Цей відеоурок присвячений темі «Забезпечення клітин енергією». На цьому занятті ми розглянемо енергетичні процеси у клітині та вивчимо, як відбувається забезпечення клітин енергією. Ви також дізнаєтеся, що таке клітинне дихання, з яких етапів воно складається. Докладно обговоріть кожен із цих етапів.
БІОЛОГІЯ 9 КЛАС
Тема: Клітинний рівень
Урок 13. Забезпечення клітин енергією
Степанова Ганна Юріївна
к. б.н., доц. МДУІЕ
Москва
Сьогодні ми поговоримо про забезпечення клітин енергією. Енергія використовується для різних хімічних реакцій, що протікають у клітині. Одні організми використовують енергію сонячного світла для біохімічних процесів - це рослини, інші використовують енергію хімічних зв'язків у речовинах, одержуваних у процесі харчування, - це тваринні організми. Речовини з їжі витягуються за допомогою розщеплення чи біологічного окислення у процесі клітинного дихання.
Клітинне дихання - це біохімічний процес у клітині, що у присутності ферментів, у результаті виділяється вода і вуглекислий газ, енергія запасається як макроенергетичних зв'язків молекул АТФ. Якщо цей процес протікає у присутності кисню, він носить назву «аеробний». Якщо він відбувається без кисню, він називається «анаеробним.
Біологічне окислення включає три основні стадії:
1. Підготовчу,
2. Безкисневу (гліколіз),
3. Повне розщеплення органічних речовин (у присутності кисню).
Підготовчий етап. Речовини, що надійшли з їжею, розщеплюються до мономерів. Цей етап починається в шлунково-кишковому тракті або лізосомах клітини. Полісахариди розпадаються на моносахариди, білки – на амінокислоти, жири – на гліцерини та жирні кислоти. Енергія, що виділяється на цій стадії, розсіюється у вигляді тепла. Слід зазначити, що з енергетичних процесів клітини використовують саме вуглеводи, а краще - моносахариды. А мозок може використовувати для своєї роботи лише моносахарид – глюкозу.
Глюкоза в процесі гліколізу розпадається на дві тривуглецеві молекули піровиноградної кислоти. Подальша їхня доля залежить від присутності у клітці кисню. Якщо в клітині є кисень, то піровиноградна кислота приходить в мітохондрії для повного окислення до вуглекислого газу і води (аеробне дихання). Якщо кисню немає, то в тваринних тканинах піровиноградна кислота перетворюється на молочну кислоту. Ця стадія проходить у цитоплазмі клітини. В результаті гліколізу утворюється лише дві молекули АТФ.
Для повного окислення глюкози обов'язково потрібний кисень. На третьому етапі в мітохондріях відбувається повне окислення піровиноградної кислоти до вуглекислого газу та води. Внаслідок цього утворюється ще 36 молекул АТФ.
Усього трьох етапах утворюється 38 молекул АТФ з однієї молекули глюкози, враховуючи дві АТФ, отримані у процесі гліколізу.
Отже, ми розглянули енергетичні процеси, які у клітинах. Охарактеризували етапи біологічного окиснення. На цьому наш урок закінчено, всього вам доброго, до побачення!
Відмінність дихання від горіння. Дихання, що відбувається у клітині, нерідко порівнюють із процесом горіння. Обидва процеси відбуваються у присутності кисню, виділення енергії та продуктів окислення. Але, на відміну горіння, дихання - це упорядкований процес біохімічних реакцій, що у присутності ферментів. При диханні вуглекислий газ виникає як кінцевий продукт біологічного окислення, а процесі горіння утворення вуглекислого газу відбувається шляхом прямого з'єднання водню з вуглецем. Також під час дихання утворюється певна кількість молекул АТФ. Тобто дихання та горіння – це принципово різні процеси.
Біомедичне значення.Для медицини важливий як метаболізм глюкози, але й фруктози і галактози. Особливо важлива в медицині здатність до утворення АТФ без кисню. Це дозволяє підтримувати інтенсивну роботу кістякового м'яза в умовах недостатньої ефективності аеробного окиснення. Тканини з підвищеною гліколітичною активністю здатні зберігати активність у періоди кисневого голодування. У серцевому м'язі можливості здійснення гліколізу обмежені. Вона тяжко переносить порушення кровопостачання, що може призвести до ішемії. Відомо кілька хвороб, зумовлених відсутністю ферментів, що регулюють гліколіз:
Гемолітична анемія (у швидкозростаючих ракових клітинах гліколіз йде зі швидкістю перевищує можливості циклу лимонної кислоти), що сприяє підвищеному синтезу молочної кислоти в органах та тканинах. Підвищений вміст молочної кислоти в організмі може бути ознакою раку.
Бродіння.Мікроби здатні отримувати енергію у процесі бродіння. Бродіння відоме людям з незапам'ятних часів, наприклад, при виготовленні вина. Ще раніше було відомо про молочнокисле бродіння. Люди споживали молочні продукти, не підозрюючи, що це процеси пов'язані з діяльністю мікроорганізмів. Це вперше довів Луї Пастер. Причому різні мікроорганізми виділяють різні продукти бродіння. Зараз ми поговоримо про спиртове та молочнокисле бродіння. В результаті утворюється етиловий спирт, вуглекислота та виділяється енергія. Пивовари та винороби використовували деякі види дріжджів для стимуляції бродіння, внаслідок якого цукру перетворюються на спирт. Бродіння виробляють головним чином дріжджі, а також деякі бактерії та гриби. У нашій країні традиційно використовуються дріжджі цукроміцети. В Америці – бактерії роду псевдомонас. А в Мексиці використовуються бактерії "рухливі палички". Наші дріжджі зазвичай зброджують гексози (шестивуглецеві моносахариди), такі як глюкоза або фруктоза. Процес утворення спирту можна так: з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули спирту, дві молекули вуглекислого газу і дві молекули АТФ. Цей спосіб менш вигідний, ніж аеробні процеси, але дозволяє підтримувати життя умовах відсутності кисню. А тепер давайте поговоримо про кисломолочне бродіння. Одна молекула глюкози утворює дві молекули молочної кислоти і виділяється дві молекули АТФ. Молочнокисле бродіння широко використовується для молочних продуктів: сир, кисле молоко, йогурти. Також молочна кислота використовується для виготовлення безалкогольних напоїв.
Величезне обертання опасистих дерев,
які на безплідному піску корінь
свій затвердили, ясно виявляє, що
жирними листами жирний тук з повітря
вбирають...
М. В. Ломоносов
Як енергія запасається у клітці? Що таке метаболізм? У чому суть процесів гліколізу, бродіння та клітинного дихання? Які процеси відбуваються на світловій та темновій фазах фотосинтезу? Як пов'язані процеси енергетичного та пластичного обміну? Що є хемосинтез?
Урок-лекція
Здатність перетворювати одні види енергії в інші (енергію випромінювання в енергію хімічних зв'язків, хімічну енергію в механічну тощо) належить до фундаментальних властивостей живого. Тут ми докладно розглянемо, як реалізуються ці процеси в живих організмів.
АТФ - ГОЛОВНИЙ ПЕРЕНОСЧИК ЕНЕРГІЇ У КЛІТЦІ. Для будь-яких проявів життєдіяльності клітин необхідна енергія. Автотрофні організми отримують вихідну енергію від Сонця в ході реакцій фотосинтезу, гетеротрофні ж як джерело енергії використовують органічні сполуки, що надходять з їжею. Енергія запасається клітинами у хімічних зв'язках молекул АТФ (аденозинтрифосфат), які являють собою нуклеотид, що складається з трьох фосфатних груп, залишку цукру (рибози) та залишку азотистої основи (аденіну) (рис. 52).
Мал. 52. Молекула АТФ
Зв'язок між фосфатними залишками отримав назву макроергічної, оскільки при її розриві виділяється велика кількість енергії. Зазвичай клітина отримує енергію з АТФ, відщеплюючи тільки кінцеву фосфатну групу. При цьому утворюється АДФ (аденозиндифосфат), фосфорна кислота та звільняється 40 кДж/моль:
Молекули АТФ відіграють роль універсальної енергетичної монети розмінної клітини. Вони поставляються до місця протікання енергоємного процесу, чи це ферментативний синтез органічних сполук, робота білків - молекулярних моторів чи мембранних транспортних білків та інших. Зворотний синтез молекул АТФ здійснюється шляхом приєднання фосфатної групи до АДФ з поглинанням енергії. Запасання клітиною енергії як АТФ здійснюється під час реакцій енергетичного обміну. Він тісно пов'язаний з пластичним обміном, під час якого клітина виробляє необхідні її функціонування органічні сполуки.
ОБМІН РЕЧОВИН І ЕНЕРГІЇ У КЛІТЦІ (МЕТАБОЛІЗМ). Метаболізм – сукупність усіх реакцій пластичного та енергетичного обміну, пов'язаних між собою. У клітинах постійно йде синтез вуглеводів, жирів, білків, нуклеїнових кислот. Синтез з'єднань завжди йде з витратою енергії, тобто за неодмінної участі АТФ. Джерелами енергії для утворення АТФ служать ферментативні реакції окислення білків, жирів і вуглеводів, що надходять в клітину. У ході цього процесу вивільняється енергія, що акумулюється в АТФ. Особливу роль енергетичному обміні клітини грає окислення глюкози. Молекули глюкози зазнають у своїй ряд послідовних перетворень.
Перший етап, який отримав назву гліколіз, проходить у цитоплазмі клітин і не потребує кисню Внаслідок послідовних реакцій за участю ферментів глюкоза розпадається на дві молекули піровиноградної кислоти. При цьому витрачаються дві молекули АТФ, а що вивільняється при окисленні енергії достатньо освіти чотирьох молекул АТФ. У результаті енергетичний вихід гліколізу невеликий і становить дві молекули АТФ:
З 6 Н1 2 0 6 → 2С 3 Н 4 0 3 + 4Н + + 2АТФ
В анаеробних умовах (за відсутності кисню) подальші перетворення можуть бути пов'язані з різними типами бродінь.
Всім відомо молочнокисле бродіння(скисання молока), яке відбувається завдяки діяльності молочнокислих грибків та бактерій. За механізмом воно подібне до гліколізу, тільки остаточним продуктом тут є молочна кислота. Цей тип окислення глюкози відбувається в клітинах при дефіциті кисню, наприклад, в м'язах, що інтенсивно працюють. Близько по хімізму до молочнокислого та спиртового бродіння. Відмінність полягає в тому, що продуктами спиртового бродіння є етиловий спирт та вуглекислий газ.
Наступний етап, в ході якого окислюється піровиноградна кислота, до вуглекислого газу і води, отримав назву клітинне дихання. Пов'язані з диханням реакції проходять у мітохондріях рослинних і тваринних клітин, і лише за наявності кисню. Це ряд хімічних перетворень до утворення кінцевого продукту – вуглекислого газу. На різних етапах такого процесу утворюються проміжні продукти окислення вихідної речовини із відщепленням атомів водню. При цьому звільняється енергія, яка «консервується» у хімічних зв'язках АТФ, та утворюються молекули води. Стає зрозумілим, що саме для того, щоб зв'язати відщеплені атоми водню, потрібний кисень. Цей ряд хімічних перетворень досить складний і відбувається за участю внутрішніх мембран мітохондрій, ферментів, білків-переносників.
Клітинне дихання має дуже високу ефективність. Відбувається синтез 30 молекул АТФ, ще дві молекули утворюються при гліколізі, і шість молекул АТФ – як результат перетворень продуктів гліколізу на мембранах мітохондрій. Усього внаслідок окислення однієї молекули глюкози утворюються 38 молекул АТФ:
C 6 H 12 O 6 + 6Н 2 0 → 6CO 2 + 6H 2 O + 38АТФ
У мітохондріях відбуваються кінцеві етапи окислення як цукрів, але й білків і ліпідів. Ці речовини використовуються клітинами, головним чином коли добігає кінця запас вуглеводів. Спочатку витрачається жир, при окисленні якого виділяється значно більше енергії, ніж з рівного обсягу вуглеводів і білків. Тому жир у тварин є основним «стратегічним резервом» енергетичних ресурсів. У рослин роль енергетичного резерву грає крохмаль. При зберіганні він займає значно більше місця, ніж енергетично еквівалентна кількість жиру. Для рослин це не є перешкодою, оскільки вони нерухомі і не носять, як тварини, запаси на собі. Витягти ж енергію з вуглеводів можна набагато швидше, ніж із жирів. Білки виконують в організмі багато важливих функцій, тому залучаються в енергетичний обмін тільки при вичерпанні ресурсів цукрів і жирів, наприклад, при тривалому голодуванні.
ФОТОСИНТЕЗ. Фотосинтез- це процес, під час якого енергія сонячних променів перетворюється на енергію хімічних зв'язків органічних сполук. У рослинних клітинах пов'язані з фотосинтезом процеси протікають у хлоропластах. Усередині цієї органели знаходяться системи мембран, в які вбудовані пігменти, що вловлюють променисту енергію Сонця. Основний пігмент фотосинтезу - хлорофіл, який поглинає переважно сині та фіолетові, а також червоні промені спектру. Зелене світло при цьому відображається, тому сам хлорофіл і частини рослин, що містять його, здаються зеленими.
У фотосинтезі виділяють дві фази. світловуі темну(Рис. 53). Власне уловлювання та перетворення променистої енергії відбувається під час світлової фази. При поглинанні квантів світла хлорофіл перетворюється на збуджений стан і стає донором електронів. Його електрони передаються від одного білкового комплексу до іншого ланцюгом перенесення електронів. Білки цього ланцюга, як і пігменти, зосереджені на внутрішній мембрані хлоропластів. При переході електрона ланцюга переносників він втрачає енергію, яка використовується для синтезу АТФ. Частина збуджених світлом електронів використовується для відновлення ПДФ (нікотинамідаденіндінуклеотифосфат), або НАДФ·Н.
Мал. 53. Продукти реакцій світлової та темнової фаз фотосинтезу
Під дією сонячного світла у хлоропластах відбувається також розщеплення молекул води. фотоліз; при цьому виникають електрони, які відшкодовують їх втрати хлорофілом; як побічний продукт при цьому утворюється кисень:
Таким чином, функціональний зміст світлової фази полягає в синтезі АТФ і НАДФ Н шляхом перетворення світлової енергії в хімічну.
Для реалізації темнової фази фотосинтезу світло не потрібне. Суть процесів, що проходять тут, полягає в тому, що отримані у світлову фазу молекули АТФ і НАДФ·Н використовуються в серії хімічних реакцій, що «фіксують» СОг у формі вуглеводів. Всі реакції темнової фази здійснюються всередині хлоропластів, а вуглекислоти АДФ і НАДФ, що звільняються при «фіксації», знову використовуються в реакціях світлової фази для синтезу АТФ і НАДФ·Н.
Сумарне рівняння фотосинтезу має такий вигляд:
ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК І ЄДНІСТЬ ПРОЦЕСІВ ПЛАСТИЧНОГО ТА ЕНЕРГЕТИЧНОГО ОБМІНУ. Процеси синтезу АТФ відбуваються у цитоплазмі (гліколіз), у мітохондріях (клітинне дихання) та у хлоропластах (фотосинтез). Усі здійснюються під час цих процесів реакції - це реакції енергетичного обміну. Запасена як АТФ енергія витрачається у реакціях пластичного обміну для необхідних життєдіяльності клітини білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот. Зауважимо, що темнова фаза фотосинтезу – це ланцюг реакцій, пластичного обміну, а світлова – енергетичного.
Взаємозв'язок та єдність процесів енергетичного та пластичного обміну добре ілюструє наступне рівняння:
При читанні цього рівняння зліва направо виходить процес окислення глюкози до вуглекислого газу та води в ході гліколізу та клітинного дихання, пов'язаний із синтезом АТФ (енергетичний обмін). Якщо ж прочитати його праворуч наліво, то виходить опис реакцій темнової фази фотосинтезу, коли з води та вуглекислоти за участю АТФ синтезується глюкоза (пластичний обмін).
ХЕМОСИНТЕЗ. До синтезу органічних речовин з неорганічних, крім фотоавтотрофів, здатні деякі бактерії (водневі, нітрифікуючі, серобактерії та інших.). Вони здійснюють цей синтез за рахунок енергії, що виділяється при окисненні неорганічних речовин. Їх називають хемоавтотроф. Ці бактерії, що хемосинтезують, відіграють важливу роль у біосфері. Наприклад, бактерії, що нітрифікують, переводять недоступні для засвоєння рослинами солі амонію в солі азотної кислоти, які добре ними засвоюються.
Клітинний метаболізм складають реакції енергетичного та пластичного обміну. У результаті енергетичного обміну відбувається утворення органічних сполук з макроергічними хімічними зв'язками - АТФ. Необхідна для цього енергія надходить від окислення органічних сполук у ході анаеробних (гліколіз, бродіння) та аеробних (клітинне дихання) реакцій; від сонячних променів, енергія яких засвоюється на світловій фазі (фотосинтез); від окиснення неорганічних сполук (хемосинтез). Енергія АТФ витрачається на синтез необхідних клітин органічних сполук в ході реакцій пластичного обміну, до яких відносяться і реакції темнової фази фотосинтезу.
- У чому різниця між пластичним та енергетичним обміном?
- Як перетворюється енергія сонячних променів на світлову фазу фотосинтезу? Які процеси відбуваються у темнову фазу фотосинтезу?
- Чому фотосинтез називають процесом відображення планетно-космічної взаємодії?
Життєвий цикл клітини чітко демонструє, що життя клітини розпадається на період інтеркінезу та мітозу. У період інтеркінезу активно здійснюються всі життєві процеси, крім розподілу. На них насамперед і зупинимося. Основним життєвим процесом клітини є обмін речовин.
На основі його відбувається утворення специфічних речовин, зростання, диференціювання клітини, а також дратівливість, рухи та самовідтворення клітин. У багатоклітинному організмі клітина є частиною цілого. Тому морфологічні особливості та характер всіх життєвих процесів клітини складаються під впливом організму та навколишнього довкілля. Свій вплив на клітини організм здійснює переважно через нервову систему, а також шляхом впливу гормонів залоз внутрішньої секреції.
Обмін речовин - це певний порядок перетворення речовин, що призводить до збереження та самооновлення клітини. У процесі обміну речовин, з одного боку, в клітину надходять речовини, які переробляються і входять до складу тіла клітини, а з іншого боку, з клітини виводяться речовини, що є продуктами розпаду, тобто клітина та середовище обмінюються речовинами. Хімічно обмін речовин виявляється у наступних один за одним у певному порядку хімічних реакціях. Суворий порядок під час перетворення речовин забезпечується білковими речовинами - ферментами, які грають роль каталізаторів. Ферменти специфічні, тобто діють належним чином лише певні речовини. Під впливом ферментів дана речовина з усіх можливих перетворень набагато швидше змінюється лише в одному напрямку. Нові речовини, що утворилися в результаті цього процесу, змінюються далі під впливом вже інших, настільки ж специфічних ферментів і т.д.
Рухомий початок обміну речовин - закон єдності та боротьби протилежностей. Справді, обмін речовин визначається двома суперечливими і водночас єдиними процесами – асиміляцією та дисиміляцією. Речовини, що надійшли із зовнішнього середовища, переробляються клітиною і перетворюються на речовини, властиві цій клітині (асиміляція). Отже, оновлюється склад її цитоплазми, органел ядра, утворюються трофічні включення, виробляються секрети, інкрети. Процеси асиміляції синтетичні, вони йдуть при поглинанні енергії. Джерелом цієї енергії є процеси дисиміляції. В результаті їх органічні речовини, що раніше виникли, руйнуються, причому звільняється енергія і утворюються продукти, одні з яких синтезуються в нові речовини клітини, а інші виводяться з клітини (екскрети). Енергія, що звільнилася в результаті дисиміляції, використовується при асиміляції. Таким чином, асиміляція та дисиміляція є двома хоч і різними, але тісно пов'язаними один з одним сторонами обміну речовин.
Характер обміну різний у різних тварин, а й у межах одного організму у різних органах і тканинах. Ця специфічність проявляється в тому, що клітини кожного органу здатні засвоювати лише певні речовини, будувати з них специфічні речовини свого тіла та виділяти у зовнішнє середовище теж цілком певні речовини. Разом з обміном речовин відбувається і обмін енергії, тобто клітина поглинає із зовнішнього середовища енергію у вигляді тепла, світла та, у свою чергу, виділяє променисту та інші види енергії.
Обмін речовин складається з низки приватних процесів. Основні з них:
1) проникнення речовин у клітину;
2) їх «переробка» за допомогою процесів харчування та дихання (аеробного та анаеробного);
3) використання продуктів «переробки» для різних синтетичних процесів, прикладом яких може бути синтез білків та утворення секрету;
4) виведення продуктів життєдіяльності із клітини.
У проникненні речовин, як і у виведенні речовин із клітини, значної ролі грає плазмалемма. Обидва ці процеси можна розглядати з фізико-хімічної та морфологічної точки зору. Проникність здійснюється завдяки пасивному та активному перенесенню. Перший відбувається завдяки явищам дифузії та осмосу. Однак у клітину можуть надходити речовини всупереч цим законам, що говорить про активність самої клітини та її вибірковість. Відомо, наприклад, що іони натрію викачуються з клітини, навіть якщо їх концентрація у зовнішньому середовищі вище, ніж у клітині, а іони калію, навпаки, нагнітаються в клітину. Це описується під назвою «натрієво-калієвий насос» і супроводжується витратою енергії. Здатність проникати в клітину зменшується в міру збільшення в молекулі числа гідроксильних груп (ОН) при введенні в молекулу аміногрупи (NH2). Органічні кислоти проникають легше, ніж неорганічні. З лугів особливо швидко проникає аміак. Для проникності має значення розмір молекули. Проникність клітини змінюється в залежності від реакції, температури, освітлення, від віку та фізіологічного стану самої клітини, причому ці причини можуть посилити проникність одних речовин та одночасно послабити проникність інших.
Морфологічна картина проникності речовин з довкілля добре простежена і здійснюється шляхом фагоцитозу phagein – пожирати) та піноцитозу (pynein –пити). Механізми того й іншого, мабуть, подібні та різняться лише кількісно. За допомогою фагоцитозу захоплюються більші частинки, а за допомогою піноцитозу - дрібніші і менш щільні. Спочатку речовини адсорбуються покритою мукополісахаридами поверхнею плазмалеми, потім разом з нею вони занурюються вглиб, причому утворюється бульбашка, яка потім відокремлюється від плазмалеми (рис. 19). Переробка прониклих речовин здійснюється в ході процесів, що нагадують травлення і завершуються утворенням порівняно простих речовин. Внутрішньоклітинне травлення починається з того, що фагоцитозні або піноцитозні бульбашки зливаються з первинними лізосомами, в яких укладені травні ферменти, причому утворюється вторинна лізосома, або вакуоль травна. Вони з допомогою ферментів і відбувається розкладання речовин більш прості. У цьому процесі беруть участь як лізосоми, а й інші компоненти клітини. Так, мітохондрії забезпечують енергетичну сторону процесу; канали цитоплазматичної мережі можуть бути використані для транспорту перероблених речовин.
Завершується внутрішньоклітинне травлення освітою, з одного боку, порівняно простих продуктів, з яких синтезуються знову складні речовини (білки, жири, вуглеводи), що використовуються для оновлення клітинних структур або утворення секретів, а з іншого боку - продуктів, що підлягають виведенню з клітини як екскретів. Прикладами використання продуктів переробки може бути синтез білків і утворення секретів.
Мал. 19. Схема піноцитозу:
Л - утворення піноцитозного каналу (1) та піноцитозних бульбашок (2). Стрілками показано напрямок вп'ячування плазмалеми. Б-Ж – послідовні стадії піноцитозу; 3 - частинки, що адсорбуються; 4 – частинки, захоплені виростами клітини; 5 - плазмалема клітини; Г, Д, Б - послідовні етапи формування піноцитозної вакуолі; Ж – харчові частинки звільнені від оболонки вакуолі.
Синтез білка здійснюється на рибосомах і умовно відбувається у чотири стадії.
Перша стадія включає активування амінокислот. Активація їх відбувається в матриксі цитоплазми за участю ферментів (аміноацил – РНК-синтетаз). Відомо близько 20 ферментів, у тому числі кожен специфічний лише однієї амінокислоти. Активація амінокислоти здійснюється при поєднанні її з ферментом та АТФ.
В результаті взаємодії від АТФ відщеплюється пірофосфат, і енергія, що перебуває у зв'язку між першою та другою фосфатними групами, повністю переходить на амінокислоту. Активована таким чином амінокислота (аміноациладенілат) стає реакційноздатною і набуває здатності з'єднуватися з іншими амінокислотами.
Друга стадія – зв'язування активованої амінокислоти з транспортною РНК (т-РНК). При цьому одна молекула т-РНК приєднує лише одну молекулу активованої амінокислоти. У цих реакціях бере участь той самий фермент, що й у першій стадії, і реакція закінчується утворенням комплексу т-РНК та активованої амінокислоти. Молекула т-РНК складається з подвійної замкнутої з одного кінця короткої спіралі. Замкнутий (головний) кінець цієї спіралі представлений трьома нуклеотидами (антикодон), які і зумовлюють приєднані даної т-РНК до певної ділянки (кодону) довгої молекули інформаційної РНК (і-РНК). До іншого кінця т-РНК приєднується активована амінокислота (рис. 20). Наприклад, якщо молекула т-РНК на головному кінці має триплет УАА, то до її протилежного кінця може приєднатися тільки амінокислота лізин. Таким чином, кожній амінокислоті відповідає своя спеціальна т-РНК. Якщо три кінцеві нуклеотиди в різних т-РНК однакові, то її специфічність визначається послідовністю нуклеотидів в іншій ділянці т-РНК. Енергія активованої амінокислоти, сполученої з т-РНК, використовується для утворення пептидних зв'язків у молекулі поліпептиду. Активована амінокислота транспортується т-РНК гіалоплазмою до рибосом.
Третя стадія – синтез поліпептидних ланцюгів. Інформаційна РНК, вийшовши з ядра, простягається через малі субодиниці кількох рибосом певної полирибосомы, й у кожної їх повторюються одні й самі процеси синтезу. Під час протягування відбувається укладання тієї моле-
Мал. 20. Схема синтезу поліпептиду на рибосомах за допомогою і-РНК і т-РНК: /, 2-рибосома; 3 - т-РНК, що несе на одному кінці антикодони: АЦЦ, AUA. Ayv АГЦ, а на іншому кінці відповідно амінокислоти: триптофан, валик, лізин, серин (5); 4- н-РНК, в якій розташовані коди: УГГ (триптофану)» УРУ (валіна). УАА (лізину), УЦГ (серину); 5 - поліпептид, що синтезується.
Кули т-РНК, триплет якої відповідає кодовому слову-РНК. Потім кодове слово зміщується вліво, а разом з ним і т-РНК, що прикріпилася до нього. Принесена нею амінокислота з'єднується пептидним зв'язком з раніше принесеною амінокислотою поліпептиду, що синтезує; т-РНК відокремлюється від і-РНК, відбувається трансляція (списування) інформації та-РНК, тобто синтез білка. Очевидно, до рибосом одночасно бувають приєднані дві молекули т-РНК: одна на ділянці, що несе синтезується поліпептидний ланцюг, а інша на ділянці, до якого прикріплюється чергова амінокислота перед тим, як встане на своє.місце в ланцюгу.
Четверта стадія - зняття поліпептидного ланцюга з рибосоми та утворення просторової конфігурації, характерної для білка, що синтезується. Нарешті, білкова молекула, що закінчила формування, стає самостійною. т-РНК може використовуватися для повторних синтезів, а РНК руйнується. Тривалість формування білкової молекули залежить від чиода амінокислот у ній. Вважають, що приєднання однієї амінокислоти продовжується 0,5 секунди.
Процес синтезу вимагає витрати енергії, джерелом якої є АТФ, що утворюється головним чином у мітохондріях і незначній кількості в ядрі, а при підвищеній активності клітини також і в гіало-плазмі. У ядрі в гіалоплазмі АТФ утворюється не так на основі окисного процесу, як у мітохондріях, але в основі гліколізу, тобто анаеробного процесу. Таким чином, синтез здійснюється завдяки координованій роботі ядра, гіалоплазми, рибосом, мітохондрій та зернистої цитоплазматичної мережі клітини.
Секреторна діяльність клітини є прикладом злагодженої роботи низки клітинних структур. Секреція – вироблення клітиною спеціальних продуктів, які у багатоклітинному організмі найчастіше використовуються на користь всього організму. Так, слина, жовч, шлунковий сік та інші секрети служать для переробки їжі в
Мал. 21. Схема одного з можливих шляхів синтезу секрету в клітині та його виведення:
1 - просекрет у ядрі; 2 - вихід про-секрету з ядра; 3 - скупчення просек-рету в цистерні цитоплазматичної мережі; 4 - відрив цистерни із секретом від цитоплазматичної мережі; 5 – пластинчастий комплекс; 6 – крапля секрету в районі пластинчастого комплексу; 7- зріла гранула секрету; 8-9 – послідовні стадії виділення секрету; 10 - секрет поза клітиною; 11 – плазмалема клітини.
Органи травлення. Секрети можуть бути утворені або тільки білками (ряд гормонів, ферменти), або складаються з глікопротеїдів (слиз), лігю-протеїдів, гліколіпопротеїдів, рідше вони представлені ліпідами (жир молока та сальних залоз) t або неорганічними речовинами (соляна кислота фундальних залоз).
У секреторних клітинах зазвичай можна розрізнити два кінці: базальний (звернений до перикапілярного простору) і апікальний (звернений до простору, куди виділяється секрет). У розташуванні компонентів секреторної клітини спостерігається зональність, причому від базального до апікальних кінців (полюсів) вони утворюють наступний ряд: зерниста цитоплазматична мережа, ядро, пластинчастий комплекс, гранули секрету (рис. 21). Плазмалемма базального та апікального полюсів часто несе мікроворсинки, в результаті яких збільшується поверхня для надходження речовин із крові та лімфи через базальний полюс та виведення готового секрету через апікальний полюс.
При утворенні секрету білкової природи (підшлункова залоза) процес починається із синтезу специфічних для секрету білків. Тому ядро секреторних клітин багате на хроматин, має добре виражене ядерце, завдяки яким утворюються всі три види РНК, що надходять в цитоплазму і беруть участь у синтезі білків. Іноді, мабуть, синтез секрету починається в ядрі і завершується в цитоплазмі, але найчастіше в гіалоплазмі і продовжується в зернистій цитоплазматичній мережі. У накопиченні первинних продуктів та їх транспорті важливу роль відіграють канальці цитоплазматичної мережі. У зв'язку з цим у секреторних клітинах багато рибосом та добре розвинена цитоплазматична мережа. Ділянки цитоплазматичної мережі з первинним секретом відриваються і прямують до пластинчастого комплексу, переходячи у його вакуолі. Тут відбувається формування секреторних гранул.
При цьому навколо секрету утворюється ліпопротеїнова мембрана, а сам секрет дозріває (втрачає воду), стаючи більш концентрованим. Готовий секрет у вигляді гранул або вакуолей виходить із пластинчастого комплексу і через апікальний полюс клітин виділяється назовні. Мітохондрії забезпечують весь цей процес енергією. Секрети небілкової природи, мабуть, синтезуються в цитоплазматичній мережі та в окремих випадках навіть у мітохондріях (ліпідні секрети). Процес секреції регулюється нервовою системою. Крім конструктивних білків і секретів, в результаті обміну речовин у клітині можуть утворюватися речовини трофічного характеру (глікоген, жир, пігменти та ін.), Виробляється енергія (промениста, теплова та електрична -біотоки).
Завершується обмін речовин виділенням у зовнішнє середовище ряду речовин, які, як правило, не використовуються клітиною і часто є
Для неї навіть шкідливі. Виведення речовин із клітини здійснюється, як і надходження, на основі пасивних фізико-хімічних процесів (дифузія, осмос), так і шляхом активного перенесення. Морфологічна картина виведення нерідко має характер, зворотний до фагоцшшу. Речовини, що виводяться оточуються мембраною.
Пухирець, що утворився, наближається до оболонки клітини, вступає в контакті нею, потім проривається, і вміст бульбашки виявляється поза клітиною.
Обмін речовин, як ми вже сказали, визначає інші життєві прояви клітини, такі, як ріст і диференціювання клітин, дратівливість, здатність клітин до самовідтворення.
Зростання клітини - зовнішній прояв обміну речовин, що виражається у збільшенні розміру клітини. Зростання можливе лише в тому випадку, якщо в процесі обміну речовин асиміляція переважає дисиміляцію, причому кожна клітина росте лише до певної межі.
Диференціювання клітини- це ряд якісних змін, які в різних клітинах протікають по-різному і визначаються середовищем і діяльністю ділянок ДНК, які називаються генами. В результаті виникають різноякісні клітини різноманітних тканин, надалі клітини зазнають вікових змін, які мало вивчені. Однак відомо, що відбувається збіднення клітин водою, частинки білка укрупнюються, що тягне за собою зменшення загальної поверхні дисперсної фази колоїду і як наслідок зниження інтенсивності обміну речовин. Тому знижується життєвий потенціал клітини, уповільнюються окисні, відновлювальні та інші реакції, змінюється спрямованість деяких процесів, через що в клітині накопичуються різні речовини.
Подразливість клітини - її реакція на зміни у зовнішньому середовищі, завдяки чому усуваються тимчасові протиріччя, що виникають між клітиною та середовищем, і жива структура виявляється пристосованою до вже зміненого зовнішнього середовища.
У явищі дратівливості можна назвати такі моменты:
1) вплив агента зовнішнього середовища (наприклад, механічне, хімічне, променеве та ін.)
2) перехід клітини до діяльного, тобто збудливого, стану, що проявляється у зміні біохімічних та біофізичних процесів усередині клітини, причому можуть підвищуватися проникність клітини та поглинання кисню, змінюватись колоїдний стан її цитоплазми, з'являтися електричні струми дії тощо;
3) відповідь клітини на вплив середовища, причому в різних клітинах реакція у відповідь проявляється по-різному. Так, у сполучній тканині відбувається місцева зміна обміну речовин, у м'язовій – скорочення, у залозистих тканинах виділяється секрет (слина, жовч та ін.), у нервових клітинах виникає нервовий імпульс, У залозистому епітелії, м'язовій та нервовій тканинах збудження, що виникло в одному ділянці, що поширюється по всій тканині. У нервовій клітині збудження здатне поширюватися не тільки на інші елементи тієї ж тканини (внаслідок чого утворюються складні збудливі системи – рефлекторні дуги), а й переходити на інші тканини. Завдяки цьому здійснюється регулююча роль нервової системи. Ступінь складності цих реакцій залежить від висоти організації тварини, Залежно від сили та характеру подразнюючого агента розрізняють такі три типи подразливості: нормальний, стан паранекрозу та некротичний. Якщо сила подразника не виходить за межі звичайного, властивого середовищу, в якому живе клітина або організм в цілому, то процеси, що виникають в клітині, зрештою ліквідують протиріччя із зовнішнім середовищем, і клітина приходить у нормальний стан. При цьому жодного видимого під мікроскопом порушення структури клітини не відбувається. Якщо ж сила подразника велика або вона тривалий час впливає на клітину, то зміна внутрішньоклітинних процесів призводить до значного порушення функції, структури та хімізму клітини. У ній з'являються включення, утворюються структури у вигляді ниток, глибок, сіточек і т. п. Реакція цитоплазми зсувається у бік кислотності, зміна структури та фізико-хімічних властивостей клітини порушує нормальну життєдіяльність клітини, ставить її на межу життя та смерті. Цей стан Насонов і Олександров назвали паранекротичним* Воно оборотне і може закінчитися відновленням клітини, але може призвести і до її загибелі. Нарешті, якщо агент діє з дуже великою силою, процеси всередині клітини так сильно порушуються, що відновлення виявляється неможливим і клітина гине. Після цього настає ряд структурних змін, тобто клітина перетворюється на стан некрозу чи омертвіння.
Рух. Характер руху, властивого клітині, дуже різноманітний. Насамперед у клітині здійснюється безперервний рух цитоплазми, який, очевидно, пов'язаний із здійсненням обмінних процесів. Далі, у клітини можуть дуже активно рухатися різні цитоплазматичні утворення, наприклад вії у миготливого епітелію, мітохондрії; здійснює рух та ядро. В інших випадках рух виявляється у зміні довжини або об'єму клітини з подальшим поверненням її у вихідне положення. Такий рух спостерігається в м'язових клітинах, м'язових волокнах і пігментних клітинах. Широко поширений і рух у просторі. Воно може здійснюватися за допомогою ложноніжок, як у амеби. Так пересуваються лейкоцити та деякі клітини сполучної та інших тканин. Особливу форму руху в просторі мають спермін. Їх поступальний рух відбувається завдяки поєднанню змієподібних вигинів хвоста та обертання спермію навколо поздовжньої осі. У порівняно просто організованих істот і в деяких клітин високоорганізованих багатоклітинних тварин рух у просторі викликається та спрямовується різними агентами зовнішнього середовища та називається таксисами.
Розрізняють: хемотаксиси, тигмотаксиси та реотаксиси. Хемотаксиси - рух у напрямку до хімічних речовин або від них. Такий таксис виявляють лейкоцити крові, які амебоподібно пересуваються у напрямку до бактерій, що проникли в організм, що виділяє певні речовини, Тігмотаксис - рух у напрямку до твердого тіла, що доторкнувся, або від нього. Наприклад, легкий дотик харчових частинок до амеби призводить до того, що вона обволікає їх, а потім заковтує. Сильне механічне роздратування може викликати рух у бік, протилежний дратівливому початку. Реотаксис-рух проти струму рідини. Здатність до реотаксису мають спермін, що рухаються в матці проти струму слизу у напрямку до яєчної клітини.
Здатність до самовідтворення є найважливішою властивістю живої матерії, без чого життя неможливе. Будь-яка жива система характеризується ланцюгом незворотних змін, які завершуються смертю. Якби ці системи не давали початку новим системам, здатним розпочати цикл спочатку, життя припинилося б.
Функція самовідтворення клітини здійснюється шляхом поділу, що є наслідком розвитку клітини. У процесі її життєдіяльності, через переважання асиміляції над дисиміляцією, збільшується маса клітин, але об'єм клітини збільшується швидше, ніж її поверхню. У умовах інтенсивність обміну знижується, настають глибокі фізико-хімічні і морфологічні перебудови клітини, поступово загальмовуються процеси асиміляції, що переконливо доведено з допомогою мічених атомів. В результаті спочатку припиняється зростання клітини, а потім стає неможливим подальше її існування, і відбувається поділ.
Перехід до поділу - це якісний стрибок, чи наслідок кількісних змін асиміляції та дисиміляції, механізм вирішення протиріч між цими процесами. Після поділу клітини ніби омолоджуються, життєвий потенціал їх збільшується, оскільки вже з зменшення розміру збільшується частка активної поверхні, інтенсифікується обмін речовин загалом і асиміляційна фаза його особливо.
Таким чином, індивідуальне життя клітини складається з періоду інтерфази, що характеризується підвищеним обміном речовин, та періоду поділу.
Інтерфазу з деякою часткою умовності поділяють:
1) на пресинтетичний період (Gj), коли інтенсивність асиміляційних процесів поступово наростає, але редуплікація ДНК ще розпочалася;
2) синтетичний (S), що характеризується розпалом синтезу, протягом якого відбувається подвоєння ДНК, та
3) постсинтетичний (G2), коли процеси синтезу ДНК припиняються.
Розрізняють такі основні типи поділу:
1) непрямий поділ (мітоз, або каріокінез);
2) мейоз, або редукційний поділ, та
3) амітоз, або прямий поділ.
Докладне рішення параграф Підсумуйте 2 розділи з біології для учнів 11 класу, авторів І.М. Пономарьова, О.К. Корнілова, тобто. Лощіліна, П.В. Іжевський Базовий рівень 2012
- Гдз з Біології за 11 клас можна знайти
- Гдз робочий зошит з Біології за 11 клас можна знайти
1. Сформулюйте визначення біосистеми клітина..
Клітина – елементарна жива система, основна структурна одиниця живих організмів, здатна до самовідновлення, саморегуляції та самовідтворення.
2. Чому клітину називають основною формою життя та елементарною одиницею життя?
Клітина – основна форма життя та елементарною одиницею життя, тому що будь-який організм складається з клітин, а найменший організм є клітиною (найпростіші). Окремі органели поза клітини жити що неспроможні.
На клітинному рівні відбуваються такі процеси: обмін речовин (метаболізм); поглинання та, отже, включення різних хімічних елементів Землі до вмісту живого; передача спадкової інформації від клітини до клітини; накопичення змін у генетичному апараті внаслідок взаємодії із середовищем; реагування на подразнення при взаємодії із зовнішнім середовищем. Структурними елементами системи клітинного рівня є різноманітні комплекси молекул хімічних сполук і структурні частини клітини - поверхневий апарат, ядро і цитоплазма зі своїми органоїдами. Взаємодія між ними забезпечує єдність, цілісність клітини у прояві її властивостей як живої системи у відносинах із зовнішнім середовищем.
3.Поясніть механізми стійкості клітини як біосистеми.
Клітина - елементарна біологічна система, а будь-яка система-це комплекс взаємопов'язаних і взаємодіючих компонентів, що становлять єдине ціле. У клітині цими компонентами є органоїди. Клітина здатна до обміну речовин, саморегуляції та самооновлення, завдяки чому і підтримується її стійкість. Вся генетична програма клітини перебуває у ядрі, а різні відхилення від неї сприймаються ферментативною системою клітини.
4. Порівняйте клітини еукаріотів і прокаріотів.
Усі живі організми на Землі поділяються на дві групи: прокаріоти та еукаріоти.
Еукаріоти – це рослини, тварини та гриби.
Прокаріоти - це бактерії (у тому числі ціанобактерії (синьо-зелені водорості)).
Головна відмінність. У прокаріотів немає ядра, кільцева ДНК (кільцева хромосома) розташована прямо в цитоплазмі (ця ділянка цитоплазми називається нуклеоїд). У еукаріотів є оформлене ядро (спадкова інформація [ДНК] відокремлена від цитоплазми ядерною оболонкою).
Інші відмінності.
Якщо у прокаріотів немає ядра, то немає і мітозу/мейозу. Бактерії розмножуються розподілом надвоє, брунькуванням
У еукаріотів різна кількість хромосом, залежно від виду. У прокаріотів єдина хромосома (кільцеподібної форми).
У еукаріотів присутні органоїди, оточені мембранами. У прокаріотів відсутні органоїди, оточені мембранами, тобто. немає ендоплазматичної мережі (її роль виконують численні виступи клітинної мембрани), немає мітохондрій, немає пластид, немає клітинного центру.
Клітина прокаріотів набагато менша за клітину еукаріотів: за діаметром у 10 разів, за обсягом – у 1000 разів.
Подібність. Клітини всіх живих організмів (всіх царств живої природи) містять плазматичну мембрану, цитоплазму та рибосоми.
5. Охарактеризуйте внутрішньоклітинну структуру еукаріотів.
Клітини, що утворюють тканини тварин і рослин, значно різняться за формою, розмірами та внутрішньою будовою. Проте вони виявляють подібність у основних процесів життєдіяльності, обміну речовин, у дратівливості, зростанні, розвитку, здатність до мінливості.
Клітини всіх типів містять два основних компоненти, тісно пов'язані між собою, - цитоплазму та ядро. Ядро відокремлено від цитоплазми пористою мембраною та містить ядерний сік, хроматин та ядерце. Напіврідка цитоплазма заповнює всю клітину і пронизана численними канальцями. Зовні вона вкрита цитоплазматичною мембраною. У ній є спеціалізовані структури-органоїди, що присутні в клітині постійно, і тимчасові утворення - включення. Мембранні органоїди: цитоплазматична мембрана (ЦM), ендоплазматична мережа (ЕПС), апарат Гольджі, лізосоми, мітохондрії та пластиди. У основі будови всіх мембранних органоїдів лежить біологічна мембрана. Всі мембрани мають принципово єдиний план будови і складаються з подвійного шару фосфоліпідів, який з різних сторін на різну глибину занурені білкові молекули. Мембрани органоїдів відрізняються один від одного лише наборами білків, що входять до них.
6. Яким чином реалізується принцип «клітина – від клітини»?
Розмноження прокаріотичних та еукаріотичних клітин відбувається лише шляхом поділу вихідної клітини, якому передує відтворення її генетичного матеріалу (редуплікація ДНК).
У еукаріотичних клітин єдино повноцінним способом розподілу є мітоз (або мейоз при утворенні статевих клітин). При цьому утворюється спеціальний апарат клітинного поділу - клітинне веретено, за допомогою якого рівномірно і точно по двох дочірніх клітинах розподіляються хромосоми, які до цього подвоїлися в числі. Цей тип поділу спостерігається у всіх еукаріотичних, як рослинних, так і тваринних клітин.
Прокаріотичні клітини, що діляться так званим бінарним чином, також використовують спеціальний апарат поділу клітин, що значно нагадує мітотичний спосіб поділу еукаріотів. Також поділяючи материнську клітину надвоє.
7. Охарактеризуйте фази та значення мітозу.
Процес мітозу прийнято поділяти на чотири основні фази: профазу, метафазу, анафазу та телофазу. Оскільки він безперервний, зміна фаз здійснюється плавно - одна непомітно перетворюється на іншу.
У профазі збільшується обсяг ядра і внаслідок спіралізації хроматину формуються хромосоми. До кінця профази видно, кожна хромосома складається з двох хроматид. Поступово розчиняються ядерця та ядерна оболонка, і хромосоми виявляються безладно розташованими у цитоплазмі клітини. Центріолі розходяться до полюсів клітини. Формується ахроматинове веретено поділу, частина ниток якого йде від полюса до полюса, а частина прикріплюється до центромірів хромосом. Зміст генетичного матеріалу у клітині залишається незмінним (2n4c).
У метафазі хромосоми досягають максимальної спіралізації та розташовуються впорядковано на екваторі клітини, тому їх підрахунок та вивчення проводять у цей період. Вміст генетичного матеріалу не змінюється (2n4c).
В анафазі кожна хромосома розщеплюється на дві хроматиди, які з цього моменту називаються дочірніми хромосомами. Нитки веретена, прикріплені до центромірів, скорочуються та тягнуть хроматиди (дочірні хромосоми) до протилежних полюсів клітини. Зміст генетичного матеріалу в клітині кожного полюса представлено диплоїдним набором хромосом, але кожна хромосома містить одну хроматиду (4n4c).
У телофазі хромосоми, що розташувалися біля полюсів, деспіралізуються і стають погано видимими. Навколо хромосом у кожного полюса з мембранних структур цитоплазми формується ядерна оболонка, у ядрах утворюються ядерця. Руйнується веретено поділу. Одночасно йде розподіл цитоплазми. Дочірні клітини мають диплоїдний набір хромосом, кожна з яких складається з однієї хроматиди (2n2c).
Біологічне значення мітозу полягає в тому, що він забезпечує спадкову передачу ознак та властивостей у ряді поколінь клітин при розвитку багатоклітинного організму. Завдяки точному та рівномірному розподілу хромосом при мітозі всі клітини єдиного організму генетично однакові.
Мітотичний поділ клітин лежить в основі всіх форм безстатевого розмноження як одноклітинних, так і багатоклітинних організмів. Мітоз обумовлює найважливіші явища життєдіяльності: зростання, розвиток та відновлення тканин та органів та безстатеве розмноження організмів.
8. Що таке клітинний цикл?
Клітинний цикл (мітотичний цикл) - це весь період існування клітини з моменту появи в процесі поділу материнської клітини до її власного поділу (включаючи і сам поділ) або загибель. Він складається з інтерфази та поділу клітини.
9. Яку роль еволюції організмів виконала клітина?
Клітина дала початок подальшому розвитку органічного світу. У ході цієї еволюції було досягнуто разючого розмаїття клітинних форм, зародилася багатоклітинність, виникла спеціалізація клітин, з'явилися клітинні тканини.
10. Назвіть основні процеси життєдіяльності клітини.
Обмін речовин – у клітину надходять поживні речовини, а видаляються непотрібні. Рух цитоплазми – транспортує речовини у клітині. Дихання – у клітину надходить кисень, видаляється вуглекислий газ. Харчування - у клітину надходять поживні речовини. Зростання - клітина збільшується у розмірах. Розвиток – будова клітини ускладнюється.
11. Вкажіть значення мітозу та мейозу в еволюції клітини.
Завдяки мітотичному поділу клітин йде індивідуальний розвиток організму – збільшується його зростання, оновлюються тканини, замінюються постарілі та відмерлі клітини, здійснюється безстатеве розмноження організмів. Також забезпечується сталість каріотипів особин виду.
Завдяки мейозу відбувається кросинговер (обмін ділянками гомологічних хромосом). Це сприяє перекомбінації генетичної інформації і утворюються клітини з абсолютно новим набором генів (різноманітність організмів).
12. Які найважливіші події у розвитку живої матерії відбулися на клітинному рівні у процесі еволюції?
Найбільші ароморфози (мітоз, мейоз, гамети, статевий процес, зигота, вегетативне та статеве розмноження).
Виникнення ядер у клітинах (еукаріоти).
Симбіотичні процеси у одноклітинних – виникнення органел.
Автотрофність та гетеротрофність.
Рухливість та нерухомість.
Виникнення багатоклітинних організмів.
Диференціація функцій клітин у багатоклітинних.
13. Охарактеризуйте загальне значення клітинного рівня живої матерії у природі й у людини.
Клітина, виникши одного разу як елементарної біосистеми, стала основою всього подальшого розвитку органічного світу. Еволюція бактерій, ціанобактерій, різних водоростей і найпростіших повністю відбувалася рахунок структурних, функціональних і біохімічних перетворень первинної живої клітини. У ході цієї еволюції було досягнуто разюче різноманітність клітинних форм, проте загальний план будови клітини не зазнав принципових змін. У процесі еволюції на основі одноклітинних форм життя зародилася багатоклітинність, виникла спеціалізація клітин та з'явилися клітинні тканини.
Висловіть свою точку зору
1. Чому саме на клітинному рівні організації життя виникли такі властивості живих істот, як автотрофність та гетеротрофність, рухливість та нерухомість, багатоклітинність та спеціалізація у будові та функціях? Що сприяло таким подіям у житті клітини?
Клітина – це основна структурно-функціональна одиниця живого. Це жива система, котрій властиві дихання, харчування, обмін речовин, дратівливість, дискретність, відкритість, спадковість. Саме на клітинному рівні з'явилися перші живі організми. У клітині кожен органоїд виконує певну функцію і має певну будову, об'єднавшись і функціонуючи разом, вони є єдиною біосистемою, для якої притаманні всі ознаки живого.
Клітина як багатоклітинний організм також еволюціонувала протягом багатьох століть. Різні умови середовища, природні катаклізми, біотичні чинники сприяли ускладнення організації клітин.
Саме тому автотрофність і гетеротрофність, рухливість і нерухомість, багатоклітинність і спеціалізація у будові та функціях виникли саме на рівні клітини, де всі органели та клітини загалом існують гармонійно та доцільно.
2. На якій підставі ціанобактерії всі вчені дуже довго відносили до рослин, зокрема водоростей, і лише наприкінці XX ст. їх помістили у царство бактерій?
Порівняно великі розміри клітин (носток, наприклад, утворює досить великі колонії, які можна навіть взяти в руки), здійснюють фотосинтез з виділенням кисню подібним до вищих рослин чином, також зовнішня подібність з водоростями була причиною їх розгляду раніше у складі рослин («синьозелені водорості» »).
А наприкінці ХХ століття було доведено, що клітини синьо-зелених ядер не мають, та й хлорофіл у їхніх клітинах не такий, як у рослин, а характерний для бактерій. Зараз ціанобактерії належать до найбільш складно організованих і морфологічно диференційованих прокаріотних мікроорганізмів.
3. З яких рослинних та тварин клітинних тканин зроблено одяг та взуття, в яких ви прийшли сьогодні до школи?
Виберіть відповідні. Можна навести безліч прикладів. Наприклад, з льону (луб'яні волокна - провідна тканина) роблять тканину міцної структури (сорочка муж., жіночі костюми, білизна, шкарпетки, штани, сарафани). З бавовни роблять спідню білизну, футболки, сорочки, штани, сарафани). Зі шкіри тварин (епітеліальна тканина) роблять взуття (туфлі, босоніжки, чоботи), ремені. З шерсті хутрових звірів виготовляють теплий одяг. З вовни роблять светри, шкарпетки, шапки, рукавиці. З шовку (секрет залоз тутового шовкопряда – сполучна тканина) – сорочки, шарфи, білизна.
Проблема для обговорення
Дід Чарлза Дарвіна Еразм Дарвін - лікар, учений-натураліст та поет - написав наприкінці XVIII ст. поему "Храм природи", опубліковану в 1803 р., вже після його смерті. Прочитайте невеликий уривок із цієї поеми та подумайте, які ідеї про роль клітинного рівня життя можна виявити в даному творі (уривок наведений у книзі).
Виникнення земного життя походило з найменших клітинних форм. Саме на клітинному рівні з'явилися перші живі організми. Клітина, як організм, також росла, еволюціонувала, цим дала поштовх до утворення безлічі клітинних форм. Вони змогли заселити і «мул» та «водяну масу». Швидше за все, різні умови середовища, природні катаклізми, біотичні чинники призвели до ускладнення організації клітин, що спричинило «набуття членів» (що передбачає багатоклітинність).
Основні поняття
Прокаріоти, або доядерні, – організми, клітини яких не мають оформленого ядра, обмеженого мембраною.
Еукаріоти, або ядерні, – організми, клітини яких мають добре оформлене ядро, відокремлене ядерною оболонкою від цитоплазми.
Органоїд – клітинна структура, що забезпечує виконання специфічних функцій.
Ядро - найважливіша частина еукаріотичної клітини, яка регулює її активність; несе у собі спадкову інформацію у макромолекулах ДНК.
Хромосома – це ДНК ниткоподібна структура в клітинному ядрі, яка несе в собі гени, одиниці спадковості, розташовані в лінійному порядку.
Біологічна мембрана - еластична молекулярна структура, що складається з білків та ліпідів. Відокремлює вміст будь-якої клітини від довкілля, забезпечуючи її цілісність.
Мітоз (непрямий поділ клітини) - універсальний спосіб поділу еукаріотів, при якому дочірні клітини отримують генетичний матеріал, ідентичний вихідній клітині.
Мейоз - спосіб поділу еукаріотних клітин, що супроводжується зменшенням удвічі (редукцією) числа хромосом; одна диплоїдна клітина дає початок чотирьом гаплоїдним.
Клітинний цикл - репродуктивний цикл клітини, що складається з кількох послідовних подій (наприклад, інтерфазу та мітоз у еукаріотів), під час яких вміст клітини подвоюється і вона поділяється на дві дочірні.
Клітинний структурний рівень організації живої матерії – одне із структурних рівнів життя, структурно-функциональной одиницею якого є організм, а одиницею - клітина. На организменном рівні відбуваються такі явища: розмноження, функціонування організму як єдиного цілого, онтогенез та інших.
З кліток складаються всі живі організми, крім вірусів. Вони забезпечують всі необхідні для життя рослини чи тварини процеси. Клітина сама може бути окремим організмом. І чи може така складна структура жити без енергії? Звичайно, ні. То як відбувається забезпечення клітин енергією? Воно базується на процесах, які ми розглянемо нижче.
Забезпечення клітин енергією: як це відбувається?
Деякі клітини одержують енергію ззовні, вони виробляють її самі. мають своєрідні "станції". І джерелом енергії в клітині є мітохондрія - органоїд, який її виробляє. У ньому відбувається процес клітинного дихання. За рахунок нього відбувається забезпечення клітин енергією. Однак присутні вони тільки у рослин, тварин та грибів. У клітинах бактерій мітохондрії відсутні. Тому забезпечення клітин енергією відбувається переважно з допомогою процесів бродіння, а чи не дихання.
Будова мітохондрії
Це двомембранний органоїд, який з'явився в еукаріотичній клітині в процесі еволюції в результаті поглинання нею дрібнішою.
Внутрішня мембрана має вирости, які називаються кристи, або гребені. На кристах відбувається процес клітинного дихання.
Те, що знаходиться всередині двох мембран, називається матриксом. У ньому розташовані білки, ферменти, необхідні прискорення хімічних реакцій, і навіть молекули РНК, ДНК і рибосоми.
Клітинне дихання - основа життя
Воно проходить у три етапи. Давайте розглянемо кожен із них докладніше.
Перший етап - підготовчий
Під час цієї стадії складні органічні сполуки розщеплюються більш прості. Так, білки розпадаються до амінокислот, жири – до карбонових кислот та гліцерину, нуклеїнові кислоти – до нуклеотидів, а вуглеводи – до глюкози.
Гліколіз
Це безкисневий етап. Він у тому, що речовини, отримані під час першого етапу, розщеплюються далі. Головні джерела енергії, які використовує клітина на цьому етапі, — молекули глюкози. Кожна з них у процесі гліколізу розпадається до двох молекул пірувату. Це відбувається протягом десяти послідовних хімічних реакцій. Внаслідок перших п'яти глюкоза фосфорилюється, а потім розщеплюється на дві фосфотріози. При наступних п'яти реакціях утворюється дві молекули та дві молекули ПВК (піровиноградної кислоти). Енергія клітини і запасається у вигляді АТФ.
Весь процес гліколізу можна спрощено зобразити таким чином:
2НАД+ 2АДФ + 2Н 3 РО 4 + З 6 Н 12 Про 6 → 2Н 2 Про + 2НАД. Н 2 +2С 3 Н 4 Про 3 + 2АТФ
Таким чином, використовуючи одну молекулу глюкози, дві молекули АДФ та дві фосфорної кислоти, клітина отримує дві молекули АТФ (енергія) та дві молекули піровіноградної кислоти, яку вона використовуватиме на наступному етапі.
Третій етап – окислення
Ця стадія відбувається лише за наявності кисню. Хімічні реакції цього етапу відбуваються у мітохондріях. Саме це і є основна частина, під час якої вивільняється найбільше енергії. На цьому етапі вступаючи в реакцію з киснем, розщеплюється до води та вуглекислого газу. Крім того, утворюється 36 молекул АТФ. Отже, можна дійти невтішного висновку, що основні джерела енергії у клітині — глюкоза і піровиноградна кислота.
Підсумовуючи всі хімічні реакції та опускаючи подробиці, можна виразити весь процес клітинного дихання одним спрощеним рівнянням:
6О 2 + С 6 Н 12 О 6 + 38АДФ + 38Н 3 РО 4 → 6СО 2 + 6Н2О + 38АТФ.
Таким чином, в ході дихання з однієї молекули глюкози, шести молекул кисню, тридцяти восьми молекул АДФ і такої ж кількості фосфорної кислоти клітина отримує 38 молекул АТФ, як і запасається енергія.
Різноманітність ферментів мітохондрій
Енергію для життєдіяльності клітина отримує за рахунок дихання - окиснення глюкози, а потім піровиноградної кислоти. Усі ці хімічні реакції не могли б проходити без ферментів – біологічних каталізаторів. Давайте розглянемо ті з них, які знаходяться в мітохондріях - органоїдах, які відповідають за дихання клітин. Всі вони називаються оксидоредуктазами, тому що потрібні для забезпечення перебігу окисно-відновних реакцій.
Усі оксидоредуктази можна розділити на дві групи:
- оксидази;
- дегідрогенази;
Дегідрогенази, у свою чергу, діляться на аеробні та анаеробні. Аеробні містять у своєму складі кофермент рибофлавіну, який організм отримує з вітаміну В2. Аеробні дегідрогенази містять як коферменти молекули НАД і НАДФ.
Оксидази різноманітніші. Насамперед вони поділяються на дві групи:
- ті, що містять мідь;
- ті, у складі яких є залізо.
До перших відносяться поліфенолоксидази, аскорбатоксидаза, до других - каталаза, пероксидаза, цитохроми. Останні, у свою чергу, поділяються на чотири групи:
- цитохроми a;
- цитохроми b;
- цитохроми c;
- цитохроми d.
Цитохроми містять у своєму складі залізоформілпорфірин, цитохроми b - залізопротопорфірин, c - заміщений залізомезопорфірин, d - залізодигідропорфірин.
Чи можливі інші шляхи отримання енергії?
Незважаючи на те, що більшість клітин отримують її в результаті клітинного дихання, існують також анаеробні бактерії, для існування яких не потрібен кисень. Вони виробляють необхідну енергію шляхом бродіння. Це процес, в ході якого за допомогою ферментів вуглеводи розщеплюються без участі кисню, внаслідок чого клітина отримує енергію. Розрізняють кілька видів бродіння залежно від кінцевого продукту хімічних реакцій. Воно буває молочнокисле, спиртове, маслянокисле, ацетон-бутанове, лимоннокисле.
Наприклад розглянемо Його можна виразити ось таким рівнянням:
З 6 Н 12 Про 6 → З 2 Н 5 ВІН + 2СО 2
Тобто одну молекулу глюкози бактерія розщеплює до однієї молекули етилового спирту та двох молекул оксиду (IV) карбону.