Клетка, её строение и функции

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Клетка, её строение и функции

2. Вода в жизнедеятельности клетки

3. Обмен веществ и энергии в клетке

4. Питание клетки. Фотосинтез и хемосинтез

5. Генетический код. Синтез белков в клетке

6. Регуляция транскрипции и трансляции в клетке и организме

Список используемой литературы

1. Клетка, её строение и функции

Клетки находятся в межклеточном веществе, обеспечивающем их механическую прочность, питание и дыхание. Основные части любой клетки - цитоплазма и ядро.

Клетка покрыта мембраной, состоящей из нескольких слоёв молекул, обеспечивающей избирательную проницаемость веществ. В цитоплазме расположены мельчайшие структуры - органоиды. К органоидам клетки относятся: эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, лизосомы, комплекс Гольджи, клеточный центр.

Клетка состоит из: поверхностного аппарата, цитоплазмы, ядра.

Строение животной клетки

Наружная, или плазматическая, мембрана - отграничивает содержимое клетки от окружающей среды (других клеток, межклеточного вещества), состоит из молекул липидов и белка, обеспечивает связь между клетками, транспорт веществ, в клетку (пиноцитоз, фагоцитоз) и из клетки.

Цитоплазма - внутренняя полужидкая среда клетки, которая обеспечивает связь между расположенными в ней ядром и органоидами. В цитоплазме протекают основные процессы жизнедеятельности.

Органоиды клетки:

1) эндоплазматическая сеть (ЭПС) - система ветвящихся канальцев, участвует в синтезе белков, липидов и углеводов, в транспорте веществ, в клетке;

2) рибосомы - тельца, содержащие рРНК, расположены на ЭПС и в цитоплазме, участвуют в синтезе белка. ЭПС и рибосомы - единый аппарат синтеза и транспорта белка;

3) митохондрии - "силовые станции" клетки, отграничены от цитоплазмы двумя мембранами. Внутренняя образует кристы (складки), увеличивающие ее поверхность. Ферменты на кристах ускоряют реакции окисления органических веществ и синтеза молекул АТФ, богатых энергией;

4) комплекс Гольджи - группа полостей, отграниченных мембраной от цитоплазмы, заполненных белками, жирами и углеводами, которые либо используются в процессах жизнедеятельности, либо удаляются из клетки. На мембранах комплекса осуществляется синтез жиров и углеводов;

5) лизосомы - тельца, заполненные ферментами, ускоряют реакции расщепления белков до аминокислот, липидов до глицерина и жирных - кислот, полисахаридов до моносахаридов. В лизосомах разрушаются отмершие части клетки, целые и клетки.

Клеточные включения - скопления запасных питательных веществ: белков, жиров и углеводов.

Ядро - наиболее важная часть клетки.

Оно покрыто двух мембранной оболочкой с порами, через которые одни вещества проникают в ядро, а другие поступают в цитоплазму.

Хромосомы - основные структуры ядра, носители наследственной информации о признаках организма. Она передается в процессе деления материнской клетки дочерним клеткам, а с половыми клетками - дочерним организмам.

Ядро - место синтеза ДНК, иРНК, рРНК.

Химический состав клетки

Клетка - элементарная единица жизни на Земле. Она обладает всеми признаками живого организма: растет, размножается, обменивается с окружающей средой веществами и энергией, реагирует на внешние раздражители. Начало биологической эволюции связано с появлением на Земле клеточных форм жизни. Одноклеточные организмы представляют собой существующие отдельно друг от друга клетки. Тело всех многоклеточных - животных и растений - построено из большего или меньшего числа клеток, которые являются своего рода блоками, составляющими сложный организм. Независимо от того, представляет ли собой клетка целостную живую систему - отдельный организм или составляет лишь его часть, она наделена набором признаков и свойств, общим для всех клеток.

В клетках обнаружено около 60 элементов периодической системы Менделеева, встречающихся и в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. В живых организмах наиболее распространены водород, кислород, углерод и азот, которые составляют около 98% массы клеток. Такое обусловлено особенностями химических свойств водорода, кислорода, углерода и азота, вследствие чего они оказались наиболее подходящими для образования молекул, выполняющих биологические функции. Эти четыре элемента способны образовывать очень прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, принадлежащих двум атомам. Ковалентно связанные атомы углерода могут формировать каркасы бесчисленного множества различных органических молекул. Поскольку атомы углерода легко образуют ковалентные связи с кислородом, водородом, азотом, а также с серой, органические молекулы достигают исключительной сложности и разнообразия строения.

Кроме четырех основных элементов в клетке в заметных количествах (10ые и 100ые доли процента) содержатся железо, калий, натрий, кальций, магний, хлор, фосфор и сера. Все остальные элементы (цинк, медь, йод, фтор, кобальт, марганец и др.) находятся в клетке в очень малых количествах и поэтому называются микроэлементами.

Химические элементы входят в состав неорганических и органических соединений. К неорганическим соединениям относятся вода, минеральные соли, диоксид углерода, кислоты и основания. Органические соединения - это белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры (липиды) и липоиды. Кроме кислорода, водорода, углерода и азота в их состав могут входить другие элементы. Некоторые белки содержат серу. Составной частью нуклеиновых кислот является фосфор. Молекула гемоглобина включает железо, магний участвует в построении молекулы хлорофилла. Микроэлементы, несмотря на крайне низкое содержание в живых организмах, играют важную роль в процессах жизнедеятельности. Йод входит в состав гормона щитовидной железы - тироксина, кобальт - в состав витамина В 12 гормон островковой части поджелудочной железы - инсулин - содержит цинк.

Органические вещества клетки

Белки.

Среди органических веществ клетки белки стоят на первом месте как по количеству (10 - 12% от общей массы клетки), так и по значению. Белки представляют собой высокомолекулярные полимеры (с молекулярной массой от 6000 до 1 млн. и выше), мономерами которых являются аминокислоты. Живыми организмами используется 20 аминокислот, хотя их существует значительно больше. В состав любой аминокислоты входит аминогруппа (-NH2), обладающая основными свойствами, и карбоксильная группа (-СООН), имеющая кислотные свойства. Две аминокислоты соединяются в одну молекулу путем установления связи HN-CO с выделением молекулы воды. Связь между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксилом другой называется пептидной.

Белки представляют собой полипептиды, содержащие десятки и сотни аминокислот. Молекулы различных белков отличаются друг от друга молекулярной массой, числом, составом аминокислот и последовательностью расположения их в полипептидной цепи. Понятно поэтому, что белки отличаются огромным разнообразием, их количество у всех видов живых организмов оценивается числом 1010 - 1012.

Цепь аминокислотных звеньев, соединенных ковалентное пептидными связями в определенной последовательности, называется первичной структурой белка.

В клетках белки имеют вид спирально закрученных волокон или шариков (глобул). Это объясняется тем, что в природном белке полипептидная цепочка уложена строго определенным образом в зависимости от химического строения входящих в ее состав аминокислот.

Вначале полипептидная цепь сворачивается в спираль. Между атомами соседних витков возникает притяжение и образуются водородные связи, в частности, между NH- и СО- группами, расположенными на соседних витках. Цепочка аминокислот, закрученная в виде спирали, образует вторичную структуру белка. В результате дальнейшей укладки спирали возникает специфичная для каждого белка конфигурация, называемая третичной структурой. Третичная структура обусловлена действием сил сцепления между гидрофобными радикалами, имеющимися у некоторых аминокислот, и ковалентными связями между SH- группами аминокислоты цистеина (S-S- связи). Количество аминокислот гидрофобными радикалами и цистеина, а также порядок их расположения в полипептидной цепочке специфичны для каждого белка. Следовательно, особенности третичной структуры белка определяются его первичной структурой. Биологическую активность белок проявляет только в виде третичной структуры. Поэтому замена даже одной аминокислоты в полипептидной цепочке может привести к изменению конфигурации белка и к снижению или утрате его биологической активности.

В некоторых случаях белковые молекулы объединяются друг с другом и могут выполнять свою функцию только в виде комплексов. Так, гемоглобин - это комплекс из четырех молекул и только в такой форме способен присоединять и транспортировать О. подобные агрегаты представляют собой четвертичную структуру белка. По своему составу белки делятся на два основных класса - простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот нуклеиновые кислоты (нуклеотиды), липиды (липопротеиды), Ме (металлопротеиды), Р (фосфопротеиды).

Функции белков в клетке чрезвычайно многообразны.

Одна из важнейших - строительная функция: белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внутриклеточных структур. Исключительно важное значение имеет ферментативная (каталитическая) роль белков. Ферменты ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в 10ки и 100ни миллионов раз. Двигательная функция обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движений, к которым способны клетки и организмы: мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных, движение листьев у растений и др.

Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, гемоглобин присоединяет О) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к тканям и органам тела. Защитная функция выражается в форме выработки особых белков, называемых антителами, в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или клеток. Антитела связывают и обезвреживают чужеродные вещества. Белки играют немаловажную роль как источники энергии. При полном расщеплении 1г. белков выделяется 17,6 кДж (~4,2 ккал). клетка мембранный хромосома

Углеводы.

Углеводы, или сахариды - органические вещества с общей формулой (СН 2О)n. У большинства углеводов число атомов Н вдвое больше числа атомов О, как в молекулах воды. Поэтому эти вещества и были названы углеводами. В живой клетке углеводы находятся в количествах, не превышающих 1-2, иногда 5% (в печени, в мышцах). Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание достигает в некоторых случаях 90% от массы сухого вещества (семена, клубни картофеля и т.д.).

Углеводы бывают простые и сложные.

Простые углеводы называются моносахаридами. В зависимости от числа атомов углевода в молекуле моносахариды называются триозами, тетрозами, пентозами или гексозами. Из шести углеродных моносахаридов - гексоз - наиболее важное значение имеют глюкоза, фруктоза и галактоза. Глюкоза содержится в крови (0,1-0,12%). Пентозы рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, такое соединение называется дисахаридом. Пищевой сахар, получаемый из тростника или сахарной свеклы, состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы, молочный сахар - из глюкозы и галактозы.

Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами. Мономером таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза. Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Целлюлоза образует стенки растительных клеток. Сложный полисахарид хитин служит главным структурным компонентом наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет и у грибов.

Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. В процессе окисления 1 г. углеводов освобождается 17,6 кДж (~4,2 ккал). Крахмал у растений и гликоген у животных откладываются в клетках и служат энергетическим резервом.

Нуклеиновые кислоты.

Значение нуклеиновых кислот в клетке очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этапе индивидуального развития.

Поскольку большинство свойств и признаков клеток обусловлено белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кислот - важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя, таким образом, на жизнедеятельность. Изучение структуры нуклеиновых кислот имеет исключительно важное значение для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования, как отдельных клеток, так и клеточных систем - тканей и органов.

Существуют 2 типа нуклеиновых кислот - ДНК и РНК.

ДНК - полимер, состоящий из двух нуклеотидных спиралей, заключенных так, что образуется двойная спираль. Мономеры молекул ДНК представляют собой нуклеотиды, состоящие из азотистого основания (аденина, тимина, гуанина или цитозина), углевода (дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания в молекуле ДНК соединены между собой неодинаковым количеством Н-связей и располагаются попарно: аденин (А) всегда против тимина (Т), гуанин (Г) против цитозина (Ц). Схематически расположение нуклеотидов в молекуле ДНК можно изобразить так:

Рис.1.Расположение нуклеотидов в молекуле ДНК

Из рис.1. видно, что нуклеотиды соединены друг с другом не случайно, а избирательно. Способность к избирательному взаимодействию аденина с тимином и гуанина с цитозином называется комплементарностью. Комплементарное взаимодействие определенных нуклеотидов объясняется особенностями пространственного расположения атомов в их молекулах, которые позволяют им сближаться и образовывать Н-связи.

В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой через сахар (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. РНК так же, как и ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды.

Азотистые основания трех нуклеотидов те же самые, что входят в состав ДНК (А, Г, Ц); четвертое - урацил (У) - присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК и по строению входящего в их состав углевода (рибоза вместо дизоксирибозы).

В цепочке РНК нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого. По структуре различаются двух цепочечные РНК. Двух цепочечные РНК являются хранителями генетической информации у ряда вирусов, т.е. выполняют у них функции хромосом. Одно цепочечные РНК осуществляют перенос информации о структуре белков от хромосомы к месту их синтеза и участвуют в синтезе белков.

Существует несколько видов одно цепочечной РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией или местом нахождения в клетке. Большую часть РНК цитоплазмы (до 80-90%) составляет рибосомальная РНК (рРНК), содержащаяся в рибосомах. Молекулы рРНК относительно невелики и состоят в среднем из 10 нуклеотидов.

Другой вид РНК (иРНК), переносящие к рибосомам информацию о последовательности аминокислот в белках, которые должны синтезироваться. Размер этих РНК зависит от длины участка ДНК, на котором они были синтезированы.

Транспортные РНК выполняют несколько функций. Они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, "узнают" (по принципу комплементарности) триплет и РНК, соответствующий переносимой аминокислоте, осуществляют точную ориентацию аминокислоты на рибосоме.

Жиры и липоиды.

Жиры представляют собой соединения жирных высокомолекулярных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде - они гидрофобны.

В клетке всегда есть и другие сложные гидрофобные жироподобные вещества, называемые липоидами. Одна из основных функций жиров - энергетическая. В ходе расщепления 1 г. жиров до СО 2 и Н 2О освобождается большое количество энергии - 38,9 кДж (~9,3 ккал).

Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5-15% от массы сухого вещества. В клетках живой ткани количество жира возрастает до 90%.

Главная функция жиров в животном (и отчасти - растительном) мире - запасающая.

Жиры и липоиды выполняют и строительную функцию: они входят в состав клеточных мембран. Благодаря плохой теплопроводности жир способен к защитной функции. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани, образуя слой толщиной до 1 м. Образование некоторых липоидов предшествует синтезу ряда гормонов. Следовательно, этим веществам присуща и функция регуляции обменных процессов.

2. Вода в жизнедеятельности клетки

Химические вещества, входящие в состав клетки: неорганические (вода, минеральные соли)

Вода. Содержание воды в клетке - от 40 до 98% ее массы. Роль воды в клетке:

- обеспечение упругости клетки.

Последствия потери клеткой воды - увядание листьев, высыхание плодов.

- Ускорение химических реакций за счет растворения веществ в воде.

- Обеспечение перемещения веществ: поступление большинства веществ, в клетку и удаление их из клетки в виде растворов.

- Обеспечение растворения многих химических веществ (ряда солей, Сахаров).

- Участие в ряде химических реакций.

- Участие в процессе теплорегуляции благодаря способности к медленному нагреванию и медленному остыванию.

Вода. Н 2О - самое распространенное соединение в живых организмах. Содержание ее в разных клетках колеблется в довольно широких пределах.

Исключительно важная роль воды в обеспечении процессов жизнедеятельности обусловлена ее физико-химическими свойствами.

Полярность молекул и способность образовывать водородные связи делают воду хорошим растворителем для огромного количества веществ. Большинство химических реакций, протекающих в клетке, может происходить только в водном растворе.

Вода участвует и во многих химических превращениях.

Общее число водородных связей между молекулами воды изменяется в зависимости от t°. При t° таяния льда разрушается примерно 15% водородных связей, при t° 40°С - половина. При переходе в газообразное состояние разрушаются все водородные связи. Этим объясняется высокая удельная теплоемкость воды. При изменении t° внешней среды вода поглощает или выделяет теплоту вследствие разрыва или новообразования водородных связей.

Таким путем колебания t° внутри клетки оказываются меньшими, чем в окружающей среде. Высокая теплота испарения лежит в основе эффективного механизма теплоотдачи у растений и животных.

Вода как растворитель принимает участие в явлениях осмоса, играющего важную роль в жизнедеятельности клетки организма. Осмосом называют проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор какого-либо вещества.

Полупроницаемыми называются мембраны, которые пропускают молекулы растворителя, но не пропускают молекулы (или ионы) растворенного вещества. Следовательно, осмос - односторонняя диффузия молекул воды в направлении раствора.

Минеральные соли.

Большая часть неорганических в-в клетки находится в виде солей в диссоциированном, либо в твердом состоянии.

Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде неодинакова. От концентрации солей в большой мере зависят осмотическое давление в клетке и ее буферные свойства.

Буферностью называется способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию ее содержимого на постоянном уровне. Содержание минеральных солей в клетке в виде катионов (К+, Na+, Ca2+, Mg2+) и анионов (--НРО|~, - Н 2РС>4, --СГ, --НСС*з). Уравновешенность содержания катионов и анионов в клетке, обеспечивающая постоянство внутренней среды организма. Примеры: в клетке среда слабощелочная, внутри клетки высокая концентрация ионов К+, а в окружающей клетку среде - ионов Na+. Участие минеральных солей в обмене веществ.

3. Обмен веществ и энергии в клетке

Энергетический обмен в клетке

Аденозинтрифосфат (сокр. АТФ, англ. АТР) - нуклеотид, играет исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах; в первую очередь соединение известно как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах.

АТФ обеспечивает энергией все функции клетки: механическую работу, биосинтез веществ, деление и т, д. В среднем содержание АТФ в клетке составляет около 0,05% ее массы, но в тех клетках, где затраты АТФ велики (например, в клетках печени, поперечно-полосатых мышц), ее содержание может доходить до 0,5%. Синтез АТФ в клетках происходит главным образом в митохондриях. Как вы помните (см. 1.7), на синтез 1 моля АТФ из АДФ необходимо затратить 40 кДж.

Энергетический обмен в клетке подразделяют на три этапа.

Первый этап - подготовительный.

Во время него крупные пищевые полимерные молекулы распадаются на более мелкие фрагменты. Полисахариды распадаются на ди- и моносахариды, белки - до аминокислот, жиры - до глицерина и жирных кислот. В ходе этих превращений энергии выделяется мало, она рассеивается в виде тепла, и АТФ не образуется.

Второй этап - неполное, без кислородное, расщепление веществ.

На этом этапе вещества, образовавшиеся во время подготовительного этапа, разлагаются при помощи ферментов в отсутствие кислорода.

Разберем этот этап на примере гликолиза - ферментативного расщепления глюкозы. Гликолиз происходит в животных клетках и у некоторых микроорганизмов. Суммарно этот процесс можно представить в виде следующего уравнения:

С 6Н 12О 6 + 2Н 3Р 04 + 2АДФ > 2С 3Н 603 + 2АТФ + 2Н 2О

Таким образом, при гликолизе из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы, трех - углеродной пировиноградной кислоты (С 3Н 4О 3), которая во многих клетках, например в мышечных, превращается в молочную кислоту (С 3Н 6О 3), причем высвободившейся при этом энергии достаточно для превращения двух молекул АДФ в две молекулы АТФ.

Несмотря на кажущуюся простоту, гликолиз - процесс многоступенчатый, насчитывающий более десяти стадий, катализируемых разными ферментами. Только 40% выделившейся энергии запасается клеткой в виде АТФ, а остальные 60% - рассеиваются в виде тепла. Благодаря много - стадийности гликолиза, выделяющиеся небольшие порции тепла не успевают нагреть клетку до опасного уровня.

Гликолиз происходит в цитоплазме клеток.

У большинства растительных клеток и некоторых грибов второй этап энергетического обмена представлен спиртовым брожением:

С 6Н 12О 6+2Н 3РО 4+2АДФ>2С 2Н 5ОН +2С 02 + 2АТФ + 2H2О

Исходные продукты спиртового брожения те же, что и у гликолиза, но в результате образуется этиловый спирт, углекислый газ, вода и две молекулы АТФ. Есть такие микроорганизмы, которые разлагают глюкозу до ацетона, уксусной кислоты и других веществ, но в любом случае "энергетическая прибыль" клетки составляет две молекулы АТФ.

Третий этап энергетического обмена - полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание.

При этом вещества, образовавшиеся на втором этапе, разрушаются до конечных продуктов - СО 2 и Н 2О. Этот этап можно представить себе в следующем виде:

2С 3Н 6О 3 + 6О 2 + 36Н 3РО 4 + 36 АДФ > 6СО 2 + 42 Н 2О + 36АТФ.

Таким образом, окисление двух молекул трех углеродной кислоты, образовавшихся при ферментативном расщеплении глюкозы до СО 2 и Н 2О, приводит к выделению большого количества энергии, достаточного для образования 36 молекул АТФ.

Клеточное дыхание происходит на кристах митохондрий. Коэффициент полезного действия этого процесса выше, чем у гликолиза, и составляет приблизительно 55% . В результате полного расщепления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

Для получения энергии в клетках, кроме глюкозы, могут быть использованы и другие вещества: липиды, белки. Однако ведущая роль в энергетическом обмене у большинства организмов принадлежит сахарам.

4. Питание клетки. Фотосинтез и хемосинтез

Питание клетки происходит в результате целого ряда сложных химических реакций, в ходе которых вещества, поступившие в клетку из внешней среды (углекислый газ, минеральные соли, вода), входят в состав тела самой клетки в виде белков, сахаров, жиров, масел, азотных и фосфорных соединений.

Все живые организмы, обитающие на Земле, можно подразделить на две группы в зависимости от того, каким образом они получают необходимые им органические вещества.

Первая группа - автотрофы, что в переводе с греческого языка означает "самопитающиеся". Они способны самостоятельно создавать все необходимые им для построения клеток и процессов жизнедеятельности органические вещества из неорганических - воды, углекислого газа и других. Энергию для таких сложных превращений они получают либо за счет солнечного света и называются фототрофами, либо за счет энергии химических превращений минеральных соединений и в этом случае называются хемотрофами. Но и фототрофные, и хемотрофные организмы не нуждаются в поступлении извне органических веществ. К автотрофам относятся все зеленые растения и многие бактерии.

Принципиально иной способ получения необходимых органических соединений у гетеротрофов. Гетеротрофы не могут самостоятельно синтезировать такие вещества из неорганических соединений и нуждаются в постоянном поглощении готовых органических веществ извне. Затем они "перестраивают" полученные извне молекулы для своих нужд.

Гетеротрофные организмы находятся в прямой зависимости от продуктов фотосинтеза, производимых зелеными растениями. Например, питаясь капустой или картофелем, мы получаем вещества, синтезированные в клетках растения за счет энергии солнечного света. Если же мы питаемся мясом домашних животных, то надо помнить, что эти животные питаются растительными кормами: травой, зерном и т. п. Таким образом, их мясо построено из молекул, полученных с растительной пищей.

К гетеротрофам относятся грибы, животные и многие бактерии. Некоторые клетки зеленого растения также гетеро-трофны: клетки камбия, корня. Дело в том, что клетки этих частей растения не способны к фотосинтезу и питаются за счет органических веществ, синтезированных зелеными частями растения.

Питание клетки: лизосомы и внутриклеточное пищеварение

Лизосомы, число которых в одной клетке достигает нескольких сотен, образуют типичное пространство.

Встречаются лизосомы различных форм и размеров; особым разнообразием отличается их внутренняя структура. Это разнообразие отражено в морфологической терминологии. Имеется множество терминов для обозначения частиц, которые нам сейчас известны как лизосомы. Среди них: плотные тельца, остаточные тельца, цитосомы, цитосегресомы и многие др.

С точки зрения химии переваривать пищу означает подвергать ее гидролизу, т.е. при помощи воды расщепить различные связи, посредством которых соединены строительные блоки естественных природных макромолекул. Например, пептидные связи, соединяющие аминокислоты в белках, гликолизные связи, соединяющие сахара в полисахаридах и эфирные связи между кислотами и спиртами. По большей части эти связи весьма устойчивы, разрываются только при жестких условиях температуры и значениях pH (кислая или щелочная среда).

Живые организмы не в состоянии ни создать, ни выдержать подобные условия, а между тем пищу они переваривают без труда. И делают это с помощью особых катализаторов - гидролитических ферментов, или гидролаз, которые секретируются в пищеварительной системе. Гидролазы - специфические катализаторы. Каждая из них расщепляет только строго определенный тип химической связи. Поскольку пища обычно состоит из многих компонентов с разнообразными химическими связями, для пищеварения необходимо одновременное согласованное или последовательное участие различных ферментов. И действительно, пищеварительные соки, секретируемые в желудочно-кишечный тракт, содержат большое число различных гидролаз, что позволяет человеческому организму усваивать множество сложных пищевых продуктов растительного и животного происхождения. Однако, эта способность ограничена, и человеческий организм не в состоянии переваривать целлюлозу.

Эти основные положения относятся, по существу, и к лизосомам. В каждой лизосоме мы находим целую коллекцию различных гидролаз - идентифицировано более 50 видов - которые в совокупности способны полностью или почти полностью переваривать многие из основных природных веществ, включая белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, их комбинации и производные. Однако, как и желудочно-кишечный тракт человека, лизосомы характеризуются некоторыми ограничениями в своей переваривающей способности.

В кишечнике конечные продукты пищеварения (перевариваются), "очищаются" в результате кишечной абсорбции: они удаляются клетками слизистой, обычно при помощи активных насосов, и попадают в кровеносное русло. Нечто подобное происходит и в лизосомах.

Различные мелкие молекулы, образовавшиеся в процессе переваривания переносятся через лизосомальную мембрану в цитоплазму, где их используют метаболические системы клетки.

Но иногда переваривание не происходит или оно неполное и не достигает той стадии, на которой его продукты могут быть очищены. У большинства простейших организмов и низших беспозвоночных подобные ситуации не вызывают особых последствий, т.к. их клетки обладают способностью избавляться от содержимого своих старых лизосом, попросту выбрасывая его в окружающую среду.

У высших животных многие клетки не способны опорожнять свои лизосомы таким образом. Они находятся в состоянии хронического "запора". Именно этот серьезный недостаток лежит в основе многочисленных патологических состояний, связанных с перегрузкой лизосом. Диспепсия, повышенная кислотность, запор и другие расстройства пищеварения.

Афтотрофное питание

Жизнь на Земле зависит от автотрофных организмов. Почти все органические вещества, необходимые для живых клеток, производятся в процессе фотосинтеза.

Фотосинтез (от греч. фотос - свет и синтезис - соединение, сочетание) - превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами неорганических веществ (воды и углекислого газа) в органические за счет солнечной энергии, которая преобразуется в энергию химических связей в молекулах органических веществ.

Фазы фотосинтеза.

В процессе фотосинтеза энергетически бедные вода и углекислый газ превращаются в энергоемкое органическое вещество - глюкозу. При этом солнечная энергия аккумулируется в химических связях этого вещества. Кроме того, в процессе фотосинтеза в атмосферу выделяется кислород, который используется организмами для дыхания.

В настоящее время установлено, что фотосинтез протекает в две фазы - световую и темновую.

В световую фазу благодаря солнечной энергии происходит возбуждение молекул хлорофилла и синтез АТФ.

Одновременно с этой реакцией под действием света разлагается вода (Н 20) с выделением свободного кислорода (02). Этот процесс назвали фотолизом (от греч. фотос - свет и лизис - растворение). Образовавшиеся ионы водорода связываются с особым веществом - переносчиком ионов водорода (НАДФ) и используются в следующей фазе.

Для протекания реакций темповой фазы наличие света необязательно. Источником энергии здесь служат синтезированные в световую фазу молекулы АТФ. В темповой фазе происходит усвоение углекислого газа из воздуха, его восстановление ионами водорода и ооразование глюкозы благодаря использованию энергии АТФ.

Влияние условий среды на фотосинтез.

При фотосинтезе используется только 1% солнечной энергии, падающей на лист. Фотосинтез зависит от целого ряда условий среды. Во-первых, наиболее интенсивно этот процесс протекает под влиянием красных лучей солнечного спектра (рис. 58). Степень интенсивности фотосинтеза определяется по количеству выделившегося кислорода, который вытесняет воду из цилиндра. Скорость фотосинтеза зависит также и от степени освещенности растения. Увеличение продолжительности светового дня приводит к росту продуктивности фотосинтеза, т. е. количества образуемых растением органических веществ.

Значение фотосинтеза.

Продукты фотосинтеза используются:

· организмами в качестве питательных веществ, источника энергии и кислорода для процессов жизнедеятельности;

· в производстве человеком продуктов питания;

· в качестве строительного материала для построек жилищ, в производстве мебели и др.

Человечество своим существованием обязано фотосинтезу.

Все запасы горючего на Земле - это продукты, образованные в результате фотосинтеза. Используя уголь и древесину, мы получаем энергию, которая была запасена в органических веществах при фотосинтезе. Одновременно в атмосферу выделяется кислород.

По подсчетам ученых, без фотосинтеза весь запас кислорода был бы израсходован за 3000 лет.

Хемосинтез.

Кроме фотосинтеза, известен еще один способ получения энергии и синтеза органических веществ из неорганических. Некоторые бактерии способны извлекать энергию путем окисления различных неорганических веществ. Для создания органических веществ им не нужен свет. Процесс синтеза органических веществ из неорганических, проходящий благодаря энергии окисления неорганических веществ, называют хемосинтезом (от лат. хемия - химия и греч. синтезис - соединение, сочетание).

Хемосинтезирующие бактерии были открыты русским ученым С.Н. Виноградским. В зависимости оттого, при окислении, какого вещества выделяется энергия, различают хемосинтезирующие железобактерии, серобактерии и азотобактерии.

5. Генетический код. Синтез белков в клетке

Генетический код - единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв-нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями: А, Т, Г, Ц.

Основные свойства генетического кода следующие:

1. Генетический код триплетен. Триплет (кодон) - последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту. Поскольку в состав белков входит 20 аминокислот, то очевидно, что каждая из них не может кодироваться одним нуклеотидом (поскольку в ДНК всего четыре типа нуклеотидов, то в этом случае 16 аминокислот остаются незакодированными). Двух нуклеотидов для кодирования аминокислот также не хватает, поскольку в этом случае могут быть закодированы только 16 аминокислот. Значит, наименьшее число нуклеотидов, кодирующих одну аминокислоту, оказывается равным трем. (В этом случае число возможных триплетов нуклеотидов составляет 43 = 64).

2. Избыточность (вырожденность) кода является следствием его триплетности и означает то, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (поскольку аминокислот 20, а триплетов - 64). Исключение составляют метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом. Кроме того, некоторые триплеты выполняют специфические функции.

Так, в молекуле иРНК три из них УАА, УАГ, УГА - являются терминирующими кодонами, т. е. стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), стоящий в начале цепи ДНК, не кодирует аминокислоту, а выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания.

3. Одновременно с избыточностью коду присуще свойство однозначности, которое означает, что каждому кодону соответствует только одна определенная аминокислота.

4. Код коллинеарен, т.е. последовательность нуклеотидов в гене точно соответствует последовательности аминокислот в белке.

5. Генетический код неперекрываем и компактен, т. е. не содержит "знаков препинания". Это значит, что процесс считывания не допускает возможности перекрывания колонов (триплетов), и, начавшись на определенном кодоне, считывание идет непрерывно триплет за триплетом вплоть до стоп-сигналов (терминирующих кодонов). Например, в иРНК следующая последовательность азотистых оснований АУГГУГЦУУААУГУГ будет считываться только такими триплетами: АУГ, ГУГ, ЦУУ, ААУ, ГУГ, а не АУГ, УГГ, ГГУ, ГУГ и т. Д. или АУГ, ГГУ, УГЦ, ЦУУ и т. д. или еще каким-либо образом (допустим, кодон АУГ, знак препинания Г, кодон УГЦ, знак препинания У и Т. п.).

6. Генетический код универсален, т. е. ядерные гены всех организмов одинаковым образом кодируют информацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.

Синтез белков в клетке

Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.

Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК содержит несколько сотен генов. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенно сочетающихся нуклеотидов. Код ДНК удалось расшифровать почти полностью. Сущность его состоит в следующем. Каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов.

Например, участок Т--Т--Т соответствует аминокислоте лизину, отрезок А--Ц--А - цистину, Ц--А--А - валину н т. д. Разных аминокислот - 20, число возможных сочетаний из 4 нуклеотидов по 3 равно 64. Следовательно, триплетов с избытком хватает для кодирования всех аминокислот.

Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.

Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником является и-РНК. :

В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:

1. Первый этап - синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. "транскриптик" - переписывание).

2. На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов - антикодонов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.

3. Третий этап - это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией. Он происходит в рибосомах.

4. На четвертом этапе происходит образование вторич ной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.

Таким образом, в процессе биосинтеза белка образуются новые молекулы белка в соответствии с точной информацией, заложенной в ДНК. Этот процесс обеспечивает обновление белков, процессы обмена веществ, рост и развитие клеток, то есть все процессы жизнедеятельности клетки.

Хромосомы (от греч. "хрома" - цвет, "сома" - тело) - очень важные структуры ядра клетки. Играют главную роль в процессе клеточного деления, обеспечивая передачу наследственной информации от одного поколения к другому. Они представляют собой тонкие нити ДНК, связанные с белками. Нити называются хроматидами, состоящими из ДНК, основных белков (гистонов) и кислых белков.

В неделящейся клетке хромосомы заполняют весь объем ядра и не видны под микроскопом. Перед началом деления происходит спирализация ДНК и каждая хромосома становится различимой под микроскопом.

Во время спирализации хромосомы сокращаются в десятки тысяч раз. В таком состоянии хромосомы выглядят как две лежащие рядом одинаковые нити (хроматиды), соединенные общим участком - центромерой.

Для каждого организма характерно постоянное количество и структура хромосом. В соматических клетках хромосомы всегда парные, то есть в ядре есть две одинаковые хромосомы, составляющие одну пару. Такие хромосомы называют гомологичными, а парные наборы хромосом в соматических клетках называют диплоидными.

Так, диплоидный набор хромосом у человека состоит из 46 хромосом, образуя 23 пары. Каждая пара состоит из двух одинаковых (гомологичных) хромосом.

Особенности строения хромосом позволяют выделить их 7 групп, которые обозначаются латинскими буквами А, В, С, D, Е, F, G. Все пары хромосом имеют порядковые номера.

У мужчин и женщин есть 22 пары одинаковых хромосом. Их называют аутосомы. Мужчина и женщина отличаются одной парой хромосом, которые называют половыми. Они обозначаются буквами - большая X (группа С) и маленькая Y (группа С,). В женском организме 22 пары аутосом и одна пара (XX) половых хромосом. У мужчин - 22 пары аутосом н одна пара (XY) половых хромосом.

В отличие от соматических клеток, половые клетки содержат половинный набор хромосом, то есть содержат по одной хромосоме каждой пары! Такой набор называют гаплоидным. Гаплоидный набор хромосом возникает в процессе созревания клеток.

6. Регуляция транскрипции и трансляции в клетке и организме

Оперон и репрессор.

Известно, что набор хромосом, т. е. набор молекул ДНК, одинаков во всех клетках одного организма.

Следовательно, каждая клетка тела способна синтезировать любое количество каждого белка, свойственного данному организму. К счастью, этого никогда не происходит, так как клетки той или иной ткани должны иметь определенный набор белков, необходимый для выполнения их функции в многоклеточном организме, и ни в коем случае не синтезировать "посторонних" белков, которые свойственны клеткам других тканей.

Так, например, в клетках корня необходимо синтезировать растительные гормоны, а в клетках листа - ферменты для обеспечения фотосинтеза. Почему же в одной клетке не синтезируются сразу все белки, информация о которых имеется в ее хромосомах?

Такие механизмы лучше изучены в клетках прокариот. Несмотря на то, что прокариоты - одноклеточные организмы, их транскрипция и трансляция также регулируются, так как в один момент времени клетка может нуждаться в каком-либо белке, а в другой момент тот же самый белок может стать для нее вреден.

Генетической единицей механизма регуляции синтеза белков следует считать оперон, в состав которого входят один или несколько структурных генов, т. е. генов, несущих информацию о структуре иРНК, которая, в свою очередь, несет информацию о структуре белка. Перед этими генами, в начале оперона, расположен промотор - "посадочная площадка" для фермента РНК-полимеразы. Между промотором и структурными генами в опероне располагается участок ДНК, называемый оператором. Если с оператором связан особый белок - репрессор, то РНК-полимераза не может начать синтез иРНК.

Механизм регуляции синтеза белка у эукариот.

Регуляция работы генов у эукариот, особенно если речь идет о многоклеточном организме, гораздо сложнее. Во-первых, белки, необходимые для обеспечения какой-либо функции, могут быть закодированы в генах различных хромосом (напомним, что у прокариот ДНК в клетке представлена одной-единственной молекулой). Во-вторых, у эукариот сами гены устроены сложнее, чем у прокариот; у них имеются "молчащие" участки, с которых не считывается иРНК, но которые способны регулировать работу соседних участков ДНК. В-третьих, в многоклеточном организме необходимо точно регулировать и координировать работу генов в клетках разных тканей.

Эта координация осуществляется на уровне целого организма и главным образом при помощи гормонов. Они вырабатываются как в клетках желез внутренней секреции, так и в клетках многих других тканей, например нервной. Эти гормоны связываются с особыми рецепторами, расположенными или на клеточной мембране, или внутри клетки. В результате взаимодействия рецептора с гормоном в клетке активируются или, наоборот, репрессируются те или иные гены, и синтез белков в данной клетке меняет свой характер. Например, гормон надпочечников адреналин активирует распад гликогена до глюкозы в клетках мышц, что приводит к улучшению обеспеченности этих клеток энергией. Другой гормон, инсулин, выделяемый поджелудочной железой, напротив, способствует образованию гликогена из глюкозы и запасанию его в клетках печени.

Следует также учесть, что 99,9% ДНК у всех людей одинаковы и только оставшиеся 0,1% определяют неповторимую индивидуальность каждого человека: внешний вид, особенности характера, обмена веществ, склонность к тем или иным заболеваниям, индивидуальная реакция на лекарства и многое другое.

Можно было бы предположить, что часть "неработающих" генов в тех или иных клетках утрачивается, разрушается. Однако целый ряд экспериментов доказал, что это не так. Из клетки кишечника головастика при определенных условиях можно вырастить целую лягушку, что возможно только в том случае, если в ядре этой клетки сохранилась вся генетическая информация, хотя часть ее не выражалась в форме белков, пока клетка входила в состав стенки кишечника. Следовательно, в каждой клетке многоклеточного организма используется только часть генетической информации, содержащейся в ее ДНК, Значит, должны иметь место механизмы, "включающие" или "выключающие" работу того или иного гена в разных клетках.

Общая длина молекул ДНК, содержащихся в 46 хромосомах человека, составляет почти 2 метра. Если бы генетически триплетным кодом были закодированы буквы алфавита, то ДНК одной клетки человека хватило бы для шифровки 1000 толстых томов текста!

Все организмы на Земле состоят из клеток. Существуют одноклеточные и многоклеточные организмы.

Безъядерные организмы называются прокариотами, а имеющие ядра в своих клетках - эукариотами. Снаружи каждая клетка покрыта биологической мембраной. Внутри клетки находится цитоплазма, в которой расположены ядро (у эукариот) и другие органоиды. Ядро заполнено кариоплазмой, в которой располагаются хроматин и ядрышки. Хроматин - это ДНК, связанная с белками, из него во время деления клетки образуются хромосомы.

Хромосомный набор клетки называется кариотипом.

В цитоплазме клеток эукариот расположен цитоскелет - сложная система, выполняющая опорную, двигательную и транспортную функции. Важнейшие органоиды клетки: ядро, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, рибосомы, митохондрии, лизосомы, пластиды. Некоторые клетки имеют органоиды движения: жгутики, реснички.

Между клетками прокариот и эукариот имеются значительные различия в строении.

Вирусы представляют собой неклеточную форму жизни.

Для нормальной жизнедеятельности клетки и всего многоклеточного организма необходимо постоянство внутренней среды, получившее название гомеостаза.

Гомеостаз поддерживается реакциями обмена веществ, которые подразделяются на ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). Все реакции обмена веществ происходят при участии биологических катализаторов - ферментов. Каждый фермент специфичен, т. е. участвует в регуляции строго определенных процессов жизнедеятельности. Поэтому в каждой клетке "работает" множество ферментов.

Все энергетические затраты любой клетки обеспечиваются за счет универсального энергетического вещества - АТФ. АТФ образуется за счет энергии, выделяющейся при окислении органических веществ. Этот процесс является многоступенчатым, и наиболее эффективно кислородное расщепление, происходящее в митохондриях.

По способу получения необходимых для жизнедеятельности органических веществ все клетки делятся на автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы подразделяются на фотосинтетики и хемосинтетики, и все они способны самостоятельно синтезировать необходимые им органические вещества. Гетеротрофы получают большинство органических соединений извне.

Фотосинтез - важнейший процесс, лежащий в основе возникновения и существования подавляющего большинства организмов на Земле. В результате фотосинтеза происходит синтез сложных органических соединений за счет энергии излучения Солнца. За исключением хемосинтетиков, все организмы на Земле прямо или косвенно зависят от фотосинтетиков.

Важнейшим процессом, происходящим во всех клетках (за исключением клеток, утерявших ДНК в процессе развития), является синтез белка. Информация о последовательности аминокислот, составляющих первичную структуру белка, заключена в последовательности триплетных сочетаний нуклеотидов ДНК. Ген - участок ДНК, в котором закодирована информация о структуре одного белка. Транскрипция - процесс синтеза иРНК, кодирующей последовательность аминокислот бел ка. иРНК выходит из ядра (у эукариот) в цитоплазму, где в рибосомах происходит формирование аминокислотной цепочки белка. Этот процесс называется трансляцией. В каждой клетке - множество генов, однако клетка использует лишь строго определенную часть генетической информации, что обеспечивается наличием в генах особых механизмов, включающих или выключающих синтез того или иного белка в клетке.

Список используемой литературы

1. Даревский, И.С.; Орлов, Н.Л. Редкие и изчезающие животные. Земноводные и пресмыкающиеся; М.: Высшая школа, 1988. - 463 c.

2. Линней, Карл Философия ботаники; М.: Наука, 1989. - 456 c.

3. Опарин, А.И. Материя. Жизнь. Интеллект; М.: Наука, 1977. - 208 c.

4. Терехин, Э.С. Паразитные цветковые растения: эволюция и образ жизни; Л.: Наука, 1977. - 220 c.

5. Эттенборо, Дэвид Живая планета; М.: Мир, 1988. - 328 c.

Размещено на Allbest.ru

...