See videotund on pühendatud teemale "Rakkude varustamine energiaga". Selles tunnis vaatleme rakus toimuvaid energiaprotsesse ja uurime, kuidas rakke energiaga varustatakse. Samuti saate teada, mis on rakuhingamine ja millistest etappidest see koosneb. Arutage kõiki neid samme üksikasjalikult.
BIOLOOGIA 9. KLASS
Teema: Mobiilside tase
Tund 13. Rakkude varustamine energiaga
Stepanova Anna Jurievna
bioloogiateaduste kandidaat, dotsent MSUIE
Moskva
Täna räägime rakkude energiaga varustamisest. Energiat kasutatakse mitmesugusteks rakus toimuvateks keemilisteks reaktsioonideks. Mõned organismid kasutavad päikesevalguse energiat biokeemilisteks protsessideks – need on taimed, teised aga toitumise käigus saadud ainete keemiliste sidemete energiat – need on loomorganismid. Toidus olevad ained ekstraheeritakse lagunemise või bioloogilise oksüdatsiooni teel rakuhingamise protsessi kaudu.
Rakuhingamine on ensüümide juuresolekul rakus toimuv biokeemiline protsess, mille tulemusena eraldub vesi ja süsihappegaas, energia salvestub ATP molekulide makroenergeetilise sideme kujul. Kui see protsess toimub hapniku juuresolekul, nimetatakse seda "aeroobseks". Kui see toimub ilma hapnikuta, nimetatakse seda "anaeroobseks".
Bioloogiline oksüdatsioon hõlmab kolme peamist etappi:
1. Ettevalmistav,
2. hapnikuvaba (glükolüüs),
3. Orgaaniliste ainete täielik lagunemine (hapniku juuresolekul).
Ettevalmistav etapp. Toiduga saadavad ained lagundatakse monomeerideks. See etapp algab seedetraktist või raku lüsosoomidest. Polüsahhariidid lagunevad monosahhariidideks, valgud aminohapeteks, rasvad glütseroolideks ja rasvhapeteks. Selles etapis vabanev energia hajub soojuse kujul. Tuleb märkida, et energiaprotsesside jaoks kasutavad rakud süsivesikuid või veel parem - monosahhariide. Ja aju saab oma tööks kasutada ainult monosahhariidi – glükoosi.
Glükoos laguneb glükolüüsi käigus kaheks kolmest süsinikust koosnevaks püroviinamarihappe molekuliks. Nende edasine saatus sõltub hapniku olemasolust rakus. Kui rakus on hapnikku, siseneb püroviinamarihape mitokondritesse, et täielikult oksüdeeruda süsinikdioksiidiks ja veeks (aeroobne hingamine). Kui hapnikku pole, muundatakse loomsetes kudedes püroviinamarihape piimhappeks. See etapp toimub raku tsütoplasmas. Glükolüüsi tulemusena moodustub ainult kaks ATP molekuli.
Glükoosi täielikuks oksüdeerimiseks on vaja hapnikku. Kolmandas etapis toimub mitokondrites püroviinhappe täielik oksüdeerumine süsinikdioksiidiks ja veeks. Selle tulemusena moodustub veel 36 ATP molekuli.
Kokku toodavad kolm etappi ühest glükoosimolekulist 38 ATP molekuli, võttes arvesse kahte glükolüüsi käigus tekkivat ATP-d.
Seega uurisime rakkudes toimuvaid energiaprotsesse. Iseloomustati bioloogilise oksüdatsiooni etappe. See lõpetab meie õppetunni, kõike head teile, hüvasti!
Erinevus hingamise ja põlemise vahel. Rakus toimuvat hingamist võrreldakse sageli põlemisprotsessiga. Mõlemad protsessid toimuvad hapniku juuresolekul, vabastades energiat ja oksüdatsiooniprodukte. Kuid erinevalt põlemisest on hingamine järjestatud biokeemiliste reaktsioonide protsess, mis toimub ensüümide juuresolekul. Hingamisel tekib bioloogilise oksüdatsiooni lõpp-produktina süsihappegaas ja põlemisel süsihappegaasi moodustumine toimub vesiniku otsesel kombineerimisel süsinikuga. Samuti moodustub hingamise käigus teatud arv ATP molekule. See tähendab, et hingamine ja põlemine on põhimõtteliselt erinevad protsessid.
Biomeditsiiniline tähtsus. Meditsiini jaoks pole oluline mitte ainult glükoosi, vaid ka fruktoosi ja galaktoosi metabolism. ATP moodustumise võime hapniku puudumisel on eriti oluline meditsiinis. See võimaldab säilitada skeletilihaste intensiivset tööd aeroobse oksüdatsiooni ebapiisava efektiivsuse tingimustes. Suurenenud glükolüütilise aktiivsusega koed on võimelised jääma aktiivseks ka hapnikuvaeguse perioodidel. Südamelihases on glükolüüsi võimalused piiratud. Tal on raske verevarustuse häireid, mis võivad põhjustada isheemiat. On teada mitmeid haigusi, mis on põhjustatud glükolüüsi reguleerivate ensüümide puudumisest:
Hemolüütiline aneemia (kiiresti kasvavates vähirakkudes toimub glükolüüs kiirusega, mis ületab sidrunhappe tsükli võimeid), mis aitab kaasa piimhappe sünteesi suurenemisele elundites ja kudedes. Piimhappe kõrge sisaldus organismis võib olla vähi sümptom.
Käärimine. Mikroobid on käärimise käigus võimelised energiat hankima. Käärimine on inimestele tuntud juba ammusest ajast, näiteks veini valmistamisel. Piimhappekääritamist tunti juba varem. Inimesed tarbisid piimatooteid, mõistmata, et need protsessid on seotud mikroorganismide tegevusega. Seda tõestas esmakordselt Louis Pasteur. Lisaks eritavad erinevad mikroorganismid erinevaid fermentatsiooniprodukte. Nüüd räägime alkohoolsest ja piimhappekäärimisest. Selle tulemusena moodustuvad etüülalkohol ja süsihappegaas ning vabaneb energia. Õlletootjad ja veinitootjad on fermentatsiooni stimuleerimiseks kasutanud teatud tüüpi pärmi, mis muudab suhkrud alkoholiks. Käärimist viivad läbi peamiselt pärm, aga ka mõned bakterid ja seened. Meie riigis kasutatakse traditsiooniliselt Saccharomycetes pärmi. Ameerikas - perekonna Pseudomonas bakterid. Ja Mehhikos kasutatakse "liikuva varda" baktereid. Meie pärm kääritab tavaliselt heksoose (kuue süsiniku monosahhariide), nagu glükoos või fruktoos. Alkoholi moodustumise protsessi võib kujutada järgmiselt: ühest glükoosi molekulist moodustub kaks molekuli alkoholi, kaks molekuli süsinikdioksiidi ja kaks molekuli ATP. See meetod on vähem tulus kui aeroobsed protsessid, kuid võimaldab teil säilitada elu hapniku puudumisel. Räägime nüüd fermenteeritud piima kääritamisest. Üks glükoosi molekul moodustab kaks piimhappe molekuli ja samal ajal vabaneb kaks molekuli ATP. Piimhappekääritamist kasutatakse laialdaselt piimatoodete tootmiseks: juust, kalgendatud piim, jogurtid. Piimhapet kasutatakse ka karastusjookide valmistamisel.
rasvapuude rikkalik kasv,
mis juurdub viljatu liiva peale
heaks kiidetud, ütleb seda selgelt
rasva lehed rasva rasva õhust
absorbeerida...
M. V. Lomonosov
Kuidas energiat rakus salvestatakse? Mis on ainevahetus? Mis on glükolüüsi, fermentatsiooni ja rakuhingamise protsesside olemus? Millised protsessid toimuvad fotosünteesi heledas ja pimedas faasis? Kuidas on omavahel seotud energia- ja plastilise ainevahetuse protsessid? Mis on kemosüntees?
Tund-loeng
Võime muuta üht tüüpi energiat teiseks (kiirgusenergia keemiliste sidemete energiaks, keemiline energia mehaaniliseks energiaks jne) on elusolendite üks põhiomadusi. Siin vaatleme lähemalt, kuidas need protsessid elusorganismides rakenduvad.
ATP ON RAKU PEAMISE ENERGIA KANDJA. Rakutegevuse mis tahes ilmingute läbiviimiseks on vaja energiat. Autotroofsed organismid saavad algenergia Päikeselt fotosünteesireaktsioonide käigus, heterotroofsed aga kasutavad energiaallikana toiduga tarnitavaid orgaanilisi ühendeid. Rakud talletavad energiat molekulide keemilistes sidemetes ATP (adenosiintrifosfaat), mis on nukleotiid, mis koosneb kolmest fosfaatrühmast, suhkrujäägist (riboos) ja lämmastikku sisaldavast aluse jäägist (adeniin) (joonis 52).
Riis. 52. ATP molekul
Fosfaadijääkide vahelist sidet nimetatakse makroergiliseks, kuna selle katkemisel vabaneb suur hulk energiat. Tavaliselt eraldab rakk energiat ATP-st, eemaldades ainult terminaalse fosfaatrühma. Sel juhul moodustub ADP (adenosiindifosfaat) ja fosforhape ning vabaneb 40 kJ/mol:
ATP molekulid mängivad raku universaalse energiakaubanduse kiibi rolli. Need toimetatakse energiamahuka protsessi toimumiskohta, olgu selleks orgaaniliste ühendite ensümaatiline süntees, valkude töö - molekulaarmootorid või membraani transportvalgud jne. ATP molekulide pöördsüntees toimub fosfaatrühma kinnitamise teel ADP-le koos energia neeldumisega. Rakk salvestab reaktsioonide käigus energiat ATP kujul energia metabolism. See on tihedalt seotud plastivahetus, mille käigus rakk toodab oma toimimiseks vajalikke orgaanilisi ühendeid.
AINEVAHETUS JA ENERGIA RAKUDES (AINEMETS). Ainevahetus on plastilise ja energia metabolismi kõigi omavahel seotud reaktsioonide kogum. Rakud sünteesivad pidevalt süsivesikuid, rasvu, valke ja nukleiinhappeid. Ühendite süntees toimub alati energia kulutamisel, st ATP hädavajalikul osalusel. ATP moodustumise energiaallikad on rakku sisenevate valkude, rasvade ja süsivesikute oksüdatsiooni ensümaatilised reaktsioonid. Selle protsessi käigus vabaneb energia ja see salvestub ATP-s. Glükoosi oksüdatsioon mängib raku energia metabolismis erilist rolli. Glükoosi molekulid läbivad rea järjestikuseid transformatsioone.
Esimene etapp, nn glükolüüs, toimub rakkude tsütoplasmas ja ei vaja hapnikku. Järjestikuste ensüümidega seotud reaktsioonide tulemusena laguneb glükoos kaheks püroviinamarihappe molekuliks. Sel juhul kulub ära kaks ATP molekuli ning oksüdatsiooni käigus vabanevast energiast piisab nelja ATP molekuli moodustamiseks. Selle tulemusena on glükolüüsi energiatoodang väike ja moodustab kaks ATP molekuli:
C 6 H1 2 0 6 → 2 C 3 H 4 0 3 + 4H + + 2ATP
Anaeroobsetes tingimustes (hapniku puudumisel) võib edasisi transformatsioone seostada erinevate tüüpidega kääritamine.
Igaüks teab piimhappe fermentatsioon(piima hapnemine), mis tekib piimhappeseente ja bakterite tegevuse tõttu. Mehhanism on sarnane glükolüüsiga, ainult lõpptooteks on siin piimhape. Seda tüüpi glükoosi oksüdatsioon toimub rakkudes hapnikupuuduse korral, näiteks intensiivselt töötavates lihastes. Alkoholi kääritamine on keemiliselt lähedane piimhappekääritamisele. Erinevus seisneb selles, et alkoholkäärimise saadused on etüülalkohol ja süsinikdioksiid.
Järgmine etapp, mille käigus püroviinamarihape oksüdeeritakse süsinikdioksiidiks ja veeks, nimetatakse rakuhingamine. Hingamisega seotud reaktsioonid toimuvad taime- ja loomarakkude mitokondrites ning ainult hapniku juuresolekul. See on keemiliste muundumiste jada enne lõpptoote – süsinikdioksiidi – moodustumist. Selle protsessi erinevates etappides moodustuvad lähteaine oksüdatsiooni vaheproduktid koos vesinikuaatomite elimineerimisega. Sel juhul vabaneb energia, mis "konserveerub" ATP keemilistes sidemetes ja moodustuvad veemolekulid. Selgeks saab, et hapnikku on vaja just eraldunud vesinikuaatomite sidumiseks. See keemiliste transformatsioonide seeria on üsna keeruline ja toimub mitokondrite, ensüümide ja kandevalkude sisemembraanide osalusel.
Rakuline hingamine on väga tõhus. Sünteesitakse 30 ATP molekuli, glükolüüsi käigus moodustub veel kaks molekuli ja mitokondriaalsetel membraanidel glükolüüsiproduktide transformatsioonide tulemusena moodustub kuus ATP molekuli. Kokku moodustub ühe glükoosimolekuli oksüdatsiooni tulemusena 38 ATP molekuli:
C6H12O6 + 6H20 → 6CO2 + 6H2O + 38ATP
Mitte ainult suhkrute, vaid ka valkude ja lipiidide oksüdatsiooni viimased etapid toimuvad mitokondrites. Neid aineid kasutavad rakud peamiselt siis, kui süsivesikute tarnimine lõppeb. Esiteks kulub ära rasv, mille oksüdeerumisel vabaneb oluliselt rohkem energiat kui võrdsest kogusest süsivesikutest ja valkudest. Seetõttu on loomade rasv energiaressursside peamine "strateegiline reserv". Taimedes täidab tärklis energiavaru rolli. Säilitamisel võtab see oluliselt rohkem ruumi kui energiaekvivalente rasvakogus. Taimedele see takistuseks ei ole, kuna nad on liikumatud ega kanna endaga varusid nagu loomad. Süsivesikutest saad energiat ammutada palju kiiremini kui rasvadest. Valgud täidavad organismis paljusid olulisi funktsioone ning osalevad seetõttu energiavahetuses vaid siis, kui suhkrute ja rasvade ressursid on ammendunud, näiteks pikaajalisel paastumisel.
FOTOSÜNTEES. Fotosüntees on protsess, mille käigus päikesekiirte energia muundatakse orgaaniliste ühendite keemiliste sidemete energiaks. Taimerakkudes toimuvad fotosünteesiga seotud protsessid kloroplastides. Selle organelli sees on membraanisüsteemid, millesse on põimitud pigmendid, mis hõivavad Päikese kiirgusenergiat. Fotosünteesi peamine pigment on klorofüll, mis neelab valdavalt siniseid ja violetseid ning spektri punaseid kiiri. Roheline valgus peegeldub, nii et klorofüll ise ja seda sisaldavad taimeosad tunduvad rohelised.
Fotosünteesil on kaks faasi - valgus Ja tume(joonis 53). Kiirgusenergia tegelik püüdmine ja muundamine toimub valgusfaasis. Valguskvantide neelamisel läheb klorofüll ergastatud olekusse ja muutub elektronidoonoriks. Selle elektronid kanduvad mööda elektronide transpordiahelat ühest valgukompleksist teise. Selle ahela valgud, nagu pigmendid, on koondunud kloroplastide sisemembraanile. Kui elektron liigub mööda kandjate ahelat, kaotab ta energiat, mida kasutatakse ATP sünteesiks. Mõnda valguse poolt ergastatud elektrone kasutatakse NDP (nikotiinamiidadeniindinukleotifosfaat) ehk NADPH vähendamiseks.
Riis. 53. Fotosünteesi heleda ja tumeda faasi reaktsioonisaadused
Päikesevalguse mõjul lagunevad veemolekulid ka kloroplastides - fotolüüs; sel juhul ilmuvad elektronid, mis kompenseerivad nende kadusid klorofülliga; See tekitab kõrvalsaadusena hapnikku:
Seega on valgusfaasi funktsionaalne tähendus ATP ja NADPH süntees valgusenergia muundamisel keemiliseks energiaks.
Fotosünteesi pimeda faasi toimumiseks pole valgust vaja. Siin toimuvate protsesside olemus seisneb selles, et kerges faasis toodetud ATP ja NADPH molekule kasutatakse keemilistes reaktsioonides, mis “fikseerivad” CO2 süsivesikute kujul. Kõik tumeda faasi reaktsioonid toimuvad kloroplastide sees ning “fikseerumise” käigus eraldunud süsinikdioksiidi ADP ja NADP kasutatakse taas valgusfaasi reaktsioonides ATP ja NADPH sünteesiks.
Fotosünteesi üldine võrrand on järgmine:
PLASTI- JA ENERGIAVAHETUSPROTSESSIDE SUHE JA ÜHTSUS. ATP sünteesi protsessid toimuvad tsütoplasmas (glükolüüs), mitokondrites (rakuline hingamine) ja kloroplastides (fotosüntees). Kõik nende protsesside käigus toimuvad reaktsioonid on energiavahetuse reaktsioonid. ATP kujul talletatud energia kulub plastilistes vahetusreaktsioonides raku eluks vajalike valkude, rasvade, süsivesikute ja nukleiinhapete tootmiseks. Pange tähele, et fotosünteesi tume faas on reaktsioonide ahel, plastiline vahetus ja valgusfaas on energiavahetus.
Energia ja plastilise vahetuse protsesside omavahelist seost ja ühtsust illustreerib hästi järgmine võrrand:
Seda võrrandit vasakult paremale lugedes saame glükolüüsi ja rakuhingamise käigus glükoosi süsihappegaasiks ja veeks oksüdeerumise protsessi, mis on seotud ATP sünteesiga (energia metabolism). Kui loete seda paremalt vasakule, saate fotosünteesi pimeda faasi reaktsioonide kirjelduse, kui glükoosi sünteesitakse veest ja süsinikdioksiidist ATP (plastilise vahetuse) osalusel.
KEMOSÜNTEES. Lisaks fotoautotroofidele on mõned bakterid (vesinikbakterid, nitrifitseerivad bakterid, väävlibakterid jne) võimelised sünteesima anorgaanilistest orgaanilisi aineid. Nad teostavad seda sünteesi anorgaaniliste ainete oksüdatsiooni käigus vabaneva energia tõttu. Neid nimetatakse kemoautotroofideks. Need kemosünteetilised bakterid mängivad biosfääris olulist rolli. Näiteks nitrifitseerivad bakterid muudavad ammooniumisoolad, mis ei ole taimede poolt imendumiseks kättesaadavad, lämmastikhappe sooladeks, mida nad omastavad hästi.
Rakkude ainevahetus koosneb energia- ja plastilise ainevahetuse reaktsioonidest. Energia metabolismi käigus tekivad kõrge energiaga keemiliste sidemetega orgaanilised ühendid – ATP. Selleks vajalik energia tuleb orgaaniliste ühendite oksüdeerumisest anaeroobsete (glükolüüs, fermentatsioon) ja aeroobsete (rakuhingamine) reaktsioonide käigus; päikesevalgusest, mille energia neeldub valgusfaasis (fotosüntees); anorgaaniliste ühendite oksüdatsioonist (kemosüntees). ATP energia kulub rakule vajalike orgaaniliste ühendite sünteesiks plastiliste vahetusreaktsioonide käigus, mille hulka kuuluvad fotosünteesi tumeda faasi reaktsioonid.
- Mis vahe on plasti- ja energiaainevahetusel?
- Kuidas muudetakse päikesevalguse energia fotosünteesi valgusfaasiks? Millised protsessid toimuvad fotosünteesi pimedas faasis?
- Miks nimetatakse fotosünteesi planeedi-kosmilise interaktsiooni peegeldamise protsessiks?
Raku elutsükkel näitab selgelt, et raku eluiga jaguneb interkineesi ja mitoosi perioodiks. Interkineesi perioodil viiakse aktiivselt läbi kõik eluprotsessid, välja arvatud jagunemine. Keskendume kõigepealt neile. Raku peamine eluprotsess on ainevahetus.
Selle põhjal toimub spetsiifiliste ainete teke, kasv, rakkude diferentseerumine, aga ka ärrituvus, liikumine ja rakkude isepaljunemine. Mitmerakulises organismis on rakk osa tervikust. Seetõttu kujunevad raku kõigi eluprotsesside morfoloogilised tunnused ja olemus organismi ja ümbritseva väliskeskkonna mõjul. Keha avaldab oma mõju rakkudele peamiselt närvisüsteemi kaudu, samuti sisesekretsiooninäärmete hormoonide mõjul.
Ainevahetus on ainete teatud järjekord, mis viib raku säilimiseni ja iseeneslikule uuenemisele. Ainevahetuse käigus ühelt poolt sisenevad rakku ained, mis töödeldakse ja muutuvad rakukeha osaks, teiselt poolt aga eemaldatakse rakust lagunemissaaduseks olevad ained ehk rakk ja keskkond vahetab aineid. Keemiliselt väljendub ainevahetus kindlas järjekorras üksteisele järgnevates keemilistes reaktsioonides. Range korra ainete muundamisel tagavad valkained – ensüümid, mis täidavad katalüsaatori rolli. Ensüümid on spetsiifilised, see tähendab, et nad toimivad teatud viisil ainult teatud ainetele. Ensüümide mõjul kõigist võimalikest transformatsioonidest muutub see aine kordades kiiremini ainult ühes suunas. Selle protsessi tulemusena moodustuvad uued ained muutuvad edasi teiste, sama spetsiifiliste ensüümide jne mõjul.
Ainevahetuse juhtprintsiip on ühtsuse ja vastandite võitluse seadus. Tõepoolest, ainevahetust määravad kaks vastuolulist ja samal ajal ühtset protsessi - assimilatsioon ja dissimilatsioon. Väliskeskkonnast saadud aineid töötleb rakk ja muundatakse rakule iseloomulikeks aineteks (assimilatsioon). Seega uueneb selle tsütoplasma ja tuumaorganellide koostis, moodustuvad troofilised kandmised, sekretsioonid ja hormoonid. Assimilatsiooniprotsessid on sünteetilised, need toimuvad energia neeldumisel. Selle energia allikaks on dissimilatsiooniprotsessid. Selle tulemusena hävivad nende varem moodustunud orgaanilised ained, vabaneb energia ja tekivad produktid, millest osa sünteesitakse uuteks rakuaineteks, teised aga eemaldatakse rakust (väljaheited). Dissimilatsiooni tulemusena vabanev energia kasutatakse assimilatsiooni käigus. Seega on assimilatsioon ja dissimilatsioon kaks, ehkki erinevat, kuid üksteisega tihedalt seotud ainevahetuse aspekti.
Ainevahetuse olemus on erinev mitte ainult erinevate loomade vahel, vaid isegi sama organismi sees erinevates organites ja kudedes. See spetsiifilisus väljendub selles, et iga organi rakud on võimelised omastama ainult teatud aineid, ehitades neist üles oma keha spetsiifilisi aineid ja vabastama väliskeskkonda üsna spetsiifilisi aineid. Koos ainevahetusega toimub ka energiavahetus ehk rakk neelab väliskeskkonnast energiat soojuse, valguse näol ning omakorda eraldab kiirgavat ja muud liiki energiat.
Ainevahetus koosneb mitmest privaatsest protsessist. Peamised:
1) ainete tungimine rakku;
2) nende “töötlemine”, kasutades toitumis- ja hingamisprotsesse (aeroobne ja anaeroobne);
3) “töödeldud” toodete kasutamine mitmesugusteks sünteetilisteks protsessideks, mille näiteks võib olla valkude süntees ja eritiste moodustumine;
4) jääkainete eemaldamine rakust.
Plasmalemmal on oluline roll ainete tungimisel, samuti ainete eemaldamisel rakust. Mõlemat protsessi saab vaadelda füüsikalis-keemilisest ja morfoloogilisest vaatepunktist. Läbilaskvus toimub passiivse ja aktiivse transpordi kaudu. Esimene tekib difusiooni ja osmoosi nähtuste tõttu. Ained võivad aga nende seaduste vastaselt rakku sattuda, mis näitab raku enda aktiivsust ja selektiivsust. Näiteks on teada, et naatriumioone pumbatakse rakust välja isegi siis, kui nende kontsentratsioon väliskeskkonnas on suurem kui rakus, ja kaaliumiioone, vastupidi, pumbatakse rakku. Seda nähtust kirjeldatakse kui "naatrium-kaaliumpumpa" ja sellega kaasneb energiakulu. Võime tungida rakku väheneb, kui hüdroksüülrühmade (OH) arv molekulis suureneb, kui molekuli sisestatakse aminorühm (NH2). Orgaanilised happed tungivad kergemini kui anorgaanilised happed. Ammoniaak tungib eriti kiiresti leelistest. Molekuli suurus mõjutab ka läbilaskvust. Raku läbilaskvus muutub sõltuvalt reaktsioonist, temperatuurist, valgustusest, raku enda vanusest ja füsioloogilisest seisundist ning need põhjused võivad suurendada osade ainete läbilaskvust ja samal ajal nõrgendada teiste läbilaskvust.
Ainete keskkonnast läbilaskvuse morfoloogiline pilt on hästi jälgitav ja toimub fagotsütoosi (fageiin - õgimine) ja pinotsütoosi (püneiin - jook) kaudu. Mõlema mehhanismid on ilmselt sarnased ja erinevad ainult kvantitatiivselt. Fagotsütoosi abil püütakse kinni suuremad osakesed ning pinotsütoosi abil väiksemad ja vähemtihedad osakesed. Esmalt adsorbeerivad ained plasmalemma mukopolüsahhariididega kaetud pinnale, seejärel vajuvad koos sellega sügavamale ning moodustub mull, mis seejärel plasmalemmast eraldub (joon. 19). Infiltreerunud ainete töötlemine toimub seedimist meenutavate protsesside käigus, mis kulmineeruvad suhteliselt lihtsate ainete moodustumisega. Intratsellulaarne seedimine algab sellest, et fagotsütootilised ehk pinotsütootilised vesiikulid ühinevad primaarsete seedeensüüme sisaldavate lüsosoomidega ja moodustub sekundaarne lüsosoom ehk seedevakuool. Neis lagundatakse ained ensüümide abil lihtsamateks. Selles protsessis osalevad mitte ainult lüsosoomid, vaid ka teised rakukomponendid. Seega annavad mitokondrid protsessi energeetilise poole; tsütoplasmaatilise retikulumi kanaleid saab kasutada töödeldud ainete transportimiseks.
Intratsellulaarne seedimine lõpeb ühelt poolt suhteliselt lihtsate saaduste moodustumisega, millest äsja sünteesitud kompleksaineid (valgud, rasvad, süsivesikud) kasutatakse rakustruktuuride uuendamiseks või sekretsiooni moodustamiseks, ja teiselt poolt saadused, mida tuleb eemaldada. eritub rakust väljaheidetena. Töödeldud toodete kasutamise näideteks on valkude süntees ja eritiste moodustumine.
Riis. 19. Pinotsütoosi skeem:
L - pinotsütoosikanali (1) ja pinotsütoosi vesiikulite (2) moodustumine. Nooled näitavad plasmalemma invaginatsiooni suunda. B-G - pinotsütoosi järjestikused etapid; 3 - adsorbeeritud osakesed; 4 - osakesed, mis on püütud rakkude väljakasvuga; 5 - plasmamembraani rakud; D, E, B - pinotsütootilise vakuooli moodustumise järjestikused etapid; F - toiduosakesed vabanevad vakuooli kestast.
Valgu süntees toimub ribosoomidel ja tavapäraselt toimub neljas etapis.
Esimene etapp hõlmab aminohapete aktiveerimist. Nende aktiveerimine toimub tsütoplasmaatilises maatriksis ensüümide (aminoatsüül-RNA süntetaaside) osalusel. On teada umbes 20 ensüümi, millest igaüks on spetsiifiline ainult ühe aminohappe suhtes. Aminohappe aktiveerimine toimub siis, kui see ühineb ensüümi ja ATP-ga.
Interaktsiooni tulemusena eraldub pürofosfaat ATP-st ning esimese ja teise fosfaatrühma vahelises sidemes asuv energia kandub täielikult üle aminohappele. Sel viisil aktiveeritud aminohape (aminoatsüüladenülaat) muutub reaktiivseks ja omandab võime ühineda teiste aminohapetega.
Teine etapp on aktiveeritud aminohappe sidumine RNA (tRNA) ülekandmiseks. Sel juhul seob üks tRNA molekul ainult ühe aktiveeritud aminohappe molekuli. Need reaktsioonid hõlmavad sama ensüümi, mis esimeses etapis, ja reaktsioon lõpeb t-RNA kompleksi ja aktiveeritud aminohappe moodustumisega. tRNA molekul koosneb kahekordsest lühikesest heeliksist, mis on ühest otsast suletud. Selle heeliksi suletud (pea) otsa esindavad kolm nukleotiidi (antikoodon), mis määravad selle t-RNA kinnitumise pika messenger RNA (i-RNA) molekuli spetsiifilise sektsiooni (koodoni) külge. Aktiveeritud aminohape on kinnitatud tRNA teise otsa (joonis 20). Näiteks kui tRNA molekuli peaotsas on UAA kolmik, siis saab selle vastasotsa kinnituda ainult aminohappe lüsiin. Seega on igal aminohappel oma spetsiaalne tRNA. Kui erinevates tRNA-des olevad kolm terminaalset nukleotiidi on samad, määrab selle spetsiifilisuse nukleotiidide järjestus tRNA teises piirkonnas. tRNA-ga seotud aktiveeritud aminohappe energiat kasutatakse polüpeptiidmolekulis peptiidsidemete moodustamiseks. Aktiveeritud aminohape transporditakse tRNA-ga hüaloplasma kaudu ribosoomidesse.
Kolmas etapp on polüpeptiidahelate süntees. Tuumast väljuv Messenger RNA tõmmatakse läbi konkreetse polüribosoomi mitme ribosoomi väikeste subühikute ja igas neist korduvad samad sünteesiprotsessid. Avamise ajal molekulaarne
Riis. 20. Polüpeptiidide sünteesi skeem ribosoomidel mRNA ja t-RNA abil: /, 2-ribosoom; 3 - tRNA, mis kannab ühes otsas antikoodoneid: ACC, AUA. Ayv AGC ja teises otsas vastavalt aminohapped: trüptofaan, roller, lüsiin, seriin (5); 4-nRNA, milles asuvad koodid: UGG (trüptofaan)” URU (valiin). UAA (lüsiin), UCG (seriin); 5 - sünteesitud polüpeptiid.
t-RNA kood, mille kolmik vastab i-RNA koodsõnale. Seejärel liigub koodsõna vasakule ja koos sellega seotud tRNA. Selle poolt toodud aminohape on peptiidsidemega ühendatud sünteesiva polüpeptiidi varem toodud aminohappega; t-RNA eraldatakse i-RNA-st, toimub i-RNA informatsiooni translatsioon (kopeerimine) ehk valgusüntees. Ilmselgelt on ribosoomide külge kinnitatud korraga kaks tRNA molekuli: üks kohas, mis kannab sünteesitavat polüpeptiidahelat, ja teine kohas, kuhu kinnitub järgmine aminohape, enne kui see ahelas oma koha võtab.
Neljas etapp on polüpeptiidahela eemaldamine ribosoomist ja sünteesitud valgule iseloomuliku ruumilise konfiguratsiooni kujunemine. Lõpuks muutub moodustumise lõpetanud valgumolekul iseseisvaks. t-RNA-d saab kasutada korduvaks sünteesiks ja mRNA hävitatakse. Valgu molekuli moodustumise kestus sõltub selles sisalduvate aminohapete arvust. Arvatakse, et ühe aminohappe lisamine kestab 0,5 sekundit.
Sünteesiprotsess nõuab energiat, mille allikaks on ATP, mis moodustub peamiselt mitokondrites ja väikestes kogustes tuumas ning suurenenud rakuaktiivsusega ka hüaloplasmas. Hüaloplasmas olevas tuumas moodustub ATP mitte oksüdatiivse protsessi alusel, nagu mitokondrites, vaid glükolüüsi ehk anaeroobse protsessi alusel. Seega toimub süntees tänu raku tuuma, hüaloplasma, ribosoomide, mitokondrite ja granulaarse tsütoplasmaatilise retikulumi koordineeritud tööle.
Raku sekretoorne aktiivsus on ka näide mitmete rakustruktuuride koordineeritud tööst. Sekretsioon on raku poolt spetsiaalsete saaduste tootmine, mida mitmerakulises organismis kasutatakse kõige sagedamini kogu organismi huvides. Seega on sülg, sapp, maomahl ja muud eritised toidu töötlemiseks
Riis. 21. Sekretsiooni sünteesi ühe võimaliku viisi skeem rakus ja selle eemaldamine:
1 - eritub südamikus; 2 - pro-salajane väljumine tuumast; 3 - prosekreedi kogunemine tsütoplasmaatilise retikulumi paaki; 4 - sekretsioonipaagi eraldamine tsütoplasmaatilisest retikulumist; 5 - lamellkompleks; 6 - tilk sekretsiooni lamellkompleksi piirkonnas; 7- küpse sekretsiooni graanul; 8-9 - järjestikused sekretsiooni etapid; 10 - sekretsioon väljaspool rakku; 11 - raku plasmalemma.
Seedeelundid. Sekretsioonid võivad moodustuda kas ainult valkudest (mitmed hormoonid, ensüümid) või koosneda glükoproteiinidest (lima), ligyu-proteiinidest, glükolipoproteiinidest, harvemini esindavad neid lipiidid (piimarasv ja rasunäärmed) või anorgaanilised ained (soolhape). põhjanäärmete hape).
Sekretoorsetes rakkudes saab tavaliselt eristada kahte otsa: basaalne (perikapillaarse ruumi poole) ja apikaalne (näoga sekreedi vabanemise ruumi poole). Sekretoorse raku komponentide paigutuses täheldatakse tsoneerimist ja basaal- ja tipuotstest (pooluseni) moodustavad nad järgmise rea: granuleeritud tsütoplasmaatiline retikulum, tuum, lamellkompleks, sekretsioonigraanulid (joonis 21). Basaal- ja tipupooluse plasmalemma kannab sageli mikrovilli, mille tulemusena suureneb pind ainete sisenemiseks verest ja lümfist läbi basaalpooluse ning valminud sekreedi väljumiseks läbi apikaalse pooluse.
Kui moodustub valgulise iseloomuga sekretsioon (pankreas), algab protsess sekretsioonile omaste valkude sünteesiga. Seetõttu on sekretoorsete rakkude tuum kromatiinirikas ja selgelt piiritletud tuumaga, tänu millele moodustuvad kõik kolm RNA tüüpi, mis sisenevad tsütoplasmasse ja osalevad valkude sünteesis. Mõnikord ilmselt algab sekretsiooni süntees tuumast ja lõpeb tsütoplasmas, kuid enamasti hüaloplasmas ja jätkub granulaarses tsütoplasmaatilises retikulumis. Tsütoplasmaatilise retikulumi tuubulid mängivad olulist rolli primaarproduktide kogunemisel ja nende transpordil. Sellega seoses on sekretoorsetel rakkudel palju ribosoome ja hästi arenenud tsütoplasmaatiline retikulum. Primaarse sekretsiooniga tsütoplasmaatilise retikulumi lõigud rebitakse ära ja suunatakse lamellkompleksi, mis liigub selle vakuoolidesse. Siin moodustuvad sekretoorsed graanulid.
Samal ajal moodustub eritise ümber lipoproteiini membraan ja sekreet ise küpseb (kaotab vett), muutudes kontsentreeritumaks. Valmis sekreet graanulite või vakuoolide kujul lahkub lamellkompleksist ja vabaneb rakkude apikaalse pooluse kaudu. Mitokondrid annavad kogu selle protsessi jaoks energiat. Mittevalgulise iseloomuga saladused sünteesitakse ilmselt tsütoplasmaatilises retikulumis ja mõnel juhul isegi mitokondrites (lipiidide sekretsioonid). Sekretsiooniprotsessi reguleerib närvisüsteem. Lisaks konstruktiivsetele valkudele ja eritistele võivad rakus toimuva ainevahetuse tulemusena tekkida troofilise iseloomuga ained (glükogeen, rasv, pigmendid jne) ning toota energiat (kiirgus-, soojus- ja elektribiovoolud).
Ainevahetus lõpeb mitmete ainete vabanemisega väliskeskkonda, mida rakk reeglina ei kasuta ja mida sageli
Isegi kahjulik talle. Ainete eemaldamine rakust, nagu ka sisenemine, toimub passiivsete füüsikalis-keemiliste protsesside (difusioon, osmoos) alusel ja aktiivse ülekande teel. Eritumise morfoloogilisel pildil on sageli fagotsütoosi vastane iseloom. Eritunud ained on ümbritsetud membraaniga.
Tekkiv mull läheneb rakumembraanile, puutub sellega kokku, seejärel murrab läbi ja mulli sisu ilmub rakust väljapoole.
Ainevahetus, nagu me juba ütlesime, määrab raku muud elutähtsad ilmingud, nagu rakkude kasv ja diferentseerumine, ärrituvus ja rakkude võime end taastoota.
Rakkude kasv on ainevahetuse väline ilming, mis väljendub raku suuruse suurenemises. Kasv on võimalik ainult siis, kui ainevahetusprotsessis domineerib assimilatsioon dissimilatsiooni üle ja iga rakk kasvab ainult teatud piirini.
Rakkude diferentseerumine on kvalitatiivsete muutuste jada, mis toimuvad erinevates rakkudes erinevalt ja mille määrab keskkond ja DNA osade, mida nimetatakse geenideks, aktiivsus. Selle tulemusena tekivad erinevatest kudedest erineva kvaliteediga rakud, seejärel toimuvad rakkudes vanusega seotud muutused, mida on vähe uuritud. Siiski on teada, et rakud tühjenevad veest, valguosakesed muutuvad suuremaks, mis toob kaasa kolloidi hajutatud faasi kogupinna vähenemise ja selle tulemusena ainevahetuse kiiruse vähenemise. Seetõttu väheneb raku eluline potentsiaal, aeglustuvad oksüdatiivsed, redutseerivad jm reaktsioonid, muutub osade protsesside suund, mistõttu rakku kogunevad mitmesugused ained.
Raku ärrituvus on tema reaktsioon väliskeskkonna muutustele, mille tõttu kaovad ajutised vastuolud, mis tekivad raku ja keskkonna vahel, ning elustruktuur kohandub juba muutunud väliskeskkonnaga.
Ärrituse nähtuse puhul võib eristada järgmisi punkte:
1) kokkupuude keskkonnamõjuriga (näiteks mehaaniline, keemiline, kiirgus jne)
2) raku üleminek aktiivsesse ehk erutatavasse olekusse, mis väljendub rakusiseste biokeemiliste ja biofüüsikaliste protsesside muutustes ning raku läbilaskvus ja hapniku imendumine võib suureneda, võib muutuda tema tsütoplasma kolloidne olek; võivad ilmneda elektrilised toimevoolud jne;
3) raku reaktsioon keskkonnamõjudele ja erinevates rakkudes avaldub reaktsioon erinevalt. Seega toimub sidekoes lokaalne ainevahetuse muutus, lihaskoes toimub kontraktsioon, näärmekudedes (sülg, sapp jne) eraldub sekreet, närvirakkudes, näärmeepiteelis tekib närviimpulss. , lihas- ja närvikuded, erutus tekib ühes piirkonnas, levib üle kogu koe. Närvirakus võib erutus levida mitte ainult sama koe teistele elementidele (mille tulemuseks on keeruliste ergastavate süsteemide - reflekskaarede moodustumine), vaid ka liikuda teistesse kudedesse. Tänu sellele viiakse läbi närvisüsteemi reguleeriv roll. Nende reaktsioonide keerukuse aste sõltub looma organiseerituse tasemest Sõltuvalt ärritava aine tugevusest ja iseloomust eristatakse kolme tüüpi ärrituvust: normaalne, paranekroosne seisund ja nekrootiline. Kui stiimuli tugevus ei ületa normaalset piiri, mis on omane raku või organismi kui terviku elukeskkonnale, siis rakus toimuvad protsessid kõrvaldavad lõppkokkuvõttes vastuolu väliskeskkonnaga ja rakk naaseb normaalne olek. Sel juhul ei toimu mikroskoobi all nähtavat rakustruktuuri häiret. Kui stiimuli tugevus on suur või see mõjutab rakku pikka aega, siis rakusiseste protsesside muutus toob kaasa olulise häire raku talitluses, struktuuris ja keemias. Sellesse tekivad kandmised, struktuurid tekivad niitide, tükkide, võrkude jms kujul. Tsütoplasma reaktsioon nihkub happesuse poole, raku struktuuri ja füüsikalis-keemiliste omaduste muutumine häirib raku normaalset talitlust, pannes selle elu ja surma lävel. Nasonov ja Aleksandrov nimetasid seda seisundit paranekrootiliseks* See on pöörduv ja võib lõppeda raku taastumisega, kuid võib viia ka selle surmani. Lõpuks, kui aine tegutseb väga suure jõuga, on rakusisesed protsessid nii tugevalt häiritud, et taastamine on võimatu ja rakk sureb. Pärast seda toimub rida struktuurseid muutusi, see tähendab, et rakk satub nekroosi või nekroosi seisundisse.
Liikumine. Rakule omane liikumise iseloom on väga mitmekesine. Esiteks toimub rakus pidev tsütoplasma liikumine, mis on ilmselgelt seotud ainevahetusprotsesside rakendamisega. Lisaks võivad rakus väga aktiivselt liikuda mitmesugused tsütoplasmaatilised moodustised, näiteks ripsepiteelis olevad ripsmed, mitokondrid; teeb liikumise ja südamiku. Muudel juhtudel väljendub liikumine raku pikkuse või mahu muutumises koos järgneva naasmisega algsesse asendisse. Seda liikumist täheldatakse lihasrakkudes, lihaskiududes ja pigmendirakkudes. Laialt levinud on ka liikumine ruumis. Seda saab läbi viia pseudopoodide abil, nagu amööbis. Nii liiguvad leukotsüüdid ning mõned side- ja muude kudede rakud. Spermiinidel on ruumis eriline liikumise vorm. Nende edasiliikumine toimub saba ussikujuliste painde ja spermatosoidide ümber pikitelje pöörlemise kombinatsiooni tõttu. Suhteliselt lihtsalt organiseeritud olendites ja mõnes kõrgelt organiseeritud hulkraksete loomade rakkudes põhjustavad ja juhivad liikumist ruumis erinevad väliskeskkonna mõjurid ning seda nimetatakse taksodeks.
On: kemotaksis, thigmotaksis ja reotaksis. Kemotaksis on liikumine kemikaalide suunas või neist eemale. Selliseid taksosid tuvastavad vere leukotsüüdid, mis liiguvad amööbselt kehasse sattunud bakterite suunas ja eritavad teatud aineid.Tigmotaksis on liikumine puudutatud tahke keha suunas või sellest eemale. Näiteks toiduosakeste kerge puudutamine amööbiga paneb need neid ümbritsema ja seejärel alla neelama. Tugev mehaaniline ärritus võib põhjustada liikumist ärritava päritoluga vastupidises suunas. Reotaksis on liikumine vedeliku voolu vastu. Spermiin, mis liigub emakas vastu limavoolu munaraku suunas, omab reotaksise võimet.
Võime ennast taastoota on elusaine kõige olulisem omadus, ilma milleta pole elu võimatu. Igat elussüsteemi iseloomustab pöördumatute muutuste ahel, mis tipneb surmaga. Kui need süsteemid ei tekitaks uusi süsteeme, mis suudaksid tsükli uuesti alustada, siis elu lakkab.
Raku enesepaljunemise funktsioon toimub jagunemise teel, mis on raku arengu tagajärg. Oma eluea jooksul assimilatsiooni ülekaalu tõttu dissimilatsiooni üle rakkude mass suureneb, kuid raku maht suureneb kiiremini kui selle pind. Nendel tingimustel väheneb ainevahetuse intensiivsus, rakus tekivad sügavad füüsikalis-keemilised ja morfoloogilised muutused ning assimilatsiooniprotsessid pidurduvad järk-järgult, mis on märgistatud aatomite abil veenvalt tõestatud. Selle tulemusena peatub raku kasv esmalt ja seejärel muutub selle edasine eksisteerimine võimatuks ja toimub jagunemine.
Üleminek jagunemisele on kvalitatiivne hüpe või assimilatsiooni ja dissimilatsiooni kvantitatiivsete muutuste tagajärg, mehhanism nende protsesside vaheliste vastuolude lahendamiseks. Pärast jagunemist rakud näivad uuenevat, nende elutähtis potentsiaal suureneb, kuna suuruse vähenemise tõttu suureneb aktiivse pinna osakaal, intensiivistub ainevahetus üldiselt ja eriti selle assimilatsioonifaas.
Seega koosneb raku individuaalne eluiga interfaasi perioodist, mida iseloomustab suurenenud ainevahetus, ja jagunemise perioodist.
Interfaas jaguneb teatud kokkuleppega:
1) presünteesiperioodiks (Gj), mil assimilatsiooniprotsesside intensiivsus järk-järgult suureneb, kuid DNA reduplikatsioon pole veel alanud;
2) sünteetiline (S), mida iseloomustab sünteesi kõrgus, mille käigus toimub DNA kahekordistumine, ja
3) postsünteetiline (G2), kui DNA sünteesi protsessid peatuvad.
Eristatakse järgmisi peamisi jaotuse tüüpe:
1) kaudne jagunemine (mitoos või karüokinees);
2) meioos ehk reduktsioonijaotus ja
3) amitoos ehk otsene jagunemine.
Detaillahenduse lõik Tehke kokkuvõte bioloogia 2. peatükist 11. klassi õpilastele, autorid I.N. Ponomareva, O.K. Kornilova, T.E. Loshchilina, P.V. Iževski algtase 2012
- GD bioloogias 11. klassi jaoks võib leida
- Gdz bioloogia töövihik 11. klassile on leitav
1. Sõnastage "raku" biosüsteemi määratlus..
Rakk on elementaarne elussüsteem, elusorganismide põhiline struktuuriüksus, mis on võimeline ise uuenema, isereguleeruma ja taastootma.
2. Miks nimetatakse rakku elu põhivormiks ja elu elementaarühikuks?
Rakk on elu põhivorm ja elu elementaarüksus, sest iga organism koosneb rakkudest ja väikseim organism on rakk (algloomad). Üksikud organellid ei saa elada väljaspool rakku.
Rakutasandil toimuvad järgmised protsessid: ainevahetus (ainevahetus); Maa erinevate keemiliste elementide neeldumine ja seega kaasamine elusolendite sisusse; päriliku teabe ülekandmine rakust rakku; geneetilise aparaadi muutuste kuhjumine keskkonnaga suhtlemise tagajärjel; reaktsioon ärritustele väliskeskkonnaga suhtlemisel. Rakutasandi süsteemi struktuurielemendid on mitmesugused keemiliste ühendite molekulide kompleksid ja kõik raku struktuuriosad - pinnaaparaat, tuum ja tsütoplasma koos nende organellidega. Nendevaheline interaktsioon tagab raku ühtsuse ja terviklikkuse selle omaduste avaldumisel elussüsteemina suhetes väliskeskkonnaga.
3. Selgitage raku kui biosüsteemi stabiilsuse mehhanisme.
Rakk on elementaarne bioloogiline süsteem ja iga süsteem on omavahel ühendatud ja vastastikku toimivate komponentide kompleks, mis moodustavad ühtse terviku. Rakus on need komponendid organellid. Rakk on võimeline ainevahetuseks, iseregulatsiooniks ja eneseuuenduseks, tänu millele säilib tema stabiilsus. Kogu raku geneetiline programm paikneb tuumas ja erinevaid kõrvalekaldeid sellest tajub raku ensümaatiline süsteem.
4. Võrrelge eukarüootseid ja prokarüootseid rakke.
Kõik elusorganismid Maal jagunevad kahte rühma: prokarüootid ja eukarüootid.
Eukarüootid on taimed, loomad ja seened.
Prokarüootid on bakterid (sh tsüanobakterid (sinivetikad).
Peamine erinevus. Prokarüootidel ei ole tuuma, ringikujuline DNA (ringikujuline kromosoom) asub otse tsütoplasmas (seda tsütoplasma osa nimetatakse nukleoidiks). Eukarüootidel on moodustunud tuum (pärilik informatsioon [DNA] on tsütoplasmast eraldatud tuuma ümbrisega).
Muud erinevused.
Kuna prokarüootidel ei ole tuuma, siis puudub neil ka mitoos/meioos. Bakterid paljunevad lõhustumise teel kaheks, pungudes
Eukarüootidel on olenevalt liigist erinev arv kromosoome. Prokarüootidel on üks kromosoom (rõngakujuline).
Eukarüootidel on membraanidega ümbritsetud organellid. Prokarüootidel ei ole membraanidega ümbritsetud organelle, s.t. puudub endoplasmaatiline retikulum (selle rolli mängivad arvukad rakumembraani eendid), puuduvad mitokondrid, plastiidid, rakukeskus.
Prokarüootne rakk on palju väiksem kui eukarüootne rakk: läbimõõt 10 korda, maht 1000 korda.
Sarnasus. Kõigi elusorganismide (kõik eluslooduse kuningriigid) rakud sisaldavad plasmamembraani, tsütoplasma ja ribosoome.
5. Kirjeldage eukarüootide rakusisest ehitust.
Loomade ja taimede kudesid moodustavad rakud erinevad oluliselt nii kuju, suuruse kui ka sisemise struktuuri poolest. Siiski on neil kõigil sarnasusi eluprotsesside põhijoontes, ainevahetuses, ärrituvuses, kasvus, arengus ja muutumisvõimes.
Igat tüüpi rakud sisaldavad kahte peamist komponenti, mis on üksteisega tihedalt seotud - tsütoplasma ja tuum. Tuum on tsütoplasmast eraldatud poorse membraaniga ja sisaldab tuumamahla, kromatiini ja tuuma. Poolvedel tsütoplasma täidab kogu raku ja seda läbivad arvukad tuubulid. Väljastpoolt on see kaetud tsütoplasmaatilise membraaniga. See sisaldab spetsiaalseid organellide struktuure, mis on rakus pidevalt olemas, ja ajutisi moodustisi - kandmisi. Membraani organellid: tsütoplasmaatiline membraan (CM), endoplasmaatiline retikulum (ER), Golgi aparaat, lüsosoomid, mitokondrid ja plastiidid. Kõigi membraani organellide struktuur põhineb bioloogilisel membraanil. Kõik membraanid on põhimõtteliselt ühtse struktuuriplaaniga ja koosnevad kahekordsest fosfolipiidide kihist, millesse valgumolekulid on erinevatest külgedest erineva sügavusega sukeldatud. Organellide membraanid erinevad üksteisest ainult nendes sisalduvate valkude komplektide poolest.
6. Kuidas rakendatakse põhimõtet "rakk - rakust"?
Prokarüootsete ja eukarüootsete rakkude paljunemine toimub ainult algse raku jagunemise teel, millele eelneb selle geneetilise materjali paljundamine (DNA reduplikatsioon).
Eukarüootsetes rakkudes on ainsaks täielikuks jagunemismeetodiks mitoos (või meioos sugurakkude moodustumisel). Sel juhul moodustub spetsiaalne rakujagunemisaparaat - rakuvõll, mille abil jaotuvad kahe tütarraku vahel ühtlaselt ja täpselt kromosoomid, mille arv on varem kahekordistunud. Seda tüüpi jagunemist täheldatakse kõigis eukarüootsetes rakkudes, nii taimedes kui ka loomades.
Prokarüootsed rakud, mis jagunevad nn binaarsel viisil, kasutavad ka spetsiaalset raku jagunemise aparaati, mis meenutab oluliselt eukarüootide mitootilist jagunemise meetodit. Samuti jagades emaraku kaheks.
7. Kirjeldage mitoosi faase ja olulisust.
Mitoosiprotsess jaguneb tavaliselt neljaks põhifaasiks: profaas, metafaas, anafaas ja telofaas. Kuna see on pidev, toimub faaside vahetus sujuvalt - üks läheb märkamatult teise.
Profaasis suureneb tuuma maht ja kromatiini spiraliseerumise tõttu tekivad kromosoomid. Profaasi lõpuks on selge, et iga kromosoom koosneb kahest kromatiidist. Tuumad ja tuumamembraan lahustuvad järk-järgult ning kromosoomid paiknevad juhuslikult raku tsütoplasmas. Tsentrioolid lahknevad raku pooluste suunas. Moodustub akromatiini lõhustumisspindel, mille osad niidid kulgevad poolusest poolusele, osa aga kinnitub kromosoomide tsentromeeride külge. Raku geneetilise materjali sisaldus jääb muutumatuks (2n4c).
Metafaasis saavutavad kromosoomid maksimaalse spiraliseerumise ja paiknevad raku ekvaatoril korrapäraselt, nii et sel perioodil loendatakse ja uuritakse neid. Geneetilise materjali sisaldus ei muutu (2n4c).
Anafaasis jaguneb iga kromosoom kaheks kromatiidiks, mida seejärel nimetatakse tütarkromosoomideks. Tsentromeeride külge kinnitatud spindliahelad tõmbuvad kokku ja tõmbavad kromatiidid (tütarkromosoomid) raku vastaspooluste poole. Raku geneetilise materjali sisaldust igal poolusel esindab diploidne kromosoomide komplekt, kuid iga kromosoom sisaldab ühte kromatiidi (4n4c).
Telofaasis poolustel paiknevad kromosoomid lähevad despiratsiooni ja muutuvad halvasti nähtavaks. Iga pooluse kromosoomide ümber moodustub tsütoplasma membraanistruktuuridest tuumamembraan ja tuumades moodustuvad nukleoolid. Lõhustumisspindel hävib. Samal ajal toimub tsütoplasma jagunemine. Tütarrakkudel on diploidne kromosoomide komplekt, millest igaüks koosneb ühest kromatiidist (2n2c).
Mitoosi bioloogiline tähtsus seisneb selles, et see tagab tunnuste ja omaduste päriliku edasikandumise rea rakupõlvkondade kaupa mitmerakulise organismi arengu käigus. Tänu kromosoomide täpsele ja ühtlasele jaotumisele mitoosi ajal on kõik ühe organismi rakud geneetiliselt identsed.
Rakkude mitootiline jagunemine on kõigi mittesugulise paljunemise vormide aluseks nii ühe- kui ka mitmerakulistes organismides. Mitoos määrab elu olulisemad nähtused: kudede ja elundite kasv, areng ja taastumine ning organismide mittesuguline paljunemine.
8. Mis on rakutsükkel?
Rakutsükkel (mitootiline tsükkel) on kogu raku eksisteerimise periood alates emaraku ilmumisest jagunemise ajal kuni oma jagunemiseni (kaasa arvatud jagunemiseni) või surmani. See koosneb interfaasist ja rakkude jagunemisest.
9. Millist rolli mängis rakk organismide evolutsioonis?
Rakk andis aluse orgaanilise maailma edasisele arengule. Selle evolutsiooni käigus saavutati hämmastav rakuvormide mitmekesisus, tekkis hulkraksus, tekkis rakkude spetsialiseerumine ja tekkisid rakulised kuded.
10. Nimeta raku elutegevuse peamised protsessid.
Ainevahetus – toitained sisenevad rakku ja ebavajalikud eemaldatakse. Tsütoplasma liikumine – transpordib rakus aineid. Hingamine - hapnik siseneb rakku ja süsinikdioksiid eemaldatakse. Toitumine – toitained sisenevad rakku. Kasv - raku suurus suureneb. Areng – raku struktuur muutub keerulisemaks.
11. Näidake mitoosi ja meioosi tähtsust raku evolutsioonis.
Tänu mitootilisele rakkude jagunemisele toimub organismi individuaalne areng - selle juurdekasv kiireneb, kuded uuenevad, vananenud ja surnud rakud asenduvad ning organismide mittesuguline paljunemine. Samuti on tagatud liigi isendite karüotüüpide püsivus.
Tänu meioosile toimub ristumine (homoloogiliste kromosoomide lõikude vahetus). See soodustab geneetilise informatsiooni rekombinatsiooni ning tekivad täiesti uue geenikomplektiga rakud (organismide mitmekesisus).
12. Millised on elusaine arengu olulisemad sündmused, mis toimusid rakutasandil evolutsiooniprotsessi käigus?
Peamised aromorfoosid (mitoos, meioos, sugurakud, suguprotsess, sügoot, vegetatiivne ja seksuaalne paljunemine).
Tuumade ilmumine rakkudes (eukarüootides).
Sümbiootilised protsessid ainuraksetes organismides – organellide teke.
Autotroofia ja heterotroofia.
Liikuvus ja liikumatus.
Mitmerakuliste organismide tekkimine.
Rakkude funktsioonide diferentseerumine mitmerakulistes organismides.
13. Kirjeldage elusaine rakutaseme üldist tähtsust looduses ja inimese jaoks.
Kunagi elementaarse biosüsteemi kujul tekkinud rakk sai orgaanilise maailma kogu edasise arengu aluseks. Bakterite, tsüanobakterite, erinevate vetikate ja algloomade evolutsioon toimus täielikult primaarse elusraku struktuursete, funktsionaalsete ja biokeemiliste muutuste tõttu. Selle evolutsiooni käigus saavutati hämmastavalt palju erinevaid rakuvorme, kuid raku struktuuri üldplaanis ei toimunud põhimõttelisi muutusi. Evolutsiooni käigus tekkis ainuraksete eluvormide põhjal hulkraksus, tekkis rakkude spetsialiseerumine ja tekkisid rakulised kuded.
Avalda oma sõna
1. Miks just elukorralduse rakutasandil tekkisid sellised elusolendite omadused nagu autotroofia ja heterotroofia, liikuvus ja liikumatus, hulkraksus ning spetsialiseerumine struktuurile ja funktsioonile? Mis aitas kaasa sellistele sündmustele rakukese elus?
Rakk on elusolendite põhiline struktuurne ja funktsionaalne üksus. See on omamoodi elusüsteem, mida iseloomustavad hingamine, toitumine, ainevahetus, ärrituvus, diskreetsus, avatus ja pärilikkus. Just rakutasandil tekkisid esimesed elusorganismid. Rakus täidab iga organell kindlat funktsiooni ja omab spetsiifilist struktuuri, ühendatuna ja koos toimides esindavad nad ühtset biosüsteemi, millel on kõik elusolendi omadused.
Ka rakk kui mitmerakuline organism on paljude sajandite jooksul arenenud. Erinevad keskkonnatingimused, loodusõnnetused ja biootilised tegurid on viinud rakkude organiseerimise komplikatsioonini.
Seetõttu tekkisid autotroofia ja heterotroofia, liikuvus ja liikumatus, hulkraksus ning spetsialiseerumine struktuurile ja talitlusele just raku tasandil, kus kõik organellid ja rakk tervikuna eksisteerivad harmooniliselt ja eesmärgipäraselt.
2. Mille alusel on kõik teadlased liigitanud tsüanobaktereid taimede, eelkõige vetikate hulka väga pikka aega ja alles 20. sajandi lõpus. kas nad paigutati bakterite kuningriiki?
Rakkude suhteliselt suur suurus (nostok näiteks moodustab üsna suuri kolooniaid, mida saab isegi üles korjata), teostab fotosünteesi hapniku eraldumisega sarnaselt kõrgematele taimedele ning ka väline sarnasus vetikatega oli põhjus, miks neid varem taimede osana käsitleti (“sinivetikad”).
Ja kahekümnenda sajandi lõpus tõestati, et rakkudel ei ole sinakasrohelisi tuumasid ja nende rakkudes olev klorofüll pole sama, mis taimedes, vaid bakteritele omane. Nüüd on tsüanobakterid ühed kõige keerulisemalt organiseeritud ja morfoloogiliselt diferentseeritud prokarüootsed mikroorganismid.
3. Millistest taimsetest ja loomsetest rakulistest kudedest on valmistatud riided ja jalanõud, mida sa täna koolis kandsid?
Valige need, mis teile sobivad. Saate tuua palju näiteid. Näiteks linast (niiskiud – juhtiv kangas) valmistatakse vastupidava struktuuriga kangast (meeste särk, naiste ülikonnad, aluspesu, sokid, püksid, saradressid). Puuvillast valmistatakse aluspesu, T-särke, särke, pükse, sundresse). Kingad (kingad, sandaalid, saapad) ja vööd on valmistatud loomanahast (epiteelkoest). Soojad riided on valmistatud karusloomade villast. Kampsunid, sokid, mütsid ja labakindad on valmistatud villast. Valmistatud siidist (siidiusside näärmete saladus on sidekude) - särgid, sallid, aluspesu.
Probleem, mida arutada
Charles Darwini vanaisa Erasmus Darwin, arst, loodusteadlane ja luuletaja, kirjutas 18. sajandi lõpus. 1803. aastal pärast tema surma avaldatud poeem “Looduse tempel”. Lugege sellest luuletusest lühike katkend ja mõelge, milliseid ideid rakulise elutasandi rolli kohta selles teoses leida võib (katkend on toodud raamatus).
Maapealne elu tekkis väikseimatest rakulistest vormidest. Just rakutasandil tekkisid esimesed elusorganismid. Ka rakk kui organism kasvas ja arenes, andes seeläbi tõuke paljude rakuliste vormide tekkeks. Nad suutsid asustada nii "muda" kui ka "veemassi". Tõenäoliselt viisid mitmesugused keskkonnatingimused, looduskatastroofid ja biootilised tegurid rakkude keerukama organiseerimiseni, mis viis "liikmete omandamiseni" (mis viitab mitmerakulisusele).
Põhimõisted
Prokarüootid ehk eeltuumad on organismid, mille rakkudel puudub moodustunud tuum, mis on piiratud membraaniga.
Eukarüootid ehk tuumad on organismid, mille rakkudel on hästi moodustunud tuum, mis on tsütoplasmast eraldatud tuumaümbrisega.
Organoid on rakustruktuur, mis täidab spetsiifilisi funktsioone.
Tuum on eukarüootse raku kõige olulisem osa, mis reguleerib kogu selle tegevust; kannab pärilikku informatsiooni DNA makromolekulides.
Kromosoom on DNA-d sisaldav niidilaadne struktuur raku tuumas, mis kannab lineaarses järjekorras geene, pärilikkuse ühikuid.
Bioloogiline membraan on elastne molekulaarstruktuur, mis koosneb valkudest ja lipiididest. Eraldab mis tahes raku sisu väliskeskkonnast, tagades selle terviklikkuse.
Mitoos (kaudne rakkude jagunemine) on universaalne eukarüootsete rakkude jagunemise meetod, mille käigus tütarrakud saavad algse rakuga identset geneetilist materjali.
Meioos on eukarüootsete rakkude jagunemise meetod, millega kaasneb kromosoomide arvu vähenemine poole võrra; Üks diploidne rakk tekitab neli haploidset rakku.
Rakutsükkel on raku paljunemistsükkel, mis koosneb mitmest järjestikusest sündmusest (näiteks interfaas ja mitoos eukarüootidel), mille käigus raku sisu kahekordistub ja see jaguneb kaheks tütarrakuks.
Elusaine organiseerituse rakuline struktuurtasand on üks elu struktuuritasanditest, mille struktuuri- ja funktsionaalseks üksuseks on organism, üksuseks aga rakk. Organismi tasandil esinevad järgmised nähtused: paljunemine, organismi kui terviku funktsioneerimine, ontogenees jne.
Kõik elusorganismid, välja arvatud viirused, koosnevad rakkudest. Need tagavad kõik taime või looma eluks vajalikud protsessid. Rakk ise võib olla eraldiseisev organism. Ja kuidas saab nii keeruline struktuur ilma energiata elada? Muidugi mitte. Kuidas siis rakud energiat saavad? See põhineb protsessidel, mida me allpool käsitleme.
Rakkude varustamine energiaga: kuidas see juhtub?
Vähesed rakud saavad energiat väljastpoolt, nad toodavad seda ise. neil on ainulaadsed "jaamad". Ja energiaallikaks rakus on mitokondrid, organell, mis seda toodab. Selles toimub rakulise hingamise protsess. Tänu sellele on rakud varustatud energiaga. Neid leidub aga ainult taimedes, loomades ja seentes. Bakterirakkudel ei ole mitokondreid. Seetõttu varustatakse nende rakke energiaga peamiselt fermentatsiooniprotsesside, mitte hingamise kaudu.
Mitokondrite struktuur
See on topeltmembraanne organell, mis tekkis eukarüootsesse rakku evolutsiooni käigus väiksema raku neeldumise tulemusena. See võib seletada tõsiasja, et mitokondrid sisaldavad oma DNA-d ja RNA-d, aga ka mitokondriaalseid ribosoome, mis toodavad. organellide jaoks vajalikud valgud.
Sisemembraanil on väljaulatuvad osad, mida nimetatakse cristae'iks või ribideks. Rakulise hingamise protsess toimub kristallidel.
Seda, mis on kahe membraani sees, nimetatakse maatriksiks. See sisaldab valke, keemiliste reaktsioonide kiirendamiseks vajalikke ensüüme, samuti RNA-d, DNA-d ja ribosoome.
Rakuhingamine on elu alus
See toimub kolmes etapis. Vaatame igaüks neist üksikasjalikumalt.
Esimene etapp on ettevalmistav
Selles etapis jagatakse keerulised orgaanilised ühendid lihtsamateks. Seega lagunevad valgud aminohapeteks, rasvad karboksüülhapeteks ja glütserooliks, nukleiinhapped nukleotiidideks ning süsivesikud glükoosiks.
Glükolüüs
See on hapnikuvaba etapp. See seisneb selles, et esimese etapi käigus saadud aineid lagundatakse edasi. Peamised energiaallikad, mida rakk selles etapis kasutab, on glükoosi molekulid. Igaüks neist laguneb glükolüüsi käigus kaheks püruvaadi molekuliks. See toimub kümne järjestikuse keemilise reaktsiooni käigus. Esimese viie tulemusena glükoos fosforüülitakse ja seejärel jaguneb kaheks fosfotrioosiks. Järgmised viis reaktsiooni toodavad kaks molekuli ja kaks PVA (püroviinamarihape) molekuli. Raku energia salvestatakse ATP kujul.
Kogu glükolüüsi protsessi saab lihtsustada järgmiselt:
2NAD+ 2ADP + 2H3PO4 + C6H12O6 → 2H20 + 2NAD. H2 + 2C3H4O3 + 2ATP
Seega, kasutades ühte glükoosi molekuli, kahte ADP molekuli ja kahte fosforhapet, saab rakk kaks ATP (energia) molekuli ja kaks püroviinamarihappe molekuli, mida ta kasutab järgmises etapis.
Kolmas etapp on oksüdatsioon
See etapp toimub ainult hapniku juuresolekul. Selle etapi keemilised reaktsioonid toimuvad mitokondrites. See on põhiosa, mille käigus vabaneb kõige rohkem energiat. Selles etapis laguneb see hapnikuga reageerides veeks ja süsinikdioksiidiks. Lisaks moodustub 36 ATP molekuli. Seega võime järeldada, et raku peamised energiaallikad on glükoos ja püroviinamarihape.
Kõiki keemilisi reaktsioone kokku võttes ja üksikasjad välja jättes saame väljendada kogu rakuhingamise protsessi ühe lihtsustatud võrrandiga:
6O2 + C6H12O6 + 38ADP + 38H3PO4 → 6CO 2 + 6H2O + 38ATP.
Seega saab rakk hingamise ajal ühest glükoosimolekulist, kuuest hapnikumolekulist, kolmekümne kaheksast ADP molekulist ja samast kogusest fosforhappest 38 molekuli ATP-d, mille kujul talletatakse energiat.
Mitokondriaalsete ensüümide mitmekesisus
Energiat elutegevuseks saab rakk läbi hingamise – glükoosi ja seejärel püroviinamarihappe oksüdatsiooni. Kõik need keemilised reaktsioonid ei saaks toimuda ilma ensüümideta – bioloogiliste katalüsaatoriteta. Vaatame neid, mis asuvad mitokondrites, rakuhingamise eest vastutavates organellides. Neid kõiki nimetatakse oksüdoreduktaasideks, kuna neid on vaja redoksreaktsioonide toimumise tagamiseks.
Kõik oksidoreduktaasid võib jagada kahte rühma:
- oksüdaasid;
- dehüdrogenaas;
Dehüdrogenaasid jagunevad omakorda aeroobseteks ja anaeroobseteks. Aeroobsed sisaldavad koensüümi riboflaviini, mida organism saab B2-vitamiinist. Aeroobsed dehüdrogenaasid sisaldavad koensüümidena NAD- ja NADP-molekule.
Oksidaasid on mitmekesisemad. Esiteks jagatakse need kahte rühma:
- vaske sisaldavad;
- need, mis sisaldavad rauda.
Esimeste hulka kuuluvad polüfenooloksidaasid ja askorbaatoksüdaas, teised katalaas, peroksidaas ja tsütokroomid. Viimased omakorda jagunevad nelja rühma:
- tsütokroomid a;
- tsütokroomid b;
- tsütokroomid c;
- tsütokroomid d.
Tsütokroomid a sisaldavad raud-formüülporfüriini, tsütokroomid b - raudprotoporfüriini, c - asendatud raua mesoporfüriini, d - rauddihüdroporfüriini.
Kas on muid võimalusi energia saamiseks?
Kuigi enamik rakke omandab selle rakuhingamise kaudu, on ka anaeroobseid baktereid, mis ei vaja eksisteerimiseks hapnikku. Nad toodavad vajalikku energiat kääritamise teel. See on protsess, mille käigus ensüümide abil lagundatakse süsivesikuid ilma hapniku osaluseta, mille tulemusena saab rakk energiat. Sõltuvalt keemiliste reaktsioonide lõppsaadusest on mitut tüüpi kääritamist. See võib olla piimhape, alkohol, võihape, atsetoon-butaan, sidrunhape.
Näiteks võib seda väljendada järgmise võrrandiga:
C6H12O6 → C2H5OH + 2CO2
See tähendab, et bakter lagundab ühe glükoosi molekuli üheks etüülalkoholi molekuliks ja kaheks süsinikoksiidi (IV) molekuliks.