Обмен веществ и превращения энергии в клетке. Краткий конспект. Тема "Обмен веществ и превращение энергии в клетке" Обмен веществ и энергии в клетке кратко
Основное содержание темы составляет понятие об обмене веществ как совокупности химических реакций, обеспечивающих рост жизнедеятельность, воспроизведение и постоянный контакт, и обмен с окружающей средой. Все химические реакций живой клетки можно разделить на два типа: реакции синтеза (биосинтеза), с помощью которых осуществляется пластический обмен, и реакции расщепления - энергетический обмен.
Энергетический обмен состоит из трех этапов. Первый из них: ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ этап. На этом этапе крупные молекулы белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов расщепляются на более мелкие: глюкозу, глицерин, жирные кислоты, нуклеотиды. При этом выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла.
Второй этап - бескислородный или АНАЭРОБНЫЙ . Этот этап можно рассмотреть на примере расщепления глюкозы. Обратите внимание на то, что при этом не используется кислород и образуется всего две молекулы АТФ . Необходимо учитывать, что в виде АТФ запасается всего 40% энергии, остальное рассеивается в виде тепла.
Третий этап - кислородный или АЭРОБНЫЙ . Особенность данного этапа состоит в том, что в реакциях гликолиза участвует кислород и образуется 36 молекул АТФ .
Имейте в виду, что в случаях большой надобности в энергии в клетках эукариот может идти процесс энергетического обмена только до второго этапа, то есть только анаэробный гликолиз.При изучении пластического обмена обратите внимание на то, в каких органоидах клетки происходит синтез тех или иных органических веществ (углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот).
ФОТОСИНТЕЗ -это процесс образования органических веществ из неорганических с помощью световой энергии. Исходными для фотосинтеза являются углекислый газ и вода, содержащие значительно меньше энергии, чем глюкоза. Следовательно, в процессе фотосинтеза солнечная энергия преобразуется в химическую. (Энергия переходит из одной формы в другую).Обратите внимание: процесс фотосинтеза имеет несколько ключевых моментов. Молекула хлорофилла содержит атом Mg. Электроны на внешних орбиталях металла неустойчивы. При ударе фотоном электрон вылетает из атома. Но в таком состоянии он долго существовать не может. Он должен вернуться на свое место, излучив предварительно энергию, полученную от фотона, или отдать ее. У растений в хлоропластах эта энергия не теряется. Она частично идет на синтез АТФ , но, самое важное, этот электрон идет на фотолиз воды. Образовавшиеся ионы водорода идут на синтез органических веществ, а кислород выделяется в атмосферу. Это реакции световой фазы. Следующая фаза условно получила название темновой. Это ряд ферментативных реакций, в процессе которых связывется углекислый газ и синтезируются углеводы. При этом расходуется энергия АТФ и атомы водорода.К реакциям биосинтеза относятся реакции синтеза белка. Перед изучением этой части темы повторите строение белков, строение и функции нуклеиновых кислот (ДНК и РНК ), принцип комплементарности (А-Т ,Ц-Г ).Биосинтез белка происходит при участии рибосом. Начинается этот сложный процесс с синтеза на молекуле ДНК молекулы и-РНК , который происходит в ядре. Далее и-РНК переносится из ядра к месту синтеза белка. Следует учесть - молекулы и-РНК строго индивидуальны и переносят информацию только об одном белке. Процесс синтеза и-РНК называется ТРАНСКРИПЦИЕЙ . В цитоплазме на и-РНК нанизывается одна или несколько рибосом. Процесс считывания информации и синтеза белка получил название ТРАНСЛЯЦИИ . Особую роль в трансляции играют т-РНК (транспортные РНК ), она обеспечивают соответствие информации и-РНК составу белка. При этом каждым трем нуклеотидам и-РНК соответствует одна аминокислота, соответствие достигается особенностью строения т-РНК . На одном конце прикрепляется аминокислота, а на другом находится триплет нуклеотидов, который соответствует данной аминокислоте. При биосинтезе белка строго соблюдается принцип комплементарности. На рибосоме фиксируется соответствие триплета и-РНК триплету т-РНК и фиксация аминокислоты, с последующим присоединением ее к синтезируемой цепочке белка По мере синтеза белковой нити она сворачивется сразу во вторичную и третичную структуру. Рибосома движется по и-РНК от триплета к триплету. Все реакции биосинтеза происходят при участии ферментов и с затратой энергии.
Схему биосинтеза белка можно кратко представить в следующем виде: ГЕН (участок ДНК ) - И-РНК - РИБОСОМЫ с участием Т-РНК - БЕЛОК .
В ЦЕЛОМ ПРОЦЕССЫ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ КЛЕТКИ (в отличие от обычных химических реакций) ХАРАКТЕРИЗУЮТСЯ СВОЕЙ НАПРАВЛЕННОСТЬЮ, ЧЕТКОЙ ЛОКАЛИЗАЦИЕЙ В КЛЕТКЕ, РАЗГРАНИЧЕННОСТЬЮ В ПРОСТРАНСТВЕ КЛЕТКИ ОДНОВРЕМЕННО ПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА И РАСЩЕПЛЕНИЯ, ОГРОМНОЙ СКОРОСТЬЮ, МАТРИЧНЫМ СИНТЕЗОМ БИОПОЛИМЕРОВ.
Вопрос №2
Человек относится к классу млекопитающих, отряду приматов. Ближайшими эволюционными родственниками человека являются шимпанзе, гориллы и орангутанги. Это обусловливает очень большое сходство скелета человека со скелетами других млекопитающих, и особенно приматов.
Скелет человека, так же как скелеты других млекопитающих, состоит из позвоночника, черепа, грудной клетки, поясов конечностей и скелета собственно конечностей. Однако у человека лучше, чем у других млекопитающих, развит мозг, человек отличается способностью к труду и прямохождением. Эти особенности наложили отпечаток на строение скелета человека.
Сравнительный ряд скелетов, свидетельствующий о различии и сходстве в их строении:
1 – горилла; 2 – неандерталец; 3 – современный человек
Так, объем черепной полости человека больше, чем у любого животного с такими же размерами тела. Размеры лицевой части черепа у человека меньше, чем мозговой, а у животных – наоборот. Это связано с тем, что животные питаются сырой пищей, которую трудно измельчать, и поэтому они имеют большие челюсти и зубы, которые являются еще и органами защиты. Объем же мозга у животных относительно размеров тела гораздо меньше, чем у человека. Позвоночник у животных не имеет значительных изгибов, а у человека имеет 4 изгиба: шейный, грудной, поясничный и крестцовый. Эти изгибы появились в связи с прямохождением и обеспечивают позвоночнику упругость при ходьбе, беге, прыжках.
Грудная клетка у животных сжата спереди назад. У животных масса тела распределена между всеми четырьмя конечностями и таз не очень массивен. У человека вся масса тела опирается на нижние конечности, таз – широкий и прочный.
Скелет передних и задних конечностей у животных не очень сильно различается между собой. У человека кости нижних конечностей толще и прочнее, чем верхних. Имеются также сильные различия в строении стопы и кисти человека. Строение пальцев рук дает возможность человеку выполнять сложные виды работ.
Человек так же, как и другие млекопитающие, имеет зубы трех видов: клыки, резцы и коренные, однако число и форма этих зубов у человека и представителей других отрядов млекопитающих очень сильно различаются.
Сходство скелета человека и человекообразных обезьян является одним из доказательств того, что у человека имеются общие с этими обезьянами предки
Вопрос №3
Роль голосеменных в природе. Голосеменные образуют хвойные и смешанные леса, занимающие огромные площади. Они обогащают воздух кислородом, поэтому их часто называют «легкими планеты». Леса регулируют таяние снега, уровень воды в реках, поглощают шумы, ослабляют силу ветров, закрепляют пески. Лес – место обитания многих видов животных, которые питаются побегами, семенами, шишками хвойных растений.
Хвойные растения непрерывно выделяют в воздух большое количество фитонцидов (от греч. фитон и лат. цедо – убиваю) – веществ, угнетающих деятельность других организмов. Особенно интенсивно это происходит в еловых лесах. Так, по данным ученых, в 1 м3 воздуха хвойного леса содержится не более 500 клеток болезнетворных бактерий, тогда как городского – до 30–40 тыс. Поэтому в хвойных лесах размещают санатории и больницы для людей с заболеваниями дыхательной системы.
Голосеменные играют огромную роль хотя бы потому, что большая часть суши, покрытой растительностью, покрыта именно голосеменными - тайга. Это основной поставщик кислорода в биосфере, корм и убежище для животных, строительные материалы, топливо, бумага, сырье
Билет №7 Вопрос №1
Обмен веществ и энергии в клетке (Билет №6 Вопрос №1)
Характеристика процесса дыхания:
Клеточное или тканевое дыхание - совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды.
Итак, клеточное дыхание происходит в клетке. Но где именно? Какая органелла осуществляет этот процесс?
Все этапы клеточного дыхания происходят в митохондриях. Как известно, основной продукт работы митохондрии - молекулы АТФ - синоним понятия «энергия» в биологии. Действительно, основным продуктом этого процесса является энергия, молекулы АТФ.
Все живые организмы осуществляют обмен веществ с внешней средой. В клетках постоянно осуществляются процессы биосинтеза. Благодаря ферментам, из простых веществ образуются сложные соединения: из аминокислот синтезируются белки, из моносахаридов – сложные углеводы, из азотистых оснований – нуклеиновые кислоты. Различные жиры и масла образуются посредством химических превращений относительно простых веществ. Хитин- это наружный покров членистоногих, образующее хитина -сложный полисахарид (стр.7), у птиц, млекопитающих, наружным покровом является роговое вещество, основой которого является белок кератин. В конечном счете, состав синтезируемых крупных органических молекул обусловливается генотипом. Синтезированные вещества применяются в ходе роста с целью возведения клеток и их органоидов и ради замены израсходованных либо разрушенных молекул. Все без исключения взаимодействия биосинтеза проходят с поглощением энергии.
Пластический обмен
Пластический обмен, иначе называют биосинтез или анаболизм, происходит этот обмен только в клетке. Пластический обмен имеет три типа: фотосинтез, хемосинтез и биосинтез белков. Фотосинтез используется растениями и лишь некоторыми бактериями (цианобактериями). Такие организмы именуются автотрофами. Хемосинтез применяется определенными бактериями, в их число входят и анаэробные. Такие организмы именуются хемотрофами. Животные и грибы относят к гетеротрофным созданиям.
Фотосинтез
Процесс фотосинтеза происходит благодаря реакции, которая предполагает образование глюкозы и кислорода из углекислого газа и воды. У фотосинтеза две фазы, световая и темновая. Во время световой фазы, процесс фотосинтеза происходит в гранах хлоропласта, а в темновой, в стромах хлоропласта (см. Приложение 7) . Без солнечной энергии, фотосинтез бы не имел своего значения, поэтому это является важным фактором. Во время этого процесса из шести молекул углекислого газа и воды образуется шесть молекул кислорода и одна молекула глюкозы. Процесс фотосинтеза происходит в хлоропластах, в органеллах находится хлорофилл, благодаря ему и происходит синтез.
6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2
Хемосинтез
Хемосинтез свойственен таким бактериям, как серным, нитрифицирующим и железобактериям. Бактерии используют энергию, приобретённую благодаря процессу окисления веществ, для восстановления углекислого газа до органических соединений.(см. Приложение 8) Серобактерии окисляют такое вещество, как сероводород, нитрифицирующие окисляют аммиак, а железобактерии окисляют закись железа.
Биосинтез белков
Пластический обмен - это синтез белков клеткой. Обмен имеет два главных процесса: транскрипцию и трансляцию.
Транскрипция- это процесс синтеза информационной РНК с помощью ДНК по принципу комплементарности. (см. Приложение 9)
Транскрипция представляет три этапа:
Образование первичного транскрипта
Процессинг
Сплайсинг
Трансляция- перенос информации о структуре белка с информационной РНК на синтезирующийся полипептид. (см. Приложение 10) Этот процесс осуществляется в цитоплазме на рибосоме. Трансляция происходит в четыре этапа. На первой стадии аминокислоты активируются специальным ферментом - аминоацилом Т-РНК-синтетазой. Для этого процесса используется энергия в виде АТФ. Затем образуется миноациладенилат. После этого следует процесс примыкания активированной аминокислоты к транспортной РНК, при этом выделяется АМФ. Далее во время третьего этапа, образованный комплекс связывается с рибосомой. Затем включаются аминокислоты в структуру белка в определенной последовательности, после чего транспортная РНК высвобождается.
Энергетический обмен
Энергетический обмен, так же называют катаболизмом. Пластический и энергетический обмен очень связанны, ведь для осуществления пластического обмена (анаболизма), необходима энергия, которая получается клеткой за счет катаболизма. С помощью этого процесса клетка синтезирует нужные нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и т.п. Энергетический обмен- это процесс, в течении которого вещества, обладающие сложную структуру, расщепляются в наиболее простые или окисляются, из-за чего же организм приобретает энергию, требуемую для существования. Всего существуют три этапа энергетического обмена:
Подготовительный этап
Анаэробный этап- гликолиз (без участия кислорода)
Аэробный этап- клеточное дыхание (с участием кислорода)
Подготовительный этап
Во время этого этапа полимеры преобразуются в мономеры, то есть такие соединения, как белки, углеводы и липоиды, расщепляются на более простые. Этот процесс происходит вне клетки, в органах пищеварительной системы. Кислород на этом этапе энергетического обмена не требуется. В итоге реакций, белок распадается на аминокислоты, сложные углеводы - в простые моносахариды и липиды - на глицерин и высшие кислоты. Так же этот этап протекает и в лизосомах клетки.
Анаэробный этап
Этот этап иначе называют брожением или гликолизом. Образовавшиеся в подготовительном этапе вещества - глюкоза, аминокислоты и др. - подвергаются последующему ферментативному распаду без участия кислорода. В основном углеводы подвергаются брожению. В ходе химических реакций, применяемых на данной стадии катаболизма, образуются спирты, углекислый газ, ацетон, органические кислоты, в отдельных случаях водород и прочие вещества. Гликолиз - процесс расщепления глюкозы в анаэробных условиях до пировиноградной кислоты (ПВК), далее до молочной, уксусной, масляной кислот или этилового спирта, протекающий в цитоплазме клетки. В ходе бескислородного расщепления часть выделяемой энергии рассеивается в виде тепла, а часть запасается в молекулах АТФ. В клетках животных и грибов распространена реакция, в результате которой выделяется пировиноградная кислота.
Основная химическая реакция, на данном этапе выглядит так:
С6Н12О6 = 2С3Н4О3 + (4Н) + 2АТФ
В результате этого процесса образуется две молекулы АТФ.
Аэробный этап
Этот этап осуществляется в митохондриях.(см. Приложение 11) В данной стадии осуществляется окисление веществ, за счет чего освобождается определенный объем энергии. В этом же процессе кислород принимает участие. Кислород перемещается с помощью эритроцитов, содержащих гемоглобин. Полученные в предыдущих этапах вещества расщепляются клеткой до самых простых, то есть до углекислого газа и воды. Ферменты, содержащиеся в лизосомах, окисляют органические соединения в клетке. АДФ - аденозиндифосфат- вещество, которое также необходимо для получения энергии, вследствие клеточного дыхания. Основная химическая реакция, на данном этапе выглядит так:
2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ
В результате этого процесса образуются 36 молекул АТФ.
Можно заметить из данного уравнения, что энергии на этом этапе выделается немалое количество. Кроме того на данной стадии может осуществляться реакция полного окисления пировиноградной кислоты, вследствие которого также выделяется энергия, однако в меньшем количестве.
Следовательно, при полном расщеплении одной молекулы глюкозы клетка может синтезировать 38 молекул АТФ (2 молекулы в процессе гликолиза и 36 молекул в ходе аэробного этапа). (см. Приложение 12)
Общее уравнение аэробного дыхания можно записать следующим способом:
С6Н1206 + 602 + 38АДФ + 38Н3Р04 > 6С02 + 6Н20 + 38АТФ.
Заключение
Клетка- это высокоорганизованная единица жизни. Через клетки совершается поглощение, преобразование, запасание и применение веществ и энергии. Именно в клетке совершаются такие процессы, как дыхание, ферментация, фотосинтез, дупликация генетического материала. И такие процессы происходят, как в простых по структуре организмах (одноклеточные), так и в сложных по структуре организмах (многоклеточные). Жизнь всех организмов зависит от их клеток.
Приложение
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
Приложение 6
Приложение 7
Приложение 8
Приложение 9
Обмен веществ и энергии (метаболизм) осуществляется на всех уровнях организма: клеточном, тканевом и организменном. Он обеспечивает постоянство внутренней среды организма - гомеостаз - в непрерывно меняющихся условиях существования. В клетке протекают одновременно два процесса - это пластический обмен (анаболизм или ассимиляция) и энергетический обмен (фатаболизм или диссимиляция).
Пластические обмен- это совокупность всех процессов синтеза, когда из простых веществ образуется сложные при этом затрачивается энергия.
Энергетический обмен- это совокупность всех процессов расщепления, когда из сложных веществ образуется простые и при этом выделяется энергия.
Гомеостаз- поддерживается балансом между пластическим и энергетическим обменом. Если этот баланс нарушается, то в организме или его части возникают патологии(болезни).
Метаболизм- происходит при нормальной температуре, давлении и определенной РН среде
11.Энергетический обмен в клетке.
Энергетический обмен - это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Синтезированная АТФ становится универсальным источником энергии для жизнедеятельности организмов.
Этапы энергетического обмена:
1. Подготовительный- на нем сложные вещества расщепляются до простых, например полисахариды до моносахарид. Этот этап происходит в цитоплазме, при нем выделяется энергия, но очень мало поэтому энергия рассеивается в виде тепла.
2. Безкислородный- в лизосомах, на этом этапе продолжается расщепление веществ до более простых без участия кислорода с выделением двух молекул АТФ
3. Кислородный- на нем продолжается расщепление веществ с участием кислорода до конечных продуктов (углекислый газ и вода) с выделением 36 АТФ. Этот процесс происходит в митохондриях.
Питание клетки. Хемосинтез
Питание клетки происходит в результате 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 можно разделить на 2 группы:
1. Автотрофный тип питания- к ним относятся организмы, которые сами себе синтезируют органические соединения из неорганических.
2 вида автотрофов:
Фотосинтетики- это автотрофы которые используют энергию солнечного света (растения, цианобактерии, простейшие)
Хемосинтетики - это организмы, которые используют энергию химических связей. К этому типу относятся практически все бактерии (азотофиксаторы, серобактерии, железобактерии)
Хемосинтез был открыт Виноградовым.
Хемосинтез - способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из CO2 служат реакции окисления неорганических соединений. Подобный вариант получения энергии используется только бактериями или археями.
2.Гетеротрофный тип питания - характерен для организмов которые питаются готовыми органическими соединениями.
Сопрофиты -это гетеротрофы которые питаются мертвыми тканями или организмами(вороны, стервятники, гиены..)
Растительно ядные- гетеротрофы которые писаются растительными организмами (травоядные)
Плотоядные (хищники)- гетеротрофы, которые отлавливают и поедают другие организмы(насекомоядные)
Всеядные- употребляют растительную и животную пищу
3.Миксотрофный тип питания- объединяет автотрофный и гетеротрофный тип питания (росянка, евглена зеленая)
Фотосинтез
Фотосинтез-это сложный процесс образования их неорганических веществ засчет энергии солнечного света. Главным органом фотосинтеза является лист т. к. в нем больше всего хлоропластов и его форма подходит больше всего для восприятия солнечного света.
Фазы фотосинтеза:
1.Световая фаза-включает в себя 2 основных процесса фотолиз воды и нециклическое фосфорилирование.
Тилакоиды- это уплощенные мембранные мешочки на которых располагаются пигменты хлорофилы и особый переносчик электронов который называется цитохром.
На тилакоидах распологаются 2 фото системы:
Фотосистема 1 содержит хлорофилл а1 который воспринимает квант света длиной 700 нанометров
Фотосистема 2 содержит хлорофилл а2 который воспринимает квант света длиной 680 нанометров
Когда квант света попадает на фотосистему 1, электроны хлорофилла а1 возбуждаются и передаются на такой процесс как фатолиз воды т. е. Вода расщепляется до водорода и гидроксогруппы. Водород идет на восстановление вещества. Образовавщаяся гидроксогруппа накапливается и преобразуется в воду и кислород который покидает клетку.
Когда квант света попадает на фотосистему 2 электроны хлорофилла под воздействием света возбуждаются и к молекуле АДФ засчет энергии присоединяется остаток фосфорной кислоты в итоге получается молекула АТФ.
Световая фаза происходит на тилакодах, где образуется энергия необходимая для образования органических веществ.
Темновая фаза - протекает в строме независимого от солнечного света. Здесь в ходе сложных реакций засчет образовавшейся энергии углекислый га преобразуется в глюкозу. Эти реакции называются цикл Кальвина.
Генетический код
Это свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов
В состав ДНК могут входить 4 азотистых основания:
Аденин, Гуанин, Тимин, Цитозин
ДНК может кодировать 64 аминокислоты
Свойства:
1. Вырожденность- повышает надежность хранения и передачи генетической информации при делении клеток
2. Специфичность - 1 триплет всегда кодирует только 1 аминокислоту
Генетический ко универсален для всех живых организмов от бактерии до человека
15. Транскрипция и трансляция
Синтез белка включает в себя 2 этапа:
1. Транскрипция- это перепись информации с молекулы ДНК на информационную РНК
Этот процесс протекает в ядре с участием фермента РНК полимеразы. Данный фермент определяет начало и конец синтеза. Началом является специфическая последовательность нуклеотидов которая называется промотором. Конец также является последовательностью нуклеотидов которая называется терминатор.
Транскрипция начинается с определения участка молекулы ДНК, откуда будет списываться информация
Затем этот участок раскручивается по принципу комплементарности к одной цепочке ДНК строится информационное РНК. После завершения синтеза ДНК снова закручивается.
2. Трансляция- это перевод последовательности туклеотидов информационной РНК в последовательность аминокислот
Транспортное РНК переносит информационную РНК к рибосоме. Здесь информационное РНК встраивается в малую субъединицу рибосомы, но в нее помещается только 2 триплета поэтому в ходе синтеза информационное РНК передвигается в большую субъединицу, транспортное РНК переносит аминокислоты, если аминокислота подходит, то она отделяется от транспортной РНК и присоединяется к другим аминокислотам по принципу пептидных связей.
Транспортное РНК покидает рибосому, а в большую субъединицу входят новые транспортные РНК
Если же аминокислота не подходит по принципу комплементарности к информации в малой субъединице,то это транспортное РНК с аминокислотой покидает рибосому
Начало синтеза белка обозначается аденин, урацил, гуанин, а заканчиваются стоп кадоном
Когда синтез белка заканчивается, первичная структура белка отделяется от рибосомы и белок принимает нужную структуру
Жизненный цикл клетки
Клеточный цикл - это период существования клетки от момента её образования путем деления материнской клетки до собственного деления или гибели.
Интерфаза - фаза в жизненном цикле между двумя делениями клетки. Она характеризуется активными процессами обмена веществ, синтезом белка, РНК, накоплением питательных веществ клеткой, ростом и увеличением объема. В середине интерфазы происходит удвоение ДНК (репликация). В результате каждая хромосома содержит 2 молекулы ДНК и состоит из двух сестринских хроматид, которые сцеплены центромерой и образуют одну хромосому. Клетка подготавливается к делению, удваиваются все ее органоиды. Продолжительность интерфазы зависит от типа клеток и в среднем составляет 4/5 от общего времени жизненного цикла клетки. Деление клетки. Рост организма осуществляется за счет деления его клеток. Способность к делению - важнейшее свойство клеточной жизнедеятельности. Делясь, клетка удваивает все свои структурные компоненты, и в результате возникают две новые клетки. Наиболее распространенным способом деления клетки является митоз - непрямое деление клетки. Митоз - процесс образования двух дочерних клеток, идентичных исходной материнской клетке. Он обеспечивает возобновление клеток в процессе их старения. Митоз состоит из четырех последовательных фаз:
1.Профаза- образование хромосом с двумя хроматидами, разрушение ядерной оболочки.
2.Метофаза-образование веретена деления, укорочение хромосом, формирование экватериальной клетки
3.Анафаза- разделение хроматид, расхождение их к полюсам вдоль волокон веретена деления
4.Телофаза- Исчезновение веретена деления, образование ядерных мембран, диспирализация хромосом.
Митоз. Амитоз
Митоз - это процесс непрямого деления соматических клеток эукариот, в результате которого наследственный материал сначала удваивается, а затем равномерно распределяется между дочерними клетками. Он является основным способом деления клеток эукариот. Продолжительность митоза у животных клеток составляет 30-60 мин, а у растительных - 2-3 ч. Состоит из 4 основных фаз:
1. Профаза- начинается со сперализации цепочек ДНК до хромосом, разрушается ядрышки и ядерная оболочка, хромосомы начинают свободно плавать в цитоплазме.В конце профазы начинает формироваться веретено деления
2. Метофаза- хромосомы выстраиваются строго на экваторе в виде метофазной пластинки. Нити веретена деления, которое уже полностью сформировалось, проходят через цинтромеры хромосом деля хромосому на 2 хроматиды
3. Анафаза- Здесь нити веретена деления разделяют и расстягивают к различным полюсам хроматиды. Веретено деления начинают разрушаться.
4. Телофаза Здесь на полюсах клетки хроматиды диспералицируются, покрываются ядерной оболочкой и начинается деление цитоплазмы и самой клетки.
В итоге митоза образуется 2 одинаковые диплоидные клетки.
Кариокенез- это деление ядра
Цитокенез- это деление цитоплазмы и самой клетки
Амитоз- это прямое деление ядра в реультате которого образуется клетка с двумя ядрами, такой тип характерен для клеток мышц и соединительных тканей
Это необходимо для полноценной организации работы клетки
Если вдруг такая клетка разделится, то новые клетки будут содержать неполный генетический набор, что приведет к их гибели или сделает патогеном.
Мейоз
Это непрямое деление половых клеток в результате которого образуется 4 гаплоидных дочерних клетки с различными генетическими материалами. Это основной этап образования половых клеток.
Биологическое значение мейоза:
1. Благодаря мейозу образуется генетически разные гаметы
2. Поддерживается постоянство диплоидного набора хромосом в соматических клетках
3. Благодаря мейозу из 1 клетки получается 4 новых клетки
Мейоз включает в себя 2 деления:
Редукционное- во время этого деления уменьшается количество хромосом
Эквационное- протекает также как митоз
Интерфаза проходит также как и у митоза т е удваивается ДНК в ядре делящейся клетки.
1 деление мейоза
Профаза -самая сложная и долгая фаза мейоза т к здесь появляется 2 дополнительных процесса.
1- Коньюгация -это тесное сближение гомологичных хромосом в результате чего образуется 4 хроматиды объедененных 1 центрамерой и такая структура будет называться бивалентом. Затем между хромосомами которые объеденены в бивалент идет кроссинговер.
2- Кроссинговер- обмен участками хромосом. В результате этих процессов идет 1 рекомбинация генов
Метофаза - здесь на экваторе клетки биваленты образуют метофазную пластинку, через центромеры которых также проходят нити веретена деления
Анафаза- в отличии от митоза здесь к полюсам клетки расходятся целые хромосомы. Здесь проходят 2 рекомбинации генов
Телофаза -у животных и некоторых растений начинает раскручиваться хромосомы, на полюсах покрываться ядерной оболочкой и расщепляться на 2 клетки(только у животных)
У растений после анафазы сразу идет профаза 2
Интерфаза - характерна только для животных, в отличии от интерфазы митоза здесь не идет увеличение наследственной информации
2 деление мейоза включает в себя профазу, метофазу, телофазу, анафазу, которые протекают точно также как в митозе но с меньшим количеством хромосом.
Бесполое размножение.
Это тип размножения, который характеризуется:
2. участвует 1 особь
3. происходит при благоприятных условиях
4. все организмы получаются одинаковыми
5. сохраняет свойства и признаки стабильно не изменяющихся условий
Биологическое значение:
1. необходимо для возникновения организмов с идентичными анатомическими свойствами
2. в эволюционном плане бесполое размножение не выгодно, но благодаря этому размножению в короткие сроки увеличивается количество особей внутри популяции
Типы бесполого размножения:
Митотическое деление- происходит благодаря митозу (амеба,водоросли,бактерии..)
Спорообразование- осуществляется посредством спор- специализированные клетки грибов и растений. Если у споры есть жгутик, то ее называют зооспорой и она характерна для водной среды (споровики, грибы, лишайники..)
Кочкование- на материнской особи происходит образование выроста- почки (содержит дочернее ядро) из которого развивается новая особь.Почка растет и достигает размеров материнской особи, только затем отделяется от нее(Гидра, дрожжевые грибы, сосущая инфузория)
Вегетативное -характерно для многих групп растений, новая особь развивается либо из особых структур либо из части материнской особи.
У некоторых многоклеточных животных также есть вегетативное размножение (губки, морские звезды, плоские черви)
Половое размножение
Характеристика:
1.участвует 2 организации
2.участвуют половые клетки
3. дети получаются разнообразными
4. в эволюционном плане появилось позже бесполого
5. происходит при неблагоприятных условиях
Биологическое значение:
1. потомство лучше приспасабливается к изменяющимся условиям окружающей среды и более жизнеспособное
2. возникают новые организмы
Патеногенез(девственное размножение)
Дочерние организмы развиваются из не оплодотворенных яйцеклеток.
Значение патеногенеза:
1. Размножение возможно при редких контактах разнополых организмов
2. Необходимо для максимального увеличения численности в популяциях с высокой смертностью
3. Для сезонного увеличения численности в некоторых популяциях
1. Облигатный(обязательный)- встречается в популяциях, где исключительно женские особи.(кавказская скалистая ящерица)
2. Циклический(сезонный)- характерен для тли, планктона, дафний, Встречается в популяциях которые истерически вымирают в определенный сезон.
3. Фокультативный(не обязательный) - встречается у общественных насекомых. Из неоплодотворенных яйцеклеток появляются самци т е рабочие насекомые из оплодотворенных появляются самки.
Развитие половых клеток
Гаметогенез
Гаметы- это половые клетки при слиянии которых образуется зигота из которой развивается новый организм.
Отличие соматических клеток от половых:
1 гаметы несут гаплоидный набор хромосом, а соматические диплоидный
2.гаметы не делятся, а соматические делятся
3. гаметы, особенно яйцеклетки более крупные чем соматические клетки
Гаметогенез- это образование половых клеток, которые протекают в половых железах-генадах(яичники, семянники)
Оогенез- гаметогенез, который происходит в женском организме и приводит к образованию женских половых клеток(яйцеклетки)
Сперматогенез- гаметогенез, который происходит в мужском организме и приводит к образованию мужских половых клеток (сперматозоиды)
Гаметогенез состоит из нескольких стадий:
1. Размножение- Здесь из первичных половых клеток, которые называются сперматогонии и овогонии, путем митоза увеличивается кол-во будущих гамет. Сперматогонии размножаются в течении всего репродуктивного периода в мужском организме.
В женском организме 1 стадия протекает между 2 и 5 месяцами внутриутробного развития.
2. Рост- первичные половые клетки увеличиваются в размерах и превращаются в овоциты 1 порядка и сперматоциты. Эти клетки образуются в интерфазе. На этой стадии начинается мейоз.
3. Созревание - происходят в два последавательных деления- редукционное и эквационное. В результате 1 деления мейоза образуется овоциты второго порядка и сперватоциты, после 2 деления мейоза из сперматоцитов образуется 4 спермотиды.
Из овоцитов второго порядка образуется 1 крупная яйцеклетка и 3 редукционных тельца. Это связано с тем, что вся энергия и питательные вещества идут на формирование 1 крупной гаметы и на оставшиеся 3 клетки не хватает сил для образования.
Поэтому 3 редукционных тельца в коде размножения расщепляются
4. Формирование - на этой стадии сперматиды т е сформировавшиеся до конца половые клетки растут, развиваются, преобретают жгутик и форму взрослой половой клетки. Из сперматид получаются сперматозоиды.
Сперматозоиды образованы головкой, шейкой и хвостиком.
Яйцеклетка похожа на соматическую клетку, только имеет более крупные размеры и дополнительные оболочки.
Оплодотворение
Это процесс слияния половых клеток в результате которого образуется зигота- это первая клетка нового организма
1. Наружное- при этом типе оплодотворения самка откладывает игру, а самец поливает ее семенной жидкость. Этот тип происходит только в водной среде. Не требуется специальных половых структур, вырабатывается большое кол-во наследственного материала и выживаемость потомства минимальна.
2.Внутреннее- при этом типе мужские половые клетки помещаются в половые пути самки. Для этого типа необходимы специальные половые структуры. Вырабатывается меньше наследственного материала. Выживаемость потомства повышается. Как только мужские половые клетки попадают в половые пути самки, они целенаправлено движутся к яйцеклетке, когда 1 из сперматозоидов проникает в яйцеклетку, оболочки ее уплотняются и она становится не досигаемой для других сперматозоидов. Это необходимо для поддержания диплоидности организмов.
Двойное оплодотворение
Характерно только для покрыто семянных растений. В тычинках первичные мужские половые клетки делятся путем мейоза, образуя 4 мкироспоры, каждая микроспора еще раз делится на 2 клетки(вегетативную и генеративную)
Эти клетки покрываются двойной оболочкой, образуя пыльцевое зерно
В пестике из первичной женской клетки путем мейоза формируется 1 мегаспора и 3 клетки отмирают. Получившаяся мегаспора еще делится на 2 клетки, 1 занимает центральное место в завизи, а 2 опускается вниз
Пыльцевое зерно попадает на рыльцо пестика, вегетативная клетка прорастает, образуя пыльцевую трубку до завизи. По этой трубке спускается генеративная клетка, причем она делится на 2 спермия. 1 спермий оплодотворяет центральную клетку из которой формируется эндосперм.
2 спермий оплодотворяет вторую клетку из которой развивается зародыш.
Онтогенез
Это индивидуальное развитие зиготы(организма) до его смерти. Термин был установлен в 1866 г Эрнестом Геккелем
У млекопитающих отногенез регулируется нервной и эндокринной системой
1. Личиночное- при этом типе выходя из яйцевых оболочек организм какой-то период находится на стадии личинки, затем подвергается метаморфозу(превращение во взрослую особь)
2. Яйцекладный- при этом типе развития организм долгое время находится в яйцевых оболочках и здесь отсутствует личиночная стадия
3. Внутриутробное- здесь развитие организма протекает внутри материнского организма
Периоды онтогенеза:
1. Эмбриональный(внутриутробный) от зачатия до рождения
2. Постэмбриональный- от рождения о смерти
Эмбриональный период
3 стадии развития
1. Дробление
Начинается спустя несколько часов после оплодотворения. Здесь зигота начинает делиться митотически на 2 клетки(бластомеры) Эти клетки не расходятся и не растут. Затем эти клетки снова делятся и образуют 4 клетки так продолжается до тех пор пока не образуется 32 клетки, пока не сформируется морула- это зародыш, состоящий из 32х мелких клеток напоминающий ягоду малину и размером такая как зигота.
Эта морула спускается по яйцеводу в полость матки и инплонтируется в ее стенку. Это происходит спустя 6 часов после оплодотворения.
Затем клетки морулы продолжают делиться и образуется бластула- это зародыш, состоящий из нескольких сотен клеток, расположенных в 1 слой, Бластула имеет полость и размер ее такой же как у зиготы
2. Гаструляция
Содержит бластулу и гаструлу
Бластула продолжает делиться и на одном конце деление клеток идет более интенсивно. Это приводит к впячиванию этих клеток во внутрь бластулы т е образуется гаструла
Гаструла- это двуслойный зародыш имеющий первичный рот который у млекопитающих и высших организмов в ходе развития превращается в анальное отверстие. А истинный рот формируется с другого конца. Полость гаструлы является первичной клеткой.
Наружний слой клеток-это эКтодерма(1 зародышевый лист)
Внутренний слой клеток это эНтодерма(2 зар лист)
Затем между эКтодермой и эНтодермой симметрично с двух концов от первичного рта формируется 3 зародышевый лист(мезодерма)
3.Органогенез
На этой стадии формируется нейрула, на спинной части зародыша наружний слой клеток формирует желобок, который смыкается и формирует нервную трубку. Параллельно с этим процессом из эНтодермы образуется кишечная трубка. А из мезодермы формируется хорда. Из эКтодермы формируется нервная система и органы чувств, также похробный эпителий и его производные (волосы, ногти)
эНтодерма -образует пищеварительную систему и пищеварительные железы, дыхательную систему, щитовидную железу.
4. Мезодерма
Образуется опорно двигательный аппарат, кровеносная, выделительная,половая системы.
Постэмбриональный период
Постэмбриональное развитие может идти двумя путями:
Прямым и непрямым: с полным и неполным превращением
Прямое развитие- характерно для птиц, рыб, млекопитающих, человека. Новая особь рождаясь выходя из яйцевых оболочек похожа на взрослую особь, но небольших размеров, с другими пропорциями, с недоразвитой нервной и половой системой, а также могут отличаться покровы.
Во время постэмбрионального развития доразвиваются нервная и половая системы. Изменяется покров и организм подвергается обучению и воспитанию.
Непрямое развитие- при этом типе в постэмбриональном развитии присутсвует стадия личинки. Личинка мало похожа или вовсе не похожа на взрослую особь. Она интенсивно растет, развивается и употребляет много пищи.
При этом типе непрямого развития организм выходя из яйца проходит стадию личинки, которая превратится в куколку и личинка полностью разрушится до органических соединений из которых будет строиться новый организм.Из куколки выходит взрослая особь(имаго)
яйцо-личинка-куколка-имаго
С неполным превращением развитие идет амфибий и некторых насекомых
Здесь отсутствует куколка и метаморфоз происходит в течении стадии личинки.
Яйцо-личинка-взрослая особь
26.Положение человека с системе животного мира .
Все живые организмы на Земле представляют собой открытые системы, способные активно организовывать поступление энергии и вещества извне. Энергия необходима для осуществления жизненно важных процессов, но прежде всего для химического синтеза веществ, используемых для построения и восстановления структур клетки и организма. Живые существа способны использовать только два вида энергии: световую (энергию солнечного излучения) и химическую (энергию связей химических соединении) – по этому признаку организмы делятся на две группы – фототрофы и хемотрофы.
Главным источником структурных молекул является углерод. В зависимости от источников углерода живые организмы делят на две группы: автотрофы, использующие не органический источник углерода (диоксид углерода), и гетеротрофы, использующие органические источники углерода.
Процесс потребления энергии и вещества называется питанием. Известны два способа питания: голозойный – посредством захвата частиц пищи внутрь тела и голофитный – без захвата, посредством всасывания растворенных пищевых веществ через поверхностные структуры организма. Пищевые вещества, попавшие в организм, вовлекаются в процессы метаболизма.
Метаболизм представляет собой совокупность взаимосвязанных и сбалансированных процессов, включающих разнообразные химические превращения в организме. Реакции синтеза, осуществляющиеся с потреблением энергии, составляют основу анаболизма (пластического обмена или ассимиляции).
Реакции расщепления, сопровождающиеся высвобождением энергии, составляют основу катаболизма (энергического обмена или диссимиляции).
1. Значение АТФ в обмене веществ
Энергия, высвобождающая при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфата (АТФ). По своей химической природе АТФ относится к мононуклеотидам и состоит из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.
Энергия, высвобождающаяся при гидролизе АТФ, используется клеткой для совершения всех видов работы. Значительные количества энергии расходуются на биологические синтезы. АТФ является универсальным источником энергообеспечения клетки. Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования, происходящему с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе. АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 минуты).
2. Энергетический обмен в клетке. Синтез АТФ
Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения неорганического фосфата к АДФ. Энергия для фосфорилирования АДФ образуется в ходе энергетического обмена. Энергетический обмен, или диссимиляция, представляет собой совокупность реакции расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. В зависимости от среды обитания диссимиляция может протекать в два или три этапа.
У большинства живых организмов – аэробов, живущих в кислородной среде, - в ходе диссимиляции осуществляется три этапа: подготовительный, бескислородный, кислородный. У анаэробов, обитающих в среде лишенной кислорода, или у аэробов при его недостатке, диссимиляция протекает лишь в два первых этапа с образованием промежуточных органических соединений, еще богатых энергией.
Первый этап – подготовительный – заключается в ферментативном расщеплении сложных органических соединении на более простые (белков на аминокислоты; полисахаридов на моносахариды; нуклеиновых кислот на нуклеотиды). Внутриклеточное расщепление органических веществ происходит под действием гидролитических ферментов лизосом. Высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде теплоты, а образующиеся малые органические молекулы могут подвергнутся дальнейшему расщеплению и использоваться клеткой как «строительный материал» для синтеза собственных органических соединений.
Второй этап – неполное окисление – осуществляется непосредственно в цитоплазме клетки, в присутствии кислорода не нуждается и заключается в дальнейшем расщеплении органических субстратов. Главным источником энергии в клетке является глюкоза . Бескислородное, неполное расщепление глюкозы, называют гликолизом.
Третий этап – полное окисление – протекает при обязательном участие кислорода. В его результате молекула глюкозы расщепляется до неорганического диоксида углерода, а высвободившаяся при этом энергия частично расходуется на синтез АТФ.
3. Пластический обмен
Пластический обмен, или ассимиляция, представляют собой совокупность реакций, обеспечивающих синтез сложных органических соединений в клетке. Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи. Гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул.
Органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) --> пищеварение --> Простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахара) --> биологические синтезы -->
Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды. В процессе автотрофной ассимиляции реакции фото- и хемосинтеза, обеспечивающие образование простых органических соединений, предшествует биологическим синтезам молекул макромолекул:
Неорганические вещества (углекислый газ, вода) --> фотосинтез, хемосинтез --> Простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахара)-----биологические синтезы --> Макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы)
4. Фотосинтез
Фотосинтез – синтез органических соединении из неорганических, идущий за счет энергии клетки. Ведущую роль в процессах фотосинтеза играют фотосинтезирующие пигменты, обладающие уникальным свойством – улавливать свет и превращать его энергию в химическую энергию. Фотосинтезирующие пигменты представляют собой довольно многочисленную группу белково-подобных веществ. Главным и наиболее важным в энергетическом плане является пигмент хлорофилл а , встречающиеся у всех фототрофов, кроме бактерии-фотосинтетиков. Фотосинтезирующие пигменты встроены во внутреннюю мембрану пластид у эукариот или во впячивания цитоплазматической мембраны у прокариот.
В процессе фотосинтеза кроме моносахаридов (глюкоза и др.), которые превращаются в крахмал и запасаются растением, синтезируются мономеры других органических соединении – аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Таким образом, благодаря фотосинтезу растительные, а точнее – хлорофиллосодержащие, клетки обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.
5. Хемосинтез
Хемосинтез также представляет собой процесс синтеза органических соединении из неорганических, но осуществляется он не за счет энергии света, а за счет химической энергии, получаемой при окислении неорганических веществ (серы, сероводорода, железа, аммиака, нитрита и др.). Наибольшее значение имеют нитрифицирующие, железо- и серобактерии.
Высвобождающаяся в ходе реакций окисления энергия запасается бактериями в виде АТФ и используется для синтеза органических соединений. Хемосинтезирующие бактерии играют очень важную роль в биосфере. Они участвуют в очистке сточных вод, способствуют накоплению в почве минеральных веществ, повышают плодородие почвы.