимодействуя с кислородом, образуют воду, а энергия протонов используется для фосфорилирования АДФ в АТФ.

Реакции в дыхательной цепи:

НАД(Ф)Н2+ O2 НАД(Ф) + Н2O + ЗАТФ;

ФАДН2 + O2 -> ФАД + Н2O = 2АТФ.

Суммарная реакция энергетического обмена:

С6Н12О6 + 6O2 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.

^ 1.10. Взаимосвязь энергетического и пластического обмена в клетках животных и растений



Обмен веществ (метаболизм) — это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепления, сопровождающихся поглощением и выделением энергии и превращением химических веществ клетки. Его иногда разделяют на пластический и энергетический обмен, которые связаны между собой. Все синтетические процессы нуждаются в веществах и энергии, поставляемых процессами расщепления. Процессы расщепления катализируются ферментами, синтезирующимися в ходе пластического обмена, с использованием продуктов и энергии энергетического обмена.

Для отдельных процессов, происходящих в организмах, используют следующие термины:

Ассимиляция — синтез полимеров из мономеров.

Диссимиляция — распад полимеров на мономеры.

Анаболизм — синтез более сложных мономеров из более простых.

Катаболизм распад более сложных мономеров на более простые.

Живые существа используют световую и химическую энергию. Автотрофы используют в качестве источника углерода углекислый газ. Гетеротрофы используют органические источники углерода. Исключение составляют некоторые протисты, например эвглена зеленая, способная к автотрофному и гетеротрофному типам питания.

Автотрофы синтезируют органические соединения при фотосинтезе или хемосинтезе. Гетеротрофы получают органические вещества вместе с пищей.

У автотрофов преобладают процессы синтеза — фотосинтез или хемосинтез, у гетеротрофов — процессы распада органических соединений.

Вопросы и задания
1. Что общего между фотосинтезом процессом окисления глюкозы:

а) оба процесса происходят в митохондриях;

б) оба процесса происходят в хпоропластах;

в) в результате этих процессов образуется кислород;

г) в результате этих процессов образуется АТФ?

2. Какие продукты фотосинтеза участвуют в энергетическом обмене млекопитающих?

3. Какова роль углеводов в образовании аминокислот, жирных кислот?

4. Сравните энергетику процессов фотосинтеза и энергетического обмена.

^ 1.11. Жизненный цикл клетки. Митоз

Жизненный цикл клетки — это период ее жизни от деления до деления.

Клетки размножаются путем удвоения своего содержимого с последующим делением пополам.

Клеточное деление лежит в основе роста, развития и регенерации тканей многоклеточного организма.

Клеточный цикл подразделяют на хромосомный, сопровождающийся точным копированием и распределением генетического материала, и цитоплазматический, состоящий из роста клетки и последующего цитокинеза — деления клетки после удвоения других клеточных компонентов.

Длительность клеточных циклов у разных видов, в разных тканях и на разных стадиях варьируется от одного часа (у эмбриона) до года (в клетках печени взрослого человека).

Фазы клеточного цикла

Интерфаза — период между двумя делениями, подразделяющийся на пресинтетический — G1, синтетический — S, постсинтетический — G2.

G1-фаза — самый длительный период (от 10 ч до нескольких суток). Заключается в подготовке клеток к удвоению хромосом. Сопровождается синтезом белков, РНК, увеличивается количество рибосом, митохондрий. В этой фазе происходит рост клетки.



S-фаза (6—10 ч) — сопровождается удвоением хромосом. В данной фазе синтезируются некоторые белки.
G2-фаза (3—6 ч) — сопровождается конденсацией хромосом. В течение указанной фазы синтезируются белки микротрубочек, формирующих веретено деления.

Митоз (М-фаза) — это форма деления клеточного ядра. В результате митоза каждое из образующихся дочерних ядер получает тот же набор генов, который имела родительская клетка. В митоз могут вступать как диплоидные, так и гаплоидные ядра.

При митозе получаются ядра той же плоидности, что и исходное.

Понятие «митоз» применимо только для эукариот.

Профаза сопровождается образованием веретена деления из микротрубочек цитоплазматического скелета клетки и связанных с ними белков. Хромосомы хорошо видны и состоят из двух хроматид.

Прометафаза сопровождается распадом ядерной мембраны. Часть микротрубочек веретена присоединяются к кине-тохорам (комплексам белок-центромера).

Метафаза — все хромосомы выстраиваются по экватору клетки, образуя метафазную пластинку.

Анафаза — хроматиды расходятся к полюсам клетки с одинаковой скоростью. Микротрубочки укорачиваются.

Телофаза — дочерние хроматиды подходят к полюсам клетки. Микротрубочки исчезают. Вокруг конденсированных хроматид формируется ядерная оболочка.

Цитокинез — процесс разделения цитоплазмы. Клеточная мембрана в центральной части клетки втягивается внутрь. Образуется борозда деления, по мере углубления которой клетка раздваивается.

В некоторых случаях цитокинеза после митоза не происходит.

В результате митоза образуются два новых ядра с идентичными наборами хромосом, точно копирующими генетическую информацию материнского ядра.

В опухолевых клетках ход митоза нарушается.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9



Скачать файл (6603.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru