Обмен веществ и превращение энергии в клетке.

Обмен веществ и энергии, или метаболизм (перемена), - процесс, который лежит в основе всех явлений жизни.

Все известные науке живые организмы представляют собой открытые системы, постоянно обменивающиеся веществом и энергией с окр.средой. Энергия нужна для биосинтеза сложных органических веществ, свойственных каждой клетке (аминокислоты, сахара, липиды, белки, нуклеиновые кислоты), которые используются для построения различных клеточных структур и обеспечения процессов жизнедеятельности. Для получения энергии многие живые организмы расщепляют и окисляют сложные органические соединения.

Клетка, так же как и организм, - открытая живая система, поэтому она может функционировать только в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой.

Обмен веществ осуществляется в три этапа:

· Поступление веществ в клетку;

· Использование этих веществ клеткой;

· Выделение конечных продуктов обмена в окружающую среду.

Процесс использования поступивших в клетку веществ представляет собой совокупность всех химических реакций, протекающих в клетке.

Различают две стороны обменных процессов: пластический и энергетический обмены.

Пластический обмен (подъём), представляет собой совокупность реакций биосинтеза (фотосинтез, биосинтез белка, хемосинтез), протекающих с затратами энергии и обеспечивающих клетку структурным материалом.

Энергетический обмен (сбрасывание, разрушение), - это совокупность биохимических реакций расщепления и окисления сложных органических веществ, обеспечивающих клетку энергией.

Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны между собой: все реакции пластического обмена требуют затрат энергии, накопленной в процессе энергетического обмена, а для протекания реакций энергетического обмена необходимы органические вещества и ферменты (образуемые в процессе пластического обмена).

28.Фотосинтез

Фотосинтез – это образование органических веществ из углекислого газа и воды, на свету, с выделением кислорода.

Важную роль в этом процессе играют хлоропласты, свет, углекислый газ, вода и температура.
У высших растений фотосинтез происходит в хлоропластах – пластидах овальной формы, содержащих пигмент хлорофилл, который определяет окраску зеленых частей растения. У водорослей хлорофилл содержится в хроматофорах (пигментсодержащие и светоотражающие клетки), имеющих различную форму. У бурых и красных водорослей, обитающих на значительной глубине, куда затруднен доступ солнечного света, имеются другие пигменты.
Фотосинтезирующие организмы находятся в составе автотроф (организмов, синтезирующих органические вещества из неорганических) и располагаются в самом низу пищевой пирамиды, поэтому является источником пищи для всего живого на планете.
Выделяющийся при фотосинтезе кислород поступает в атмосферу. В верхних слоях атмосферы из кислорода образуется озон. Озоновый экран защищает поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения, что сделало возможным выход живых организмов на сушу.
Кислород необходим для дыхания растений и животных. При окислении глюкозы с участием кислорода в митохондриях запасается почти в 20 раз больше энергии, чем в его отсутствие. Это делает использование пищи гораздо более эффективным, что привело к высокому уровню обмена веществ у птиц и млекопитающих.

Ход фотосинтеза:

Свет, участвующий в процессе фотосинтеза, попадает в хлоропласты – внутриклеточные полуавтономные органеллы, содержащие зеленый пигмент. Под действием солнечного света хлоропласты вытягивают воду из почвы, разделяя ее на водород и кислород.
Во время фотосинтеза протекают два процесса. Фотосинтез в листьях начинается после того, как они впитают воду и углекислый газ.
Световая энергия собирается в специальные отсеки хлоропластов, называемые тилакоиды, а затем делит молекулу воды на кислород и водород.
Часть кислорода вырабатывается в атмосферу, а часть идет на дыхание растения. После чего углекислый газ в пиреноидах (белковых гранулах, окруженных крахмалом) смешивается с водородом и образует молекулы сахара. В результате этой реакции также выделяется кислород.
Соединяя сахар с добываемыми из почвы азотом, серой и фосфором, зеленые растения производят крахмал, жиры, белки, витамины и другие сложные соединения, необходимые для их жизни.

Хотя в абсолютном большинстве случаев фотосинтез протекает под воздействием солнечного света, в нем также может участвовать и искусственное освещение.

Условия для фотосинтеза
Фотосинтез может происходить как под действием искусственного света, так и солнечного. Как правило, на природе растения интенсивно «работают» в весенне-летний период, когда необходимого солнечного света много. Осенью света меньше, день укорачивается, листья сначала желтеют, а потом опадают. Но стоит появиться весеннему теплому солнцу, как зеленая листва вновь появляется и зеленые «фабрики» снова возобновят свою работу, чтобы давать кислород, такой необходимый для жизни, а также множество других питательных веществ.

Фазы фотосинтеза
Фотосинтез – процесс довольно сложный и включает две фазы: световую, которая всегда происходит исключительно на свету, и темновую. Все процессы происходят внутри хлоропластов на особых маленьких органах - тилакодиах. В ходе световой фазы хлорофиллом поглощается квант света, в результате чего образуются молекулы АТФ и НАДФН. Вода при этом распадается, образуя ионы водорода и выделяя молекулу кислорода. Возникает вопрос, что это за непонятные загадочные вещества: АТФ и НАДН?

АТФ – это особые органические молекулы, которые имеются у всех живых организмов, их часто называют «энергетической» валютой. Именно эти молекулы содержат высокоэнергетические связи и являются источником энергии при любых органических синтезах и химических процессах в организме. Ну, а НАДФН – это собственно источник водорода, используется непосредственно при синтезе высокомолекулярных органических веществ - углеводов, который происходит во второй, темновой фазе фотосинтеза с использованием углекислого газа.

Cветовая фаза фотосинтеза
В хлоропластах содержится очень много молекул хлорофилла, и все они поглощают солнечный свет. Одновременно свет поглощается и другими пигментами, но они не умеют осуществлять фотосинтез. Сам процесс происходит лишь только в некоторых молекулах хлорофилла, которых совсем немного. Другие же молекулы хлорофилла, каротиноидов и других веществ образуют особые антенные, а также светособирающие комплексы (ССК). Они, как антенны, поглощают кванты света и передают возбуждение в особые реакционные центры или ловушки. Эти центры находятся в фотосистемах, которых у растений две: фотосистема II и фотосистема I. В них имеются особые молекулы хлорофилла: соответственно в фотосистеме II - P680, а в фотосистеме I - P700. Они поглощают свет именно такой длины волны(680 и 700 нм).

Темновая фаза фотосинтеза
Для темновой фазы фотосинтеза обязательным компонентом является углекислый газ – СО2. Поэтому растение должно постоянно его поглощать из атмосферы. Для этой цели на поверхности листа имеются специальные структуры – устьица. Когда они открываются, СО2 поступает именно внутрь листа, растворяется в воде и вступает в реакцию световой фазы фотосинтеза.

29. Особенности жизнедеятельности клеток автотрофных и гетеротрофных организмов.

По способу получения органических веществ для питания живые организмы делятся на две большие группы — автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофные организмы способны из неорганических веществ синтезировать органические. Необходимые для синтеза неорганические вещества берутся из воздуха, почвы или воды. Так, например, при синтезе используется углекислый газ, в молекулы которого входят атомы углерода. Углерод входит в состав всех органических веществ.

Для синтеза органических веществ из неорганических необходима энергия. Большинство автотрофных организмов (в том числе растения) используют энергию солнечного света. Синтез органических веществ под действием солнечного света из неорганических называется фотосинтезом. Организмы, способные к фотосинтезу, называютсяфототрофами.

Для фотосинтеза необходимо вещество хлорофилл, который у большинства растений содержится в специальных клеточных органеллах — хлоропластах.

Однако некоторые организмы (в основном ряд бактерий) получают энергию для синтеза органических веществ из неорганических из энергии химических связей различных веществ. Такие организмы называются хемотрофами, а процесс такого синтеза —хемосинтезом.

Гетеротрофные организмы получают органические вещества своего тела из поглощенных ими других органических веществ. К гетеротрофам принадлежат все животные, грибы, многие бактерии. Гетеротрофы питаются либо растениями, либо другими гетеротрофами, либо их остатками.

Если бы не было автотрофов, то гетеротрофы не смогли бы жить. Поэтому очень важно охранять растительный покров Земли. Растения дают нам не только пищу, но и кислород для дыхания.

30. Генетика -наука о наследственности и изменчивости

Предмет и основные понятия генетики. На протяжении всей истории своего существования человечество всегда интересовал вопрос о причинах сходства детей и родителей. Почему подобное рождает подобное? «Как он похож на своего отца!» – восклицают родственники, придя на день рождения и глядя на выросшего юношу. «У него абсолютный музыкальный слух!» – с гордостью сообщает его мать, обладающая таким же качеством. В голубых глазах родителей светится гордость за подрастающее поколение, а виновник торжества, невинно моргая такими же голубыми глазами, незаметно съедает приготовленные для гостей конфеты.

Мы наследуем от своих родителей не только цвет глаз и волос, форму носа и группу крови. Мы наследуем черты темперамента и особенности движений, склонность к изучению языков и способность к математике. Мы рождаемся на свет, имея свой уникальный наследственный материал, ту программу, на основе которой под влиянием факторов внешней среды мы станем такими, какие мы есть – неповторимые и в то же время похожие на предыдущие поколения.

Наследственность и изменчивость – два свойства живых организмов, неразрывно связанные друг с другом как две стороны одной медали. Закономерности наследственности и изменчивости изучает одна из самых важных областей биологии – генетика.

Наследственность – это способность живых организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития следующему поколению. Наследственность обеспечивает материальную и функциональную преемственность между поколениями, сохраняя определённый порядок в природе. Некоторые виды могут оставаться относительно неизменными на протяжении сотен миллионов лет. Например, многие современные акулы мало чем отличаются от акул, живших в раннем меловом периоде более 130 млн лет тому назад.

Клетки организмов не содержат готовых признаков взрослой особи, наследование признаков происходит на молекулярном уровне. Основными структурами, которые обеспечивают материальную основу наследственности, являются хромосомы. Строго говоря, мы наследуем не свойства, а генетическую информацию. Элементарной структурной единицей наследственности является ген – участок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, тРНК или рРНК. Генотип – это сумма всех генов организма, т. е. совокупность всех наследственных задатков.

Изменчивость – свойство, противоположное наследственности. Оно заключается в способности живых организмов приобретать в процессе индивидуального развития отличия от других особей своего и других видов.

Совокупность свойств и признаков организма, которые являются результатом взаимодействия генотипа особи и окружающей среды, называют фенотипом. Мы рождаемся с определённым цветом кожи, но стоит нам летом съездить в более южные края, как наша кожа приобретает смуглый оттенок. С возрастом светлеет радужка глаз и седеют волосы. Перенесённые в детстве болезни могут нарушить рост или развитие каких-то органов. Реализация наследственной информации находится под постоянным давлением факторов окружающей среды. Однако следует отметить, что существуют признаки, проявление которых не зависит от влияния внешней среды. Где бы мы ни жили: на севере или на юге, как бы нас ни кормили в детстве и какими бы болезнями мы ни болели, группа крови, с которой мы родились, останется неизменной на протяжении всей жизни.

У истоков генетики. Основные закономерности наследования признаков впервые были описаны во второй половине XIX в. австрийским учёным Грегором Менделем (1822–1884). Мендель не был первым учёным, который пытался ответить на вопрос: как передаются из поколения в поколение свойства и признаки? Многие исследователи до него скрещивали разнообразные организмы, стараясь увидеть какую-то систему в получаемых результатах. Стремясь добиться успеха как можно быстрее, исследователи скрещивали разные виды, получая при этом бесплодное потомство, брали для изучения сложные, трудно определяемые признаки, не вели точных математических подсчётов.

Объясняя, почему именно Мендель смог обнаружить закономерности в передаче признаков от поколения к поколению, английский генетик Шарлотта Ауэрбах сказала: «Успех работы Менделя по сравнению с исследованиями его предшественников объясняется тем, что он обладал двумя существенными качествами, необходимыми для учёного: способностью задавать природе нужный вопрос и способностью правильно истолковывать ответ природы».

Рассмотрим основные особенности работы Менделя, которые позволили ему добиться успеха:

– в качестве экспериментальных растений Мендель использовал разные сорта посевного гороха, поэтому потомство, получаемое в таких внутривидовых скрещиваниях, было плодовито;

– горох – самоопыляющееся растение, т. е. цветок защищён от случайного попадания посторонней пыльцы; при постановке нужного скрещивания Мендель удалял тычинки, чтобы исключить возможность самоопыления, а затем кисточкой переносил на пестик пыльцу другого родительского растения;

– горох неприхотлив и имеет высокую плодовитость;

– в качестве экспериментальных признаков Мендель выбрал простые качественные альтернативные признаки по типу «или-или» (цветки пурпурные или белые, семена жёлтые или зелёные); сейчас трудно сказать, что здесь сыграло основную роль – удача или гениальное предвидение, но оказалось, что каждая пара выбранных Менделем признаков контролировалась одним геном, что значительно упрощало трактовку результатов скрещивания;

– при обработке получаемых данных Мендель вёл строгий математический учёт фенотипов всех растений и семян.

В течение восьми лет Мендель экспериментировал с 22 сортами гороха, которые отличались друг от друга по семи признакам. За это время он изучил в общей сложности более 10 тыс. растений. Скрещивая различные организмы и исследуя получаемое потомство, Мендель, по сути, разработал основной и специфический метод генетики.

Гибридологический метод– это система скрещиваний в ряду поколений, дающая возможность при половом размножении анализировать наследование отдельных свойств и признаков организмов, а также обнаруживать возникновение наследственных изменений.

Результаты своих экспериментов Г. Мендель представил в 1865 г. на заседании Общества естествоиспытателей г. Брюнна (современный город Брно) и изложил в статье «Опыты над растительными гибридами». Но современники Менделя работы не оценили, и за оставшиеся 35 лет XIX в. его статью процитировали всего пять раз.

Работа Менделя значительно опередила уровень развития науки того времени. Лишь когда в 1900 г. сразу в трёх лабораториях открыли заново закономерности наследования, учёный мир вспомнил, что 35 лет тому назад они уже были сформулированы. 1900 год считается годом рождения генетики, но закономерности, установленные в своё время Грегором Менделем, справедливо носят его имя.

31. Хромосомы и гены

Хромосомы

Хромосомы содержат тысячи генов. Гены передаются от родителей потомкам. В яичниках и семенниках в результате особого клеточного деления - мейоза — образуются половые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды) с уникальным набором генов, в которых закодированы новые наследственные свойства. Индивидуальные особенности разных людей обусловлены именно различными комбинациями генов. Половые клетки содержат по 23 хромосомы. При оплодотворении сперматозоид сливается с яйцеклеткой, и восстанавливается полный набор из 46 хромосом. 1 пара хромосом, а именно половые хромосомы, отличается от остальных 22 пар. У мужчин более длинная Х-хромосо-ма объединена в пару с более короткой Y-хромосомой. У женщин имеются 2 Х-хромосомы. Присутствие XY-хромосом у зародыша означает, что это будет мальчик.

Хромосомы имеются в ядрах всех клеток. Каждая хромосома содержит наследственные инструкции - гены.

ДНК

В молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) хранится информация, необходимая для построения клеточных структур организма. Молекулы ДНК закручены в спираль и упакованы в хромосомы. Каждая молекула ДНК образует 1 хромосому. В ядрах почти всех клеток человека содержится 46 хромосом, а в ядрах половых клеток - 23 хромосомы. В молекуле ДНК 2 связанные между собой цепи закручены одна вокруг другой, образуя двойную спираль. Цепи удерживаются вместе посредством входящих в их состав азотистых оснований. Существует 4 типа оснований, и их точная последовательность в молекуле ДНК служит генетическим кодом, определяющим структуру и функции клеток.

В теле человека около 100 000 генов. 1 ген - это небольшой участок молекулы ДНК. Каждый ген содержит инструкции по синтезу 1 белка в клетке. Поскольку белки регулируют обмен веществ, получается, что именно гены управляют всеми химическими реакциями в организме, определяют строение и функции нашего тела.

Все клетки, кроме половых, содержат 46 хромосом, объединенных в 23 пары. Каждая пара состоит из 1 материнской и 1 отцовской хромосом. У парных хромосом одинаковый набор генов, представленных соответственно в 2 вариантах - материнском и отцовском. 2 варианта одного и того же гена, ответственного за определенный признак, образуют пару. В паре генов обычно один доминирует и подавляет действие другого. Например, если в материнской хромосоме присутствует доминирующий ген карих глаз, а в отцовской, - ген голубых, глаза у ребенка будут карие.

Сегодня ученые работают над проектом «Геном человека». Они стремятся определить последовательность азотистых оснований в ДНК человека, идентифицировать каждый ген и выяснить, что он контролирует.

32. Клеточный и митотический цикл клетки

Под клеточным (жизненным) циклом понимают существование клетки от момента ее появления в результате деления до другого деления или до гибели клетки.Близкое к нему понятие — митотический цикл.

Митотический цикл — это жизнедеятельность клетки от деления до следующего деления. Митотический цикл в малодифференцированных клеточных популяциях занимает около суток. Жизненный цикл может быть равен митотическому, но в отличие от него — это более широкое понятие и охватывает постмитотические популяции клеток, потерявших способность к делению с высокой степенью дифференциации.

Если клетка делится и митотический с клеточным циклом равны, то цикл означает многократное повторение некоторой последовательности событий, причем конечное завершается к началу первого следующей последовательности. Митотический цикл заканчивается телофазой с делением клетки, а новый начинается при образовании двух новых клеток. Митотический цикл состоит из митоза и интерфазы. В интерфазе различают последовательные фазы G₁, S и

G₂.G₁-фаза (пресинтетический период) — обычно самая продолжительная и следует за телофазой митоза. Она длится от 10 ч до нескольких суток: у быстро делящихся клеток она более короткая. Во время G₁-фазы происходит подготовка к удвоению хромосом, клетка интенсивно синтезирует РНК и белки, растет, увеличивается количество рибосом, митохондрий. Клетка восстанавливает размеры предшественницы. Достигнув определенных размеров, клетка вступает в следующую фазу (синтетический период), но это происходит не всегда. Часть клеток продолжает накапливать структурные элементы и не делится. Тогда G₁-фаза затягивается, и клетки могут прекратить делиться, переходя в так называемую G₀-фазу.

Клетки могут находиться в G₀-фазе длительное время, начинают расти, дифференцироваться, достигая состояния терминальной (окончательной) дифференцировки. Такая клетка обычно теряет способность к делению и в этом случае окончание клеточного периода сопровождается гибелью клетки.

В S-фазу интерфазы (синтетический период) в клетке продолжается синтез белка, но этот процесс не главный. Ведущим процессом является репликация (удвоение) ДНК, которая одновременно идет во многих точках ДНК (репликонах). Начинается также удвоение центриолей в клеточном центре. В большинстве клеток синтетический период длится 8…12 ч. К окончанию синтетического периода в клетке имеется тетраплоидный набор ДНК и удвоенный набор центриолей.

В G₂-фазу интерфазы (постсинтетический период) синтез РНК снижается, продолжается остаточный синтез белка и накапливается энергия для митоза. В этот период синтезируются белки, необходимые для нормального деления клетки, в том числе тубулины — белки микротрубочек. В клетке тетраплоидный набор ДНК. Дочерние центриоли увеличиваются в размерах и достигают размеров зрелых органелл. Эта фаза длится 2…4 ч.

33. Пролиферация клеток

Пролиферация- увеличение числа клеток путем митоза, которое приводит к росту и обновлению ткани. Интенсивность пролиферации регулируется веществами, которые вырабатываются как внутри клеток, так и вдали от клеток. Современные данные свидетельствуют о том, что одним из регуляторов пролиферации на клеточном уровне являются кейлоны.

Кейлоны – гормоноподобные вещества, являющиеся полипептидами или гликопротеинами. Они образуются всеми клетками и внутри клеток высших организмов, обнаружены в различных жидкостях организма, в том числе и в моче. Кейлоны подавляют митотическую активность клеток. Так же они участвуют в регуляции роста тканей, заживлении ран, иммунных реакциях.

Гормональные механизмы– дистантные регуляторы пролиферации на организменном уровне. Например, уровень эритроцитов в высокогорных районах повышается за счет секреции в специализированных клетках почек гормона эритропоэтина. У жителей высокогорья количество эритроцитов больше, чем у людей, живущих на равнине.

Кроме того, существуют гипотезы о причинах, побуждающих клетку делиться. Например:

- объемная – клетка, достигнув определенного объема, делится. Изменяются ядерно–цитоплазматические отношения (от 1/6 до 1/69),

- гипотеза «митогенетических лучей».Делящиеся клетки стимулируют к митозу расположенные рядом клетки,

- гипотеза «раневых гормонов». Поврежденные клетки выделяют особые вещества, способствующие митозу неповрежденных клеток.

34. Деление клетки: митоз. Клеточный цикл.

Митоз - это деление соматических клеток, а так же размножение и передача наследственной информации при бесполом размножении. Митозу предшествует фаза покоя или интерфаза. Длится она от несколько часов до нескольких суток. Митоз длится 2-2,5 часа и начинается с профазы. В результате митоза образуется из диплоидного набора клетки 2n, две абсолютно одинаковые клетки. Он является основным способом деления клеток эукариот.

Фазы митоза:

Различают следующие четыре фазы митоза: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.

- профаза – хромосомы спирализируются. Каждая хромосома состоит из двух хроматид. Растворяется ядерная оболочка. В данной фазе центриоли расходятся к полюсам клетки, а хромосомы конденсируются (уплотняются);

- метафаза – хромосомы располагаются в плоскости экватора клетки;

- анафаза – хроматиды, из которых состоят хромосомы, расходятся к полюсам клетки, становятся новыми хромосомами;

- телофаза – начинается деспирализация хромосом. Формирование ядерной оболочки, клеточной перегородки, образование двух дочерних клеток.

Клеточный цикл — это период существования клетки с момента появления в процессе деления материнской клетки до ее собственного деления или гибели. Жизненный цикл клетки делится на интерфазу, митоз и цитогенез.
В течение этого цикла каждая клетка растет и развивается таким образом, чтобы успешно выполнять свои функции в организме. Далее клетка функционирует определенное время, по истечении которого либо делится, образуя дочерние клетки, либо погибает.

Клеточный цикл состоит из интерфазы и митоза

Интерфаза— промежуток клеточного цикла между двумя делениями. В течение всей интерфазы хромосомы неспирализованы, они находятся в ядре клетки в виде хроматина. Как правило, интерфаза состоит из трех периодов: пре-синтетического, синтетического и постсинтетического.

Пресинтетический период (G,)— наиболее продолжительная часть интерфазы. Он может продолжаться у различных типов клеток от 2—Зч до нескольких суток. Во время этого периода клетка растет, в ней увеличивается количество органоидов, накапливается энергия и вещества для последующего удвоения ДНК- В течение Gj-периода каждая хромосома состоит из одной хроматиды, т. е. количество хромосом (п) и хроматид (с) совпадает. Набор хромосом и хроматид (молекул ДНК) диплоидной клетки в G_rпериоде клеточного цикла можно выразить записью 2п2с.

В синтетическом периоде (S)происходит удвоение ДНК, а также синтез белков, необходимых для последующего формирования хромосом. Вэтот же период происходит удвоение центриолей.

Постсинтетический период (G₂)наступает после удвоения ДНК- В это время клетка накапливает энергию и синтезирует белки для предстоящего деления (например, белок тубулин для построения микротрубочек, образующих впоследствии веретено деления). В течение всего С₂-периода набор хромосом и хроматид в клетке остается неизменным — 2п4с.

35. Редукционное деление: мейоз.

Мейоз – процесс деления клеточного ядра с образованием четырех дочерних ядер, каждое из которых содержит вдвое меньше хромосом, через исходное ядро. Мейоз происходит при образовании гамет у животных и образования спор у растений.

Фазы мейоза: