Текст книги "Биология с основами экологии"

3 Клеточный уровень организации живого

3.1 Сравнение структуры растительной и животной клеток

Основные вопросы темы :

1 Современное определение клетки.

2 Сущность клеточной теории и ее авторы.

3 Особенности строения растительной клетки.

4 Особенности строения животной клетки.

5 Органеллы клетки и их функции.

6 Транспорт веществ через мембрану.

7 Особенности строения клеточной мембраны растительной и животной, их физико-химические свойства.

8 Отличие растительной клетки от животной.

Термин «клетка» ввел в 1665 г. английский натуралист Р. Гук. Рассматривая в микроскоп собственной конструкции тонкий срез пробкового дерева, Гук увидел, что вещество состоит из ячеек, названных им клетками. В 1838 г. немецкий биолог М. Шлейден первым пришел к замечательному выводу: ядро является обязательным элементом строения всех клеток. Это открытие положило основу для изучения структуры всех клеток.

Практически одновременно с исследованиями М. Шлейдена его соотечественник физиолог Т. Шванн обнаружил похожие на ядра образования и в клетках животных. Данные открытия легли в основу клеточной теории.

По характеру организации ядерного аппарата все клетки делятся на прокариоты и эукариоты. К прокариотам относятся бактерии и сине – зеленые водоросли, к эукариотам – растения, грибы и животные.

Прокариотические клетки устроены сравнительно просто. Они не имеют ядра, область расположения ДНК в цитоплазме называется нуклеоид, единственная молекула ДНК кольцевая и не связана с белками, клетки меньше эукариотических, в состав клеточной стенки входит гликопептид – муреин, мембранные органеллы отсутствуют, их функции выполняют впячивания плазматической мембраны, рибосомы мелкие, микротрубочки отсутствуют, поэтому цитоплазма неподвижна, а реснички и жгутики имеют особую структуру.

Эукариотические клетки имеют ядро, в котором находятся хромосомы – линейные молекулы ДНК, связанные с белками, в цитоплазме расположены различные мембранные органеллы.

Все эукариотические клетки состоят из трех основных частей:

1) клеточная оболочка ограничивает клетку от окружающей среды;

2) цитоплазма составляет внутреннее содержимое клетки;

3) ядро cодержит генетический материал клетки.

Клеточная оболочка. Основу клеточной оболочки составляет плазматическая мембрана (плазмалемма) – биологическая мембрана, ограничивающая внутреннее содержимое клетки от внешней среды (рисунок 9).

Все биологические мембраны представляют собой двойной слой фосфолипидов, гидрофобные концы которых обращены внутрь, а гидрофильные головки – наружу. В него на различную глубину погружены белки, некоторые из которых пронизывают мембрану насквозь. Белки способны перемещаться в плоскости мембраны. Мембранные белки выполняют различные функции: транспорт различных молекул; получение и преобразование сигналов из окружающей среды; поддержание структуры мембран. Наиболее важное свойство мембран – избирательная проницаемость [5, 6].

Плазматические мембраны животных клеток имеют снаружи слой гликокаликса, состоящий из гликопротеинов и гликолипидов, и выполняющий сигнальную и рецепторную функции. Он играет важную роль в объединении клеток в ткани. Плазматические мембраны растительных клеток покрыты клеточной стенкой из целлюлозы. Поры в стенке позволяют пропускать воду и небольшие молекулы, а жесткость обеспечивает клетке механическую опору и защиту.

Плазмалемма не только отделяет содержимое клетки от внешней среды, но и осуществляет транспорт веществ. Через нее в межклеточное пространство выводятся синтезированные для других клеток соединения: белки, углеводы, гормоны, а внутрь поступает вода, ионы солей, органические молекулы. Проникновение молекул в сторону их меньшей концентрации называют пассивным транспортом. Он происходит без затрат энергии и бывает двух видов: простая диффузия (для малых гидрофобных молекул мембрана проницаема) и облегченная диффузия, осуществляемая белками – переносчиками (гидрофильные молекулы, ряд ионов не способны проходить через мембрану). Для проникновения молекул в сторону их большей концентрации требуются затраты энергии АТФ, такой перенос называют активным транспортом, его также осуществляют специфические белки – переносчики. Примером активного транспорта является натрий – калиевый насос.

Захват макромолекул и микрочастиц с изменением конфигурации мембраны называется эндоцитоз. Он может быть двух модификаций: фагоцитоз и пиноцитоз. Фагоцитоз – процесс поглощения твердых частиц (чаще одноклеточными организмами и специализированными клетками многоклеточных организмов). Пиноцитоз – процесс поглощения клеткой жидкости и высокомолекулярных веществ за счет втягивания плазматической мембраны.

Цитоплазма эукариотических клеток состоит из полужидкого содержимого и органелл. Основное полужидкое вещество цитоплазмы называют гиалоплазмой (от греч. hyalos – стекло) или матриксом. Гиалоплазма является важной частью клетки, ее внутренней средой.

Цитоплазматические структуры клетки представлены включениями и органоидами. Включения – непостоянные структуры цитоплазмы в виде гранул (крахмал, гликоген, белки) и капель (жиры). Органоиды – постоянные и обязательные компоненты большинства клеток, имеющие специфическую структуру и выполняющие жизненно важные функции (рисунок 5).

Рисунок 5 – Особенности строения эукариотической клетки

Ядро. Имеется в клетках всех эукариот за исключением эритроцитов млекопитающих. У некоторых простейших имеются два ядра, но как правило, клетка содержит только одно ядро. Ядро обычно принимает форму шара или яйца; по размерам (от 10 до 20 мкм) оно является самой крупной из органелл.

Ядро отграничено от цитоплазмы ядерной оболочкой, которая состоит из двух мембран: наружной и внутренней, имеющих такое же строение, как и плазматическая мембрана. Между ними находится узкое пространство, заполненное полужидким веществом. Через множество пор в ядерной оболочке осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой (в частности, выход и-РНК в цитоплазму). Внешняя мембрана часто бывает усеяна рибосомами, синтезирующими белок.

Под ядерной оболочкой находится кариоплазма (ядерный сок), в которую поступают вещества из цитоплазмы. Кариоплазма содержит хроматин – вещество, несущее ДНК, и ядрышки. Ядрышко – это округлая структура внутри ядра, в которой происходит формирование рибосом (рисунок 10).

Совокупность хромосом, содержащихся в хроматине, называют хромосомным набором. Число хромосом в соматических клетках диплоидное (2n), в отличие от половых клеток, имеющих гаплоидный набор хромосом (n).

Практическая часть

Лабораторное занятие

Работа 1 Строение растительной клетки

Разрежьте вдоль луковицу репчатого лука, возьмите сочную чешую и скальпелем или пинцетом снимите небольшой кусочек эпидермы. На середину предметного стекла нанесите каплю воды, в нее положите эпидерму и накройте объект покровным стеклом. Рассмотрите клетки эпидермы сначала при малом, а затем при большом увеличении микроскопа. Клетки имеют вытянутую форму и плотно примыкают друг к другу, в их стенках видны поры.

1 – оболочка; 2 – цитоплазма; 3 – вакуоль; 4 – ядро с ядрышком; 5 – поры в оболочке (при большом увеличении).

Рисунок 6 – Клетки эпидермы сочной чешуи лука

Зернистая цитоплазма располагается вдоль стенок и тяжами пересекает полость клетки. Ядро обязательно окружено цитоплазмой. В нем хорошо заметны ядрышки. В клетке одна или несколько вакуолей с прозрачным клеточным соком (рисунок 6). Провести окрашивающую реакцию клеток эпидермы раствором йода. Каплю раствора йода на стеклянной палочке поднести к краю покровного стекла, а с противоположной стороны стекла воду вытянуть фильтровальной бумагой. Проникший под покровное стекло раствор окрасит цитоплазму в желтый цвет, а ядро – в светло-коричневый [7, 12]. Зарисуйте рисунок 6.

Работа 2 Строение животной клетки

Отделите тонкое волокно с кусочка сырого мяса. Накройте покровным стеклом. Рассмотрите при большом увеличении микроскопа. Зарисуйте несколько клеток, обратив внимание на вытянутую форму клеток, многоядерность, поперечную исчерченность, характерную для поперечно – полосатой мышечной ткани. Зарисуйте рисунок и обозначьте все компоненты которые вы увидели в микроскоп.

Самостоятельная работа

Задание 1

Рассмотрите и зарисуйте рисунок 7 и сделайте соответствующие обозначения.

1 – бактерии; 2 – амеба; 3 – инфузория-туфелька; 4 – эвглена зеленая; 5 – икринка (яйцеклетка); 6 – эпителий кишечника; 7 – нервная клетка; 8 – лейкоциты; 9 – эритроциты; 10 – мышечная клетка.

Рисунок 7 – Различные формы клеток

Задание 2

Используя рисунок 8, рассмотрите и зарисуйте строение прокариотических клеток.

Рисунок 8 – Схема строения бактерии (слева) и сине-зеленой водоросли (справа)

Задание 3

Используя рисунок 9, рассмотрите и зарисуйте строение цитоплазматической мембраны клетки.

Рисунок 9 – Строение цитоплазматической мембраны клетки

Задание 4

Рассмотрите и зарисуйте строение ядра эукариотической клетки (рисунок 10).

Рисунок 10 – Строение ядра эукариотической клетки

Задание 5

Зарисуйте строение растительной клетки (рисунок 11) и сделайте обозначения [4, 6, 8].

Рисунок 11 – Схема строения растительной клетки

Задание 6

Заполните таблицу 1.

Таблица 1 – Строение растительной клетки

Задание 7

Зарисуйте строение животной клетки (рисунок 12) и сделайте обозначения [4, 6, 8].

Рисунок 12 – Строение животной клетки

Задание 8

Заполните таблицу 2.

Таблица 2 – Строение животной клетки

Задание 9

Используя рисунки 11, 12, собственные рисунки и лекционный материал, сравните между собой клетки растительного и животного организмов. Письменно ответьте на следующие вопросы:

1 Кем, когда и на каком объекте была открыта клетка?

2 Назовите основные положения современной клеточной теории.

3 Каковы основные функции гликокаликса, клеточной стенки и плазматической мембраны?

4 Какие формы жизни первыми появились на Земле?

5 Какие типы пластид находятся в растительной клетке и какова их роль?

6 Каковы строение и функции эндоплазматической сети, рибосом, митохондрий, хлоропластов?

7 Перечислите главные отличия клеток прокариот от эукариот.

8 В чем заключается сходство растительной и животной клеток?

9 В чем заключается различие растительной и животной клеток?

3.2 Неклеточные формы жизни – вирусы

Основные вопросы темы :

1 Определение и строение вирусов.

2 Размножение вирусов.

3 Бактериофаги.

4 Почему вирусы считают неклеточной формой жизни?

Вирусы – доклеточные формы жизни, которые являются облигатными внутриклеточными паразитами, т. е. могут существовать и размножаться только внутри организма хозяина. Вирусы были открыты Д. И. Ивановским в 1892 г. (он изучал вирус табачной мозаики)(рисунок 13), но доказать их существование удалось намного позднее.

Рисунок 13 – Вирус табачной мозаики и схема его строения

Многие вирусы являются возбудителями заболеваний, таких как СПИД, коревая краснуха, эпидемический паротит (свинка), ветряная и натуральная оспа.

Вирусы имеют микроскопические размеры, многие из них способны проходить через любые фильтры. И отличие от бактерий, вирусы нельзя выращивать на питательных средах, так как вне организма они не проявляют свойств живого. Вне живого организма (хозяина) вирусы представляют собой кристаллы веществ, не имеющих никаких свойств живых систем.

Строение вирусов. Зрелые вирусные частицы называются вирионами. Фактически они представляют собой геном, покрытый сверху белковой оболочкой. Эта оболочка – капсид. Она построена из белковых молекул, защищающих генетический материал вируса от воздействия нуклеаз – ферментов, разрушающих нуклеиновые кислоты (рисунок 14) [5,6].

У некоторых вирусов поверх капсида располагается суперкапсидная оболочка, также построенная из белка. Генетический материал представлен нуклеиновой кислотой. У одних вирусов это ДНК (так называемые ДНКовые вирусы), у других – РНК (РНК-овые вирусы).

РНК-овые вирусы также называют ретровирусами, так как для синтеза вирусных белков в этом случае необходима обратная транскрипция, которая осуществляется ферментом – обратной транскриптазой (ревертазой) и представляет собой синтез ДНК на базе РНК.

Размножение вирусов. При внедрении вируса внутрь клетки-хозяина происходит освобождение молекулы нуклеиновой кислоты от белка, поэтому в клетку попадает только чистый и незащищенный генетический материал. Если вирус ДНК, то молекула ДНК встраивается в молекулу ДНК хозяина и воспроизводится вместе с ней. Так появляются новые вирусные ДНК, неотличимые от исходных. Все процессы, протекающие в клетке, замедляются, клетка начинает работать на воспроизводство вируса. Так как вирус является облигатным паразитом, то для его жизни необходима клетка-хозяин, поэтому она не погибает в процессе размножения вируса. Гибель клетки происходит только после выхода из нее вирусных частиц.

Если это ретровирус, внутрь клетки-хозяина попадает его РНK. Она содержит гены, обеспечивающие обратную транскрипцию: на матрице РНК строится одноцепочечная молекула ДНК. Из свободных нуклеотидов достраивается комплементарная цепь, которая и встраивается в геном клетки-хозяина. С полученной ДНК информация переписывается на молекулу и-РНК, на матрице которой затем синтезируются белки ретровируса.

Бактериофаги – это вирусы, паразитирующие на бактериях. Они играют большую роль в медицине и широко применяются при лечении гнойных заболеваний, вызванных стафилококками и др. Бактериофаги имеют сложное строение. Генетический материал находится в головке бактериофага, которая сверху покрыта белковой оболочкой (капсидом). В центре головки находится атом магния. Далее идет полый стержень, который переходит в хвостовые нити. Их функция – узнавать свой вид бактерий, осуществлять прикрепление фага к клетке. После прикрепления ДНК выдавливается в бактериальную клетку, а оболочки остаются снаружи (рисунок 15).

Практическая часть

Самостоятельная работа

Задание 1

Рассмотрите и зарисуйте схему строения вируса герпеса, используя рисунок 14.

Рисунок 14 – Строение вируса герпеса

Задание 2

Рассмотрите и зарисуйте схему строения бактериофага, используя рисунок 15.

Рисунок 15 – Схема строения бактериофага

Задание 3

Рассмотрите и зарисуйте виды вирусов, используя рисунок 16.

Рисунок 16 – Виды вирусов

Задание 4

Запишите основные группы вирусов и болезни, вызываемые этими вирусами используя таблицу 3.

Таблица 3 – Основные группы вирусов, вызывающих заболевания у человека

Тесты для самоконтроля

3.1. Ученые в 1953 году предложившие модель строения молекулы ДНК:

а) Ф. Крик и Д. Уотсон;

б) Роберт Гук и Роберт Броун;

в) Г.Мендель и Т Морган;

г) М. Шлейден и Т. Шванн.

3.2 Основные положения клеточной теории сформулировали:

а) Ф. Крик и Д. Уотсон;

б) Роберт Гук и Роберт Броун;

в) Г.Мендель и Т Морган;

г) М. Шлейден и Т. Шванн.

3.3 К одномембранным органоидам клетки относятся:

а) рибосомы;

б) комплекс Гольджи;

в) митохондрии;

г) цитоскелет.

3.4 К немембранным органоидам клетки относятся:

а) рибосомы;

б) комплекс Гольджи;

в) митохондрии;

г) лизосомы.

3.5 За образование цитоскелета отвечают:

а) рибосомы;

б) клеточный центр;

в) хлоропласты;

г) комплекс Гольджи.

3.6 У прокариот есть:

а) ЭПС;

б) митохондрии;

в) рибосомы;

г) лизосомы.

3.7 Ядрышко участвует в:

а) энергетическом обмене;

б) синтезе рибосом;

в) организации деления клетки;

г) пластическом обмене.

3.8 Основное запасное вещество у грибов:

а) крахмал;

б) гликоген;

в) клетчатка;

г) жир.

3.9 Молекула ДНК у прокариот:

а) линейная;

б) кольцевая;

в) линейная, связанная с белками;

г) кольцевая, связанная с белками.

3.10 В митохондриях происходит:

а) формирование первичной структуры белка;

б) формирование третичной структуры белка;

в) клеточное дыхание с запасанием энергии;

г) накопление синтезированных клеткой веществ.

3.11 Отсутствует ядро в клетках:

а) простейших;

б) мышц;

в) соединительной ткани;

г) эритроцитов крови.

3.12 В отличие от растительной клетки, клетки животных имеют:

а) клеточную стенку;

б) гликокаликс;

в) хлоропласты;

г) митохондрии.

3.13 Клетки грибов:

а) не имеют клеточной стенки;

б) имеют оболочку из клетчатки;

в) имеют оболочку из белка;

г) имеют оболочку из хитина.

3.14 Общим признаком животной и растительной клетки является:

а) запасание гликогена;

б) наличие жесткой клеточной стенки;

в) гетеротрофность;

г) наличие ядра.

3.15 На мембране гранулярной эндоплазматической сети происходит синтез:

а) АТФ;

б) углеводов;

в) липидов;

г) белков.

3.16 Комплементарные пары нуклеотидов удерживаются:

а) водородными связями;

б) ковалентными связями;

в) гидрофобными связями;

г) дисульфидными мостиками.

3.17 Молекулы ДНК не находятся в:

а) митохондриях;

б) комплексе Гольджи;

в) хлоропластах;

г) ядре.

3.18 Основными химическими соединениями, определяющими индивидуальность организма, являютcя:

а) вода и минеральные соли;

б) жиры и углеводы;

в) соединения серы, фосфора;

г) нуклеиновые кислоты и белки.

3.19 Мембрана клетки состоит из:

а) двух слоев молекул белков;

б) одного слоя молекул липидов с включениями молекул белков;

в) двух слоев молекул липидов с включениями молекул белков;

г) одного слоя молекул белков с включениями молекул липидов.

3.20 Неклеточное строение имеют:

а) дрожжи;

б) пеницилл;

в) вирус оспы;

г) холерный вибрион.

3.21 Вирусы могут размножаться:

а) делением;

б) только внутри клеток;

в) в воде загрязненных водоемов;

г) с помощью митоза.

3.22 Вирусы в отличие от бактерий не:

а) содержат белков;

б) имеют ДНК;

в) могут сохраняться во внешней среде в покоящемся состоянии;

г) содержат рибосом и не могут самостоятельно синтезировать белки.

3.23 Вирусы – это:

а) мелкие бактерии;

б) кольцевые молекулы ДНК;

в) паразитические прокариоты;

г) неклеточные формы жизни.

3.24 Вирусы вызывают у человека:

а) холеру и чуму;

б) дизентерию и скарлатину;

в) СПИД и клещевой энцефалит;

г) малярию и сонную болезнь.

3.25 Кем были открыты вирусы?

а) В.И. Вернадским;

б) Р. Гуком;

в) Д.И. Ивановским;

г) Г. Менделем.

3.26 Зрелые вирусные частицы называются:

а) вирионы;

б) прокариоты;

в) бактериофаги;

г) капсид.

3.27 Вирусы могут паразитировать:

а) в клетках человека, но не животных;

б) в клетках человека и животных, но не растений;

в) в клетках человека, животных и растений, но не бактерий;

г) в клетках человека, животных, растений и бактерий.

3.28 К вирусным болезням человека не относится:

а) СПИД;

б) грипп;

в) туберкулез;

г) бешенство.

3.29 Инфекционным началом вируса является:

а) белок его капсида;

б) ферменты;

в) нуклеиновая кислота;

г) липидная мембрана.

4 Метаболизм – основа жизнедеятельности клетки

Основные вопросы темы :

1 Дать определение метаболизма клетки.

2 Что включают в себя процессы ассимиляции и диссимиляции?

3 Понятие амфиболизма.

4 Основные этапы энергетического обмена.

5 Почему ассимиляцию называют пластическим обменом, а диссимиляцию – энергетическим?

6 До каких конечных продуктов расщепляются белки, жиры и углеводы?

7 Фотосинтез как основа автотрофного питания.

8 Световая фаза фотосинтеза.

9 Темновая фаза фотосинтеза (цикл Кальвина).

10 Синтез белка как важнейший процесс метаболизма клетки.

Метаболизм – это обмен веществ и энергии, обеспечивающийся совокупностью химических реакций, упорядоченных во времени и пространстве (последовательных, протекающих в определенных участках клетки, обеспечивается принципом компартментации), и регулирующийся генетически.

Основные процессы метаболизма – анаболизм и катаболизм.

Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен) – синтез сложных веществ, необходимых клетке (организму), из простых, идет с затратой энергии. Примеры: синтез глюкозы из СО₂ и Н₂О при фотосинтезе, синтез белка из аминокислот, репликация – синтез ДНК из нуклеотидов, полисахаридов из моносахаров и т.д.

Катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен) – распад сложных веществ с высвобождением энергии и образованием простых веществ (мономеров) – строительных элементов для анаболизма. Пример: гликолиз.

Промежуточные реакции перестройки одних веществ в другие называют амфиболизмом.

По типу питания, т. е. по способу извлечения энергии и по источникам энергии, живые организмы делятся на две группы – гетеротрофные и автотрофные.

Гетеротрофными (от греч. «гетерос» – другой, «трофе» – пища) называются организмы, не способные синтезировать органические соединения из неорганических, использующие в виде пищи (источника энергии) готовые органические соединения из окружающей среды. В настоящее время к гетеротрофам относят большинство бактерий, грибы и животных (одно– и многоклеточные).

Автотрофными (от греч. «аутос» – сам, «трофе» – пища) называются организмы, питающиеся (извлекающие энергию) неорганическими веществами почвы, воды, воздуха и создающие из них органические вещества, используемые для построения их тела. К автотрофам относятся некоторые бактерии и все зеленые растения.

Автотрофные организмы используют разные источники энергии. Для некоторых из них источником энергии служит свет, такие организмы называются фототрофами. Другие используют энергию, освобождающуюся при окислительно-восстановительных реакциях, и называются хемотрофами.

Зеленые растения – автотрофы – основа жизни на планете. С растений начинаются практически все пищевые цепи. Они превращают энергию, падающую на них в форме солнечного света, в энергию, запасенную в углеводах, из которых важнее всего шестиуглеродный сахар глюкоза. Этот процесс преобразования энергии называется фотосинтезом (рисунок 18). Общее уравнение фотосинтеза (1):

6 СО₂ + 6Н₂О → 6О₂↑ +С₆Н₁₂О₆ (1)

Фотосинтез включает 2 фазы: световую и темновую.

В световую фазу (в гранах хлоропласта) идут реакции фосфорилирования и фотолиза.

Сущность фосфорилирования заключается в том, что энергия светового кванта передается электрону хлорофилла, при этом он переходит на более высокий энергетический уровень, после чего проскакивает цепь переносчиков электронов (цитохромов), отдавая энергию на образование АТФ (из АДФ и фосфата) и НАДФ·Н₂ (из НАДФ⁺ и водорода), образующегося при фотолизе.

Параллельно идет фотолиз – расщепление молекул Н₂О под действием энергии света. На первой стадии фотосинтеза – световой, за счет процессов движения электронов идет постепенный и плавный процесс формирования энергетически емких молекул АТФ и НАДФ·Н и образования газообразного кислорода.

На второй стадии фотосинтеза – темновой, происходит синтез сложных органических веществ (углеводов, белков и др.) из фосфоглицериновой кислоты, минеральных веществ, поступающих из почвы, и С0₂ атмосферы – так называемый карбоновый цикл Калвина (рисунок 18). Энергия для этого синтеза – это энергия, запасенная в молекулах АТФ и НАДФ·Н, образовавшихся на световой стадии, которые способствуют восстановлению СО₂ до углевода.

Практическая часть

Самостоятельная работа

Задание 1

Зарисуйте и проанализируйте рисунок 17 и пояснения к нему [4].

Рисунок 17 – Синтез АТФ в митохондриях клетки

Пояснения к рисунку 17

Превращение веществ и энергии в процессе диссимиляции проходит в три этапа (энергетический обмен).

1 Подготовительный: сложные органические вещества под действием пищеварительных ферментов распадаются на простые, при этом выделяется только тепловая энергия. Белки расщепляются до аминокислот, жиры до глицерина и жирных кислот, крахмал до глюкозы.

2 Гликолиз (бескислородный): происходит в цитоплазме, ферменты в нем не участвуют. Глюкоза расщепляется до молочной кислоты, при этом 40 % выделившейся энергии идет на синтез АТФ.

3 Гидролиз (кислородный): осуществляется в митохондриях, называется дыханием. Процесс происходит в матриксе и на внутренних мембранах. Процесс ферментативный. Расщеплению подвергается молочная кислота. Диоксид углерода выделяется из митохондрии в окружающую среду. Атом водорода (Н) включается в цепь ферментативных реакций в результате которых синтезируется АТФ.

Реакции протекают в следующей последовательности:

1 Атом водорода с помощью ферментов переносчиков поступает во внутреннюю мембрану митохондрий, образующую кристы, где и окисляется.

2 Протон водорода выносится переносчиками на наружную поверхность мембраны крист. Для протонов эта мембрана непроницаема, поэтому она накапливаются в межмембранном пространстве, образуя протонный резервуар.

3 Электроны водорода переносятся на внутреннюю поверхность мембраны крист и тут же присоединяются к кислороду с помощью фермента оксидазы, образуя отрицательно заряженный активный кислород.

4 Разноименно заряженные ионы по обе стороны мембраны создают электрическое поле, и когда разность потенциалов достигает 200 мВ, начинает действовать протонный канал. Он возникает в молекулах ферментов АТФ-синтетазы, которые встроены во внутреннюю мембрану, образующую кристы.

5 Через протонный канал протоны водорода устремляются внутрь митохондрии, воздавая высокий уровень энергии, большая часть которой идет на синтез АТФ, а протоны, взаимодействуя с активным кислородом, образуют воду и молекулярный кислород. Таким образом, кислород, поступающий в митохондрии в процессе дыхания, необходим для присоединения протонов водорода. При его отсутствии весь процесс в митохондриях прекращается, так как перестает функционировать электронно-транспортная цепь. Общая формула (2) реакций третьего этапа:

2 С₃Н₆О₃+ 6О₂ + 36 АДФ + 36Ф → 6СО₂ + 36 АТФ + 42 Н₂О (2)

Всего в процессе расщепления молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ: на II этапе – 2 АТФ и на III этапе – 36 АТФ. Образовавшиеся молекулы АТФ выходят за пределы митохондрий и участвуют во всех процессах клетки, где необходима энергия. Расщепляясь АТФ отдает энергию и в виде АДФ и Ф (фосфата) возвращается в митохондрии [4].

Задание 2

Рассмотрите и зарисуйте схему фотосинтеза (рисунок 18).

Рисунок 18 – Схема фотосинтеза

Задание 3

Внимательно рассмотрите схему биосинтеза белка (рисунок 19), зарисуйте ее и запишите пояснения к ней.

Рисунок 19 – Схема биосинтеза белка

Пояснения к схеме 19

Синтез белка состоит из двух этапов – транскрипции и трансляции.

I. Транскрипция (переписывание) – биосинтез молекул РНК, осуществляется в хромосомах на молекулах ДНК по принципу матричного синтеза. При помощи ферментов на соответствующих участках молекулы ДНК (генах) синтезируются все виды РНК (и-РНК, р-РНК, т-РНК). Синтезируется 20 разновидностей т-РНК, так как в биосинтезе белка принимают участие 20 аминокислот. Затем и-РНК и т-РНК выходят в цитоплазму, р-РНК встраивается в субъединицы рибосом, которые также выходят в цитоплазму.

II. Трансляция (передача) – синтез полипептидных цепей белков, осуществляется на рибосомах. Она сопровождается следующими событиями:

1 Образование функционального центра рибосомы – ФЦР, состоящего из и-РНК и двух субъединиц рибосом. В ФЦР всегда находятся два триплета (шесть нуклеотидов) и-РНК, образующих два активных центра: А (аминокислотный, или аминоацильный) – центр узнавания аминокислоты и П (пептидный, или пептидильный) – центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочке.

2 Транспортировка аминокислот, присоединение к т-РНК, из цитоплазмы в ФЦР. В активном центре А осуществляется считывание антикодона т-РНК с кодоном и-РНК, в случае комплементарности возникает связь, которая служит сигналом для продвижения (скачка) рибосомы вдоль и-РНК на один триплет. В результате этого комплекс «кодон и-РНК и т-РНК с аминокислотой» перемещается в активный центр П, где и происходит присоединение аминокислоты к пептидной цепочке (белковой молекуле). После чего т-РНК покидает рибосому.

3 Пептидная цепочка удлиняется до тех пор, пока не закончится трансляция и рибосома не соскочит с и-РНК. На одной и-РНК может умещаться одновременно несколько рибосом (образуется полисома).

Полипептидная цепочка погружается в канал эндоплазматической сети и там приобретает вторичную, третичную или четвертичную структуру. Скорость сборки одной молекулы белка, состоящего из 200-300 аминокислот, составляет 1-2 мин. Формула биосинтеза белка:

ДНК (транскрипция) → РНК (трансляция) → белок

Тесты для самоконтроля

4.1 Экзотермический процесс, при котором происходит распад веществ с высвобождением энергии:

а) анаболизм;

б) катаболизм;

в) метаболизм;

г) ассимиляция.

4.2 Эндотермический процесс уподобления поступающих в клетку соединений веществам самой клетки называется:

а) катаболизм;

б) диссимиляция;

в) метаболизм;

г) анаболизм.

4.3 Вся совокупность химических реакций в клетке называется:

а) энергетическим обменом;

б) фотосинтезом;

в) пластическим обменом;

г) метаболизмом.

4.4 Совокупность реакций синтеза органических веществ, идущих с затратами энергии, – это:

а) метаболизм;

б) пластический обмен;

в) энергетический обмен;

г) брожение.

4.5 Совокупность реакций окисления органических веществ, идущих с освобождением энергии, запасаемой в молекулах АТФ, – это:

а) энергетический обмен;

б) фотосинтез;

в) пластический обмен;

г) метаболизм.

4.6 Совокупность реакций синтеза органических веществ из углекислого газа и воды в клетках растений, идущих с использованием энергии солнечного света, – это:

а) энергетический обмен;

б) фотосинтез;

в) пластический обмен;

г) дыхание.

4.7 Обмен веществ и превращения энергии – это:

а) совокупность химических реакций, протекающих в клетке;

б) совокупность реакций окисления органических веществ;

в) совокупность реакций синтеза органических веществ;

г) синтез органических веществ из углекислого газа и воды в клетках растений.

4.8 В ходе пластического обмена клетка получает:

а) минеральные вещества;

б) строительный материал;

в) воду;

г) аминокислоты.

4.9 В ходе энергетического обмена клетка получает:

а) углеводы;

б) липиды;

в) белки;

г) энергию.

4.10 Организмы, получающие готовые органические вещества с пищей:

а) прокариоты;

б) эукариоты;

в) гетеротрофы;

г) автотрофы.

4.11 Организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических:

а) автотрофы;

б) гетеротрофы;

в) аэробы;

г) анаэробы.

4.12 К автотрофам относят:

а) животных;

б) растения;

в) грибы;

г) человека.

4.13 К гетеротрофам относят:

а) водоросли;

б) папоротники;

в) животных;

г) мхи.

4.14 В клетках автотрофов в отличие от гетеротрофов есть:

а) хромосомы;

б) цитоплазма;

в) ядро;

г) пластиды.

4.15 В клетках гетеротрофов в отличие от автотрофов нет:

а) плазматической мембраны;

б) ядра;

в) клеточной оболочки;

г) митохондрий.

4.16 Организмы, обитающие лишь при наличии в окружающей среде кислорода:

а) анаэробы;

б) аэробы;

в) автотрофы;

г) гетеротрофы.

4.17 Организмы, обитающие в бескислородной среде:

а) анаэробы;

б) аэробы;

в) автотрофы;

г) гетеротрофы.

4.18 На конечном этапе энергетического обмена образуются молекулы:

а) АДФ;