- Адыгейский Государственный Университет

АДЫГЕЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Кафедра ботаники
КАБАЯН Н.В. КАБАЯН О.С.
БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ
модуль 1
дисциплины «Общая биология»
МАЙКОП – 2011
УДК576 (075.8)
ББК 28. 05 я 73
К 12
Печатается по решению редакционно-издательского совета Адыгейского
государственного университета
Авторы-составители: Н.В.Кабаян, О.С. Кабаян
Рецензент доктор биологических наук, профессор А.Р.Тугуз
Ответственный
Н.В.Кабаян
редактор:
кандидат
педагогических
наук,
доцент
Кабаян Н.В., Кабаян О.С. Биология клетки. Модуль 1 дисциплины «Общая
биология». – Майкоп: Изд-во Адыгейского госуниверситета, 2011
В учебном пособии в тезисной форме изложено основное
содержание модуля «Биология клетки» дисциплины «Общая биология»,
имеются вопросы и тестовые задания, перечень основных терминов для
усвоения.
Как дополнительный представлен материал, способствующий развитию
толерантной культуры у обучающихся составленный на основе новейших
достижениях в области молекулярной биологии.
Пособие
предназначены для студентов, изучающих дисциплины
естественно-научного цикла, может быть использовано учащимися старших
классов для углублѐнного изучения общей биологии.
2
Введение
Биология — наука о жизни.
Методы биологии. Научный метод ( греч.methodos – путь исследования) – это
совокупность приѐмов и операций, используемых при построении системы научных
знаний. Основными методами исследования в биологии являются наблюдение и описание,
сравнение, исторический, экспериментальный. Высшая форма эксперимента –
моделирование.
Изучение многообразия живых организмов, закономерностей их строения,
жизнедеятельности, индивидуального развития и эволюции, взаимоотношения со средой
обитания — важнейшие задачи биологии.
Органический мир
империя
империя
Доклеточные
Клеточные организмы
царство Вирусы.
Бактериофаги.
Надцарство
Надцарство
Прокариоты (доядерные)
Эукариот
царство Дробянок.
(ядерные)
подцарства:
Царства:
Архебактерии —анаэробные бактерии
Растения
Эубактерии
Животные
Оксифотобактерии (сине-зеленые).
Грибы.
Некоторые учѐные выделяют еще одно царство Протисты (Protista). Этот термин
ввѐл в 1866 г. Э.Геккель. В настоящее время в данную группу объединяют различных по
строению и образу жизни ядерных организмов (эукариот), общим признаком которых
является отсутствие тканевой дифференциации.
Свойства жизни:
1.Обмен веществ - совокупность химических реакций синтеза и расщепления химических
соединений.
2. Раздражимость - ответная реакция организма на раздражитель.
3. Саморегуляция- способность живых организмов поддерживать постоянство своей
внутренней среды – гомеостаз.
4. Движение – перемещение в пространстве
5. Репродукция или размножение – воспроизведение себе подобных. При бесполом
размножении следующее поколение получает генетическую информацию от
материнского организма, при половом — происходит объединение генетической
информации двух организмов.
6. Наследственность-это способность организма передавать признаки потомству.
7. Изменчивость - способность организма приобретать новые признаки в процессе
онтогенеза.
8. Рост и развитие - количественное и качественное изменение организма.
9. Дискретность и целостность.
3
10. Энергозависимость. Живой организм является открытой системой для поступления
энергии в виде пищи (гетеротрофы), света (фототрофы), энергии химических реакций
окисления (хемотрофы). Организм выделяет в окружающую среду продукты обмена
веществ и энергию.
11. Ритмичность или цикличность – повторяемость изменений интенсивности и
характера биологических процессов и явлений с различными периодами. Например
циркадные (циркадианные) ритмы имеют период от 20 до 28 часов; цирканные
(окологодичные) – от 10 до 13 месяцев; циркаритмы связаны с геофизическими
константами.
12. Адаптация – способность организмов приспосабливаться к изменениям окружающей
среды.
13.Единство химического состава. В состав живых организмов и неживых объектов
входят одинаковые химические элементы. Но в живых организмах более 90% массы
приходится на углерод, кислород, водород, азот.
14. Единство структурной организации. Клетка – структурная и функциональная единица
живых организмов. Вне клетки жизни нет.
Уровни организации жизни на Земле:
1. Молекулярный. Структурная единица – органические и неорганические молекулы, их
строение и функции в организме.
2.
Клеточный. Структурная единица клетка — система взаимодействующих
органоидов, каждый из которых приспособлен к выполнению определенных функций и
является частью целостной структуры.
3. Тканевой. Ткани - совокупность клеток и межклеточного вещества, сходные по
строению, происхождению и выполняемой функции.
4. Организменный. Структурная единица - целостный организм. У одноклеточных
организмов это одна клетка, у многоклеточных — множество клеток, которые
подчиняются системам регуляции (нервной и гуморальной).
5. Надорганизменный.
1). Популяционно-видовой уровень.
Популяция -это группа особей одного вида, занимающая определенную территорию
внутри видового ареала и имеющие относительную изоляцию от популяций того же вида.
Вид- это совокупность популяций, объединенных сходными критериями: анатомоморфологическим,
физиологическим,
биохимическим,
эколого-географическим,
генетическим, свободно скрещивающиеся друг с другом
и дающие плодовитое
потомство, похожее на своих родителей, а также занимающие определенную территорию,
называется видовым ареалом.
2). Биогеоценотический. Биогеоценоз- это исторически сложившаяся группа популяций
разных видов, взаимосвязанных друг с другом и с окружающей средой, занимающая
определѐнное место обитания – биотоп.
3). Биосферный. Биосфера - это область распространения жизни на Земле или следов
жизни. Биосфера объединяет все биогеоценозы Земли в единую живую оболочку земли.
Развитие культуры здоровья:
Здоровье – это «резервные мощности» клеток, тканей, органов, организма в целом.
Резервы запрограммированы в генах. Однако границы резервов, можно расширить
(благодаря тренировкам) и уменьшить (при бездействии). Это принцип экономичности
природы.
4
Человек нацелен на высокий уровень душевного комфорта, который он
обеспечивает не здоровьем, а деятельностью в различных сферах (в семье, обществе,
природе, информации), благодаря которой достигается счастье.
Здоровье нам необходимо, чтобы осуществлять необходимую эффективную
деятельность, найти свое «место в жизни», в соответствии со своей генетической
программой.
Недостаток здоровья можно компенсировать, но для этого нужны глубокие знания,
убеждения, терпение, сила воли и тренировки.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ
Характеристика неорганических соединений клетки.
Все клетки, независимо от уровня организации, сходны по химическому составу. В
клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных
химических реакциях.
В живых организмах обнаружено около 80 химических элементов периодической системы
Д. И. Менделеева.
По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся
Макроэлементы – это элементы, концентрация которых превышает 0,001% ( К, Na, Са,
Mg, S, P, Сl, Fe). Среди макроэлементов выделяют особую группу - органогенные
элементы, их концентрация составляет 98% от массы клетки: кислород (65-75%), углерод
(15 -18%), водород (8-10%), азот (1,5 -3%).
Микроэлементы (Zn, Mn, Сu, Со и многие другие), их доля составляет от 0,001% до
0,000001%. Микроэлементы входят в состав биологически активных веществ —
ферментов, витаминов и гормонов.
Ультрамикроэлементы (Аu, U, Ra и др.), концентрация которых не превышает
0,000001%.
Биологические важные химические элементы клетки:
Элемент и его символ
Водород –Н
Бор В
Углерод – С
Азот – N
Кислород – О
Фтор – F
Натрий – Na
Магний – Mg
Фосфор – Р
Сера – S
Хлор – Сl
Калий – K
Кальций – Са
Марганец – Мn
Железо – Fe
Кобальт – Со
Медь – Сu
Цинк – Zn
Йод – I2
Значение для клетки
Входит в состав воды и биологических веществ
Необходим некоторым растениям
Входит в состав биологических веществ
Структурный компонент белков и нуклеиновых кислот
Входит в состав воды и биологических веществ
Входит в состав эмали зубов
Главный внеклеточный положительный ион
Активирует образование многих ферментов; структурный элемент
хлорофилла
Входит в состав костной ткани, нуклеиновых кислот
Входит в состав белков и многих других биологических веществ
Преобладающий отрицательный ион в организме животных
Преобладающий положительный ион внутри клеток
Основной компонент костей и зубов; активирует сокращение мышечных
волокон
Необходим организмам в следовых количествах
Входит в состав многих органических веществ
Входит в состав витамина В12
Необходим организмам в следовых количествах (обнаружен в составе
некоторых ферментов)
Необходим организмам в следовых количествах (обнаружен в составе
некоторых ферментов и инсулине)
Входит в состав гормона щитовидной железы
5
Молекулярный состав клетки
Органические
вещества
Неорганические вещества
Белки
10—20%
Вода
75—85%
Жиры
1—5%
Неорганические
Углеводы
0,2—2,0%
вещества
1,0—1,5% 1
Нуклеиновые кислоты 1—2%
Низкомолекулярные органические вещества 0,1—0,5%
Неорганические вещества клетки
Вода.
Самое распространенное в живых организмах неорганическое соединение. Содержание
воды в клетках различных тканей колеблется в широких пределах. Например, в эмали
зубов вода составляет по массе около I0%, а в клетках развивающегося зародыша — около
90%; в костной ткани воды 20%, в клетках головного мозга до 85%.
Свойства воды
Уникальные свойства воды определяются строением еѐ молекулы. В молекуле воды
один атом кислорода образует с двумя атомами водорода ковалентную связь. Атом
кислорода более электроотрицателен, поэтому оттягивает электроны от двух атомов
водорода. В результате электронейтрвльная молекула воды становится полярной (диполь).
Рис.1 Схема строения молекулы воды
При взаимодействии молекул воды между ними устанавливаются водородные связи.
Они в 15—20 раз слабее ковалентной, но поскольку каждая молекула воды способна
образовывать 4 водородные связи, они существенно влияют на физические свойства воды.
Притяжение одной полярной молекулы воды к другой составляет 140 кг/см2 в тонком
столбе чистой воды. Межмолекулярное притяжение носит название когезия. Для воды, как
и для других растворов характерно явление адгезии – притяжение раствора к стенкам
сосуда (капиллярность). Чем тоньше сосуд, тем выше будет подниматься вода и
растворѐнные в ней вещества. Из-за теплового движения молекул в воде одни
водородные связи разрываются, а другие образуются. Подвижность молекул воды имеет
значение для процессов обмена веществ.
1. Полярность молекул воды определила еѐ свойство хорошего растворителя.
2. Для воды характерно: большая теплоемкость (способность поглощать теплоту
при при минимальном изменении собственной температуры), теплота плавления и теплота
парообразования. Это объясняется тем, что большая часть поглощаемого водой тепла
расходуется на разрыв водородных связей между ее молекулами.
3.Вода обладает высокой теплопроводностью.
4.Вода практически не сжимается, прозрачна в видимом участке спектра.
6
5.Вода —вещество, плотность которого в жидком состоянии больше, чем в
твердом, при 4 °С у нее максимальная плотность, у льда плотность меньше, он
поднимается на поверхность и защищает водоем от промерзания.
Физические и химические свойства делают ее уникальной жидкостью и определяют ее
биологическое значение.
1. Вода — хороший растворитель ионных (полярных), а также некоторых
неионных соединений, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы.
Вода растворяет продукты обмена и выводит их из клетки и организма в целом. По
отношению к воде различают: гидрофильные вещества — те, которые
хорошо
растворимы в воде;
гидрофобные — вещества, практически нерастворимые в воде.
2. Вода – среда, в которой протекают биохимические реакции, определяющие
процессы метаболизма.
3. Вода является непосредственным участником многих химических реакций
(гидролитическое расщепление белков, углеводов, жиров и других реакции по
присоединению воды – гидратация, отщепление воды - дегидратация)
3.Большая теплоемкость и теплопроводность воды способствуют равномерному
распределению тепла в клетке. Это предохраняет клетку от резких изменений
температуры. Благодаря большой теплоте испарения воды происходит охлаждение
организма.
4.Благодаря силам адгезии и когезии вода способна подниматься по капиллярам
(один из факторов, обеспечивающих движение воды в сосудах растений).
6.Вода определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор), а также
выполняет опорную функцию (гидростатический скелет, например, у круглых червей).
Минеральные вещества клетки, в основном, представлены солями, которые
диссоциируют на анионы и катионы
Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны катионы К +, Na+, Ca2+, Mg2+,
анионы Н2РО4-, Cl-, HCO-3.
Различные ионы принимают участие во многих процессах жизнедеятельности
клетки: катионы К+, Na+, Cl- обеспечивают возбудимость живых организмов;
катионы: Mg2+,Мn2+, Zn2+, Ca2+ и др. необходимы для нормального
функционирования многих ферментов;
образование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без Mg2+ - составная
часть хлорофилла;
Fe – составная часть гемоглобина;
Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и
в твердом состоянии. Например, Са и Р содержатся в костной ткани, в раковинах
моллюсков в виде двойных углекислых и фосфорнокислых солей.
Буферные свойства клетки (поддержание слабощелочной реакции содержимого
клетки) обеспечиваются анионами слабых кислот (НСО-3, Н2РО4-) и слабыми кислотами
(Н2СО3).
Буферность — способность поддерживать определенную концентрацию
водородных ионов.
Органические вещества
Углеводы
Углеводы – это соединения, в состав которых входят атомы углерода, кислорода и
водорода. Их общая формула Cm(H2O)n, они делятся на простые и сложные углеводы.
Простые углеводы называют моносахаридами. Представляют собой твѐрдые,
кристаллические вещества, растворимые в воде, сладкие на вкус.
В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахаридов различают:
7
триозы (глицерин и его производные молочная и пировиноградная кислоты), тетрозы
(эритроза – один из промежуточных продуктов фотосинтеза),
пентозы (дезоксирибоза и рибоза, входящие в состав ДНК, РНК и АТФ).
Гексозы (глюкоза, фруктоза и галактоза), имеющие общую формулу С6Н12О6.
Моносахариды могут быть представлены в форме α- и β-изомеров.
Гидроксильная группа при первом атоме углерода может располагаться как под
плоскостью цикла (α-изомер), так и над ней (β -изомер).
Дезоксирибоза (С5Н10О5) отличается от рибозы тем, что при втором атоме углерода имеет
атом водорода, а не гидроксильную группу, как у рибозы.
А
В
Рис. 2 Строение молекул углеводов: А – линейная формула глюкозы и циклическая
формула глюкозы; В - строение молекулы фруктозы
Сложными называют углеводы, молекулы которых при гидролизе распадаются с
образованием простых углеводов. Среди сложных углеводов различают олигосахариды и
полисахариды.
Олигосахаридами ( полисахариды первого порядка) называют сложные углеводы, содержащие от 2 до 4 моносахаридных остатков.
В зависимости от количества остатков моносахаридов, входящих в молекулы
олигосахаридов, различают дисахариды, трисахариды и т.д.
Наиболее широко распространены в природе дисахариды, молекулы которых образованы
двумя остатками моносахаридов:
 мальтоза, состоящая из двух остатков α-глюкозы,
 молочный сахар (лактоза), состоящая их остатков молекул глюкозы и галактозы;
 свекловичный (или тростниковый) сахар, состоящий из остатков глюкозы и
фруктозы. Олигосахариды встречаются в природе в свободном виде или в составе
полисахаридов.
Рис. 3. Реакция дегидратации при образовании олигосахарида (мальтозы)
Полисахариды
моносахаридов.
образуются
в
результате
реакции
поликонденсации
из
8
Важнейшие полисахариды — крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин, муреин.
Крахмал — основной резервный углевод растений, гликоген — резервный углевод у
животных и человека, грибов. Целлюлоза — основной структурный углевод клеточных
стенок растений. Хитин входит в состав грибной клетки и образует наружный скелет
членистоногих. Муреин входит в состав клеточной стенки бактерий
Рис.4. Полимерная молекула гликогена, состоящая из множества молекул
сахаров (мономеров)
А
В
Рис.5.Общая формула крахмала, гликогена и целлюлозы: (С6Н10О5)n. Целлюлоза
имеет линейную формулу (А), а крахмал и гликоген – разветвленную (В).
Молекулы крахмала состоят из остатков а-глюкозы, целлюлозы — из остатков β глюкозы.
К свойствам моносахаридов и олигосахаридов относится их растворимость в воде,
сладкий вкус. С увеличением числа мономерных звеньев растворимость падает и сладкий
вкус исчезает, полисахариды в воде нерастворимы.
Функции углеводов:
1) Энергетическая. Углеводы — основные источники энергии в животном
организме. При расщеплении 1 г углевода выделяется 17,6 кДж.
2) Запасающая. Клетки растений запасают крахмал, клетки животных и грибов –
гликоген.
3) Структурная. Углеводы входят в состав клеточных мембран и клеточных стенок.
Рибоза и дезоксирибоза входят в состав мономеров нуклеотидов.
4) Рецепторная. Гликокаликс на поверхности мембраны выполняет рецепторную
функцию.
5) Защитная. Слизи, выделяемые различными железами, богаты углеводами и их
производными (например, гликопротеинами). Они предохраняют пищевод,
кишечник, желудок, бронхи от механических повреждений, препятствуют
9
проникновению в организм бактерий и вирусов. Гепарин предотвращает
свертывание крови в организме животных и человека.
Липиды
Липиды — сборная группа органических соединений, не имеющих единой
химической характеристики.
Все они нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических
растворителях (эфире, хлороформе, бензине).
Содержатся во всех клетках животных и растений.
Содержание липидов в клетках составляет 5—15% сухой массы, но в жировой
ткани может иногда достигать 90%.
В зависимости от особенности строения молекул различают простые и сложные липиды.
К простым липидам относятся жиры. Они входят в состав организма человека, животных,
растений, микробов, некоторых вирусов. Содержание жиров в биологических объектах,
тканях и органах может достигать 90%.
Нейтральные жиры (триглицериды) — это сложные эфиры высших жирных
кислот и трехатомного спирта — глицерина. Это самые распространенные в природе
липиды.
Воска — группа простых липидов, представляющих собой сложные эфиры
высокомолекулярных жирных кислот и многоатомных спиртов.
Фосфолипиды по своей структуре сходны с жирами,но в их молекуле один или
два остатка жирных кислот замещены остатком фосфорной кислоты.
Гликолипиды — это углеводные производные липидов, локализованы
преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их
углеводные компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности.
Липоиды — жироподобные вещества. К ним относятся стероиды (широко
распространенный в животных тканях холестерин, эстрадиол и тестостерон —
соответственно женский и мужской половые гормоны), терпены (эфирные масла, от
которых зависит запах растений), гиббереллины (ростовые вещества растений), некоторые
пигменты (хлорофилл, билирубин), часть витаминов (A, D, Е, К) и др.
Функции липидов.
1) энергетическая. В ходе расщепления 1 г жиров до С02 и Н20 освобождается 38,9
кДж.
2) Структурная функция — липиды принимают участие в образовании клеточных
мембран. В составе мембран находятся фосфолипиды, гликолипиды,
липопротеиды.
3) Запасающая функция — жиры являются запасным веществом животных и
растений. Это особенно важно для животных, впадающих в холодное время года в
спячку или совершающих длительные переходы через местность, где нет
источников воды и питания (верблюды в пустыне). Семена многих растений содержат жир, необходимый для обеспечения энергией развивающегося растения.
4) Терморегуляторная функция — жиры являются хорошими термоизоляторами
вследствие плохой теплопроводимости.
5) Защитно-механическая функция заключается в том, что жиры защищают организм от механических воздействий.
6) Регуляторная функция осуществляется женскими и мужскими половыми
гормонами, жирорастворимыми витаминами А, D, Е.
7) Липиды как источник метаболический воды. Одним из продуктов окисления
жиров является вода. Эта метаболическая вода очень важна для обитателей
пустынь. Так, жир, которым заполнен горб верблюда, служит в первую очередь не
10
источником энергии, а источником воды (при окислении 1 кг жира выделяется 1,1
кг воды).
Белки
Состав и строение белков.
В состав белков входят: углерод, водород, азот, кислород; сера. Часть белков образует
комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь. Белки
составляют 10-20% от сырой массы и 50-80% от сухой массы клетки.
Белки — высокомолекулярные органические вещества, нерегулярные полимеры,
мономерами которых являются остатки аминокислот. В состав большинства белков
входят 20 разных аминокислот
Все аминокислоты содержат карбоксильную группу (—СООН), аминогруппу (—
NH2) и радикал - R-группа.
Рис. 6 Общая формула аминокислот
В зависимости от количества аминогрупп и карбоксильных групп, входящих в состав
аминокислот, различают: нейтральные аминокислоты, имеющие одну карбоксильную
группу и одну аминогруппу; основные аминокислоты, имеющие более одной
аминогруппы; кислые аминокислоты, имеющие более одной карбоксильной группы.
Аминокислоты являются амфотерными соединениями, так как в растворе они
могут выступать как в роли кислот, так и оснований. В водных растворах аминокислоты
существуют в разных ионных формах. Это зависит от рН раствора и от того, какая
аминокислота: нейтральная, кислая или основная.
В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме,
различают: заменимые аминокислоты, синтезируемых в организме; незаменимые
аминокислоты — аминокислоты, которые в организме не синтезируются(лизин, Валин,
лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, тирозин, метионин). Незаменимые
аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей.
Пептиды— органические вещества, состоящие из остатков аминокислот,
соединенных пептидной связью. Образование пептидов происходит в результате реакции
полимеризации аминокислот, в ходе которой выделяется молекула воды. При
взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой,
между ними возникает ковалентная азот-углеродная связь, которую называют пептидной.
На одном конце молекулы находится свободная аминогруппа (его называют N-концом), а
на другом — свободная карбоксильная группа (его называют С-концом).
Рис.7 Уравнение реакции дегидратации
В зависимости от аминокислотного состава белки бывают: полноценными, если
содержат весь набор аминокислот, неполноценными, если какие-то аминокислоты в их
составе отсутствуют.
11
Различают простые белки ( протеины), состоящие только из аминокислот (фибрин,
трипсин), и сложные белки (протеиды), содержащие помимо аминокислот еще и
небелковую группу. Она может быть представлена ионами металлов (металлопротеиды
— гемоглобин), углеводами (гликопротеиды), липидами (липопротеиды), нуклеиновыми
кислотами (нуклеопротеиды).
Уровни организации белковой молекулы
Пространственная конфигурация молекулы белка называется конформацией.
Выделяют 4 уровня пространственной организации белков.
Под первичной структурой белка понимают последовательность расположения
аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Первичная структура поддерживается
прочной ковалентной пептидной связью.
Первым белком, у которого была выявлена аминокислотная последовательность,
стал гормон инсулин. Исследования проводились в Кембриджском университете Ф.
Сэнгером с 1944 по 1954 год. Ф. Сэнгер был удостоен Нобелевской премии.
Первичная структура белковой молекулы характеризуется количеством, составом,
последовательностью расположения аминокислотных остатков. Она определяет свойства
белка и его пространственную конфигурацию.
Замена всего лишь одной аминокислоты на другую в полипептидной цепочке
приводит к изменению свойств и функций белка.
Вторичной структурой называют упорядоченное свертывание полипептидной
цепи в виде α-спирали, имеющей вид растянутой пружины.
Она образована одной полипептидной цепью в результате возникновения
внутримолекулярных водородных связей между карбоксильными группами и
аминогруппами, расположенными на соседних витках спирали.
Рис. 8 Вторичная структура белка
Третичная структура — это способ укладки полипептидных цепей в глобулы,
возникающий в результате химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и
установления гидрофобных взаимодействий между боковыми цепями аминокислотных
остатков. Это силы притяжения между неполярными молекулами или неполярными
участками молекулы в водной среде. Гидрофобные остатки в водном растворе
сближаются, «слипаются» и стабилизируют, таким образом структуру белка.
Гидрофильные участки цепи в результате гидратации (взаимодействие с диполями воды)
оказываются на поверхности молекулы. У некоторых белков третичная структура
стабилизируется дисульфидными ковалентными и связями, возникающими между
атомами серы двух остатков цистеина. Третичная структура специфична для каждого
белка.
12
Рис. 9 Третичная структура белка
Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых
образованы двумя и более глобулами. Субъединицы удерживаются в молекуле благодаря
ионным, гидрофобным и электростатическим взаимодействиям. Иногда при образовании
четвертичной структуры между субъединицами возникают дисульфидные связи.
Наиболее изученным белком, имеющим четвертичную структуру, является гемоглобин.
Он образован двумя α-цепями (141 аминокислотный остаток) и двумя β-цепями (146
аминокислотных остатков)
Рис.10 Строение молекулы гемоглобина (четвертичная структура белка)
Денатурация - процесс разрушения структур белка.
Причиной денатурации является разрыв связей, стабилизирующих определенную
структуру белка. Причем первоначально рвутся наиболее слабые связи, а при
ужесточении условий и более сильные.
Поэтому сначала утрачивается четвертичная, затем третичная и вторичная
структуры. Вместе с тем денатурация не сопровождается разрушением полипептидной
цепи.
Денатурация может быть: обратимой, если возможно восстановление
свойственной белку структуры (если не разрушена первичная структура).
Процесс восстановления структуры белка после денатурации называется
ренатурацией.
Если восстановление пространственной конфигурации белка невозможно, то
денатурация называется необратимой (если разрушена первичная структура).
Буферные свойства белков связаны со способностью отдавать и присоединять Н+.
Гемоглобин в эритроцитах, обеспечивает поддержание рН крови на постоянном уровне.
Функции белков
1) Строительная. Белки участвуют в образовании клеточных и внеклеточных
структур: входят в состав клеточных мембран, шерсти, волос, сухожилий, стенок
сосудов и т.д.
2) Каталитическая. Ферментативная.
13
Все биохимические реакции протекают с огромной скоростью, благодаря участию в них
биокатализаторов — ферментов - веществ белковой природы.
Согласно гипотезе, выдвинутой в 1890 г. Э. Фишером, субстрат подходит к
ферменту, как ключ к замку, то есть пространственные конфигурации активного центра
фермента и субстрата точно соответствуют друг другу. Субстрат сравнивается с
«ключом», который подходит к «замку» — ферменту.
В 1959 году Д. Кошланд выдвинул гипотезу, по которой пространственное
соответствие структуры субстратактивного центра фермента создается лишь в момент их
взаимодействия друг с другом. Эту гипотезу называют гипотезой «руки и перчатки»
(гипотезой индуцированного соответствия).
Активность ферментов зависит от условий:
а) определенная температура. При температуре выше 50 °С белок подвергается
денатурации и активность фермента падает.
б) оптимальное значение рН.
в) концентрация субстрата и концентрация фермента. При увеличении количества субстрата скорость ферментативной реакции растет до тех пор, пока количество
молекул субстрата не станет равным количеству молекул фермента. При дальнейшем
увеличении количества субстрата скорость увеличиваться не будет, так как происходит
насыщение активных центров фермента. Увеличение концентрации фермента приводит к
усилению каталитической активности, так как в единицу времени преобразованиям
подвергается большее количество молекул субстрата.
3) Энергетическая.
Белки являются одним из источников энергии в клетке.
При распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж. Сначала белки
распадаются до аминокислот, а затем до конечных продуктов — воды, углекислого газа и
аммиака. Однако в качестве источника энергии белки используются тогда, когда другие
(углеводы и жиры) израсходованы
4) Регуляторная.
Большая группа белков организма принимает участие в регуляции процессов обмена
веществ. Такими белками являются гормоны — биологически активные вещества,
выделяющиеся в кровь железами внутренней секреции.
5) Транспортная.
Некоторые белки способны присоединять различные вещества и переносить их к
различным тканям и органам тела, из одного места клетки в другое. Например, белок
крови гемоглобин присоединяет кислород и транспортирует его от легких ко всем тканям
и органам, а от них в легкие переносит углекислый газ. В состав клеточных мембран
входят особые белки, обеспечивающие активный и строго избирательный перенос некоторых веществ и ионов из клетки во внешнюю среду и обратно.
6) Защитная.
В ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов
(антигенов) образуются особые белки — антитела, способные связывать и обезвреживать
их. Фибрин, образующийся из фибриногена, способствует остановке кровотечений.
7) Двигательная.
Особые сократительные белки участвуют во всех видах движения клетки и организма:
образовании псевдоподий, мерцании ресничек и биении жгутиков у простейших,
сокращении мышц у многоклеточных животных.
8) Сигнальная.
В поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою
третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды. Так происходит
прием сигналов из внешней среды и передача команд в клетку.
9) Запасающая.
14
Благодаря белкам в организме могут откладываться про запас некоторые вещества.
Например, при распаде гемоглобина железо не выводится из организма, а сохраняется в
нем, образуя комплекс с белком ферритином. К запасным белкам относятся белки яйца,
белки молока.
10) Токсическая.
Ядовитые вещества у животных (змеи, пауки), растений (семейство пасленовые), грибов
(бледная поганка) – белковой природы.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты были открыты французским ученым Ф.Мишер (1863 г.) в
ядре клеток гноя (погибшие лейкоциты) ядро («нуклеос» – лат.).
Нуклеиновые кислоты полимеры.
Нуклеотид — мономер нуклеиновых кислот.
Молекула нуклеотида состоит из трех частей: азотистого основания, пятиуглеродного
сахара (пентозы) и фосфорной кислоты. Именно наличие фосфата придает нуклеиновым
кислотам свойства кислот.
Азотистые основания имеют циклическую структуру, в состав которой наряду с атомами
углерода входят атомы других элементов, в частности азота. За присутствие в этих
соединениях атомов азота они и получили название азотистых, а поскольку обладают
щелочными свойствами — оснований. Азотистые основания нуклеиновых кислот
относятся к классам пиримидинов и пуринов.
Пиримидиновые основания являются производными пиримидина, имеющего в
составе своей молекулы одно кольцо. К наиболее распространенным пиримидиновым
основаниям относятся тимин, цитозин.
Пуриновые основания являются производными пурина, имеющего два кольца. К
пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин.
Названия нуклеотидов отличаются от названий соответствующих оснований:
А – адениловый нуклеотид,
Т – тимидиловый нуклеотид,
Г – гуаниловый нуклеотид,
Ц – цитидиловый нуклеотид.
Рис. 11 Состав нуклеотида
В зависимости от углеводного компонента нуклеотидов различают два класса
нуклеиновых кислот:
рибонуклеиновые кислоты (РНК)
дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК)
Характеристика ДНК
Мономерами ДНК являются дезоксирибонуклеотиды, образованные остатком
пятиуглеродного сахара — дезоксирибозы, остатком азотистого основания (пуринового —
аденина, гуанина или пиримидинового — тимина, цитозина) и остатком фосфорной
кислоты.
Э. Чаргафф, выявил следующую закономерность «правило комплиментарности»:
В фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию
цитозина, а аденина — тимину.
15
А = Т;
Г = Ц или
А+Г
Ц+Т
=1
Американский биолог Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик воспользовались
этим правилом при построении модели молекулы ДНК.
Трехмерная модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной
спирали была предложена этими учеными в 1953 г. За свои исследования они были
удостоены Нобелевской премии.
Рис.12 Строение ДНК
ДНК представляет собой двойную
спираль. Ее молекула образована двумя
полинуклеотидными цепями, спирально
закрученными друг около друга и вместе
вокруг воображаемой оси. Диаметр
двойной спирали ДНК — 2 нм, шаг общей
спирали, на который приходится 10 пар
нуклеотидов — 3,4 нм. Длина молекулы
—
до
нескольких
сантиметров.
Молекулярный вес составляет десятки и
сотни миллионов (для двойной спирали).
В ядре клетки человека общая длина ДНК
около 2 м.
Одна цепь нуклеотидов
образуется в
результате
реакций
конденсации
нуклеотидов. При этом между 3'углеродом остатка сахара
одного
нуклеотида и остатком
фосфорной
кислоты
другого возникает фосфо- ди
-эфирная
связь.
В
результате
образуются
неразветвленные
полинуклеотидные ДНК. Один конец
полинуклеотидной цепи заканчивается 5'углеродом (его называют 5'-концом),
.
другой —3'-углеродом (3'-концом).
Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Полинуклеотидные цепи в
молекуле ДНК удерживаются друг около друга благодаря возникновению водородных связей
между азотистыми основаниями нуклеотидов. Спаривание нуклеотидов не случайно, в его
основе лежит принцип комплементарного взаимодействия пар оснований.
Последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой цепи ДНК.
16
Самоудвоение молекулы ДНК. Репликация.
Репликация — сложный процесс, идущий с участием ферментов (ДНК-полимераз). Репликация
осуществляется полуконсервативным способом, то есть под действием ферментов молекула
ДНК раскручивается и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципу
комплементарности достраивается новая цепь.
В материнской ДНК цепи антипараллельны.
На цепи 3'—5' репликация идет непрерывно. Это лидирующая цепь.
На цепи 5'—3' репликация протекает прерывисто, отдельными фрагментами Оказаки. Эта цепь
называется отстающей.
Последовательность репликационного синтеза ДНК
1. ДНК-геликаза раскручивает участок двойной спирали ДНК и разрывает водородные связи.
Образуется репликационная вилка.
2. Дестабилизирующие белки выпрямляют участок цепи ДНК
3. ДНК-топоизомераза разрывает фосфодиэфирную связь в одной из полинуклеотидных цепей
ДНК, снимая напряжение, вызываемое расплетением спирали и расхождением цепей в
репликационной вилке.
4. РНК-праймаза синтезирует РНК-затравки для дочерней цепи и для каждого фрагмента
Оказаки.
5. ДНК- полимераза осуществляет непрерывный синтез лидирующей цепи и синтез фрагментов
Оказаки.
6. ДНК-лигаза «сшивает» фрагменты Оказаки после удаления РНК-затравки.
В каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь
синтезированной. Благодаря самоудвоению молекулы ДНК осуществляется передача
наследственной информации от материнской клетки дочерним во время деления.
Характеристика РНК
Мономерами РНК являются рибонуклеотиды, образованные остатками трех веществ:
пятиуглеродного сахара — рибозы; азотистым основанием — из пуриновых — аденином или
гуанином, из пиримидиновых — урацилом или цитозином; остатком фосфорной кислоты.
Молекула РНК представляет собой неразветвленный полинуклеотид, имеющий
третичную структуру.
В отличие от ДНК, она образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой.
Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.
Рис.13 Схема строения молекул ДНК и РНК
17
Информация о структуре молекулы РНК заложена в молекулах ДНК.
Последовательность нуклеотидов в РНК комплементарна кодирующей цепи ДНК и идентична,
за исключением замены тимина на урацил, некодирующей цепи.
Если содержание ДНК в клетке относительно постоянно, то содержание РНК сильно
колеблется.
Наибольшее количество РНК в клетках наблюдается во время синтеза белка.
Существует три основных класса нуклеиновых кислот:
1) Информационные РНК (и-РНК, м-РНК). 5% от общего содержания РНК
Являются переносчиками генетической информации от ДНК к месту синтеза белка.
Служат матрицей для синтеза молекулы белка, т.к. определяют аминокислотную
последовательность первичной структуры белковой молекулы.
2) Транспортные РНК (тРНК) 10 % от общего содержания РНК.
Молекулы тРНК доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, в рибосомы.
Каждый вид тРНК имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов.
Однако у всех молекул имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков,
благодаря наличию которых все тРНК имеют третичную структуру, напоминающую по форме
лист клевера.
В тРНК различают антикодоновую петлю (участок, комплементарный кодовому триплету
определенной аминокислоты) и акцепторный участок (с помощью фермента аминоацил-тРНКсинтетазы присоединить аминокислоту по заданному коду).
3) Рибосомные РНК ( рРНК) 80—85% от общего содержания РНК в клетке.
В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы.
Основное значение рРНК состоит в том, что она обеспечивает первоначальное связывание
иРНК и рибосомы и формирует активный центр рибосомы, в котором происходит образование
пептидных связей между аминокислотами в процессе синтеза полипептидной цепи.
Рис.14 Строение и –РНК, т –РНК.
Характеристика АТФ
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — универсальный переносчик и основной аккумулятор
энергии в живых клетках. АТФ содержится во всех клетках растений и животных.
Наибольшее количество АТФ (0,2—0,5%) содержится в скелетных мышцах.
АТФ представляет собой нуклеотид, образованный остатками азотистого основания (аденина),
углевода (рибозы) и трех остатков фосфорной кислоты.
18
АТФ — нестабильная молекула: при отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ
переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту). При этом выделяется энергия около 40
кДж на 1 моль, тогда как при разрыве химических связей других соединений выделяется
12кДж.
Распаду может подвергаться и АДФ с образованием АМФ {аденозннмонофосфорная кислота).
Отщепление третьей фосфат ной группы сопровождается выделением только 13,8 кДж
АМФ может восстаавливаться с образованием сначала АДФ, затем АТФ.
Таким образом, АТФ имеет две макроэргические связи.
Вместе с тем при наличии в клетке свободной энергии осуществляется образованием
АТФ.
Рис. 15 Структурные формулы АМФ, АДФ, АТФ
Пара АТФ/АДФ служит основным механизмом выработки энергии в клетке. Присоединение
фосфорных остатков к АМФ и АДФ сопровождается накоплением (аккумуляцией) энергии, а
их отщепление от АТФ и АДФ приводит к выделению энергии. Благодаря богатым энергией
макроэргическим связям в молекулах АТФ клетка способна накапливать много энергии и
расходовать ее по мере надобности на все жизненные процессы клетки и организма в целом.
Рис.16 Схема расходования и запасания энергии молекулами АТФ\АДФ
Наступивший ХХI век - век глобальных открытий в области молекулярной биологии.
В результате работы международного проекта «Геном человека» - международная научная
программа, организованная совместно США и Европой (HUGO – Human Genomic
Organization) в 2000 году была просеквенирована (прочитана) ДНК человека.
Независимо от этой программы в США под руководством Craig Venter был организован
частный институт Celera Genomics где эта же работа была успешно осуществлена.
В результате возникла и активно развивается новое направление в молекулярной биологии геномика.
19
Задачами геномики, по определению английского генетика Томаса Родерика, возродившего в
1986 г. забытый термин, стали секвенирование, картирование, и аннотация геномов различных
организмов.
Секвенирование – анализ первичной последовательности нуклеотидов в цепочке ДНК. Этот
метод был разработан дважды лауреатом Нобелевской премии П. Сэнджером.
Аннотирование генома – описание генома, заключающееся в извлечении из секвенированных
последовательностей биологической информации, установление генов и их регулярных
элементов как функциональных элементов генома. По современным оценкам в геноме человека
всего 30 тысяч структурных генов.
Картирование – составление генетических карт. Построив полные карты генов, изучив их
мутации, можно определить формирование признаков.
Задачами проекта «Геном человека» было
– определение последовательности
нуклеотидов в геноме человека, их расположение в хромосомах, изучение мутаций, проведение
филогенетических исследований.
Секвенирование ДНК показало, что только 1,2 % ДНК – последовательности человека
кодирует структуру молекул белков, а
80% ДНК представлено повторяющимися
последовательностями различной протяженности, функция которой еще не определена.
Структура геномов людей разных национальностей, разных расовых и этнических групп
оказалась идентичной на 99,9 %. Межиндивидуальная вариабельность не превысила 0,1 % и
была обусловлена, главным образом, однонуклеотидными заменами SNP (Single Nucleotide
Polymorphisms). Именно эти замены, как оказалось, крайне важны для молекулярной
диагностики наследсьвенных болезней и играют важную роль в генетическом полиморфизме
белков человека. [ Баранов В.С.2003]
В процессе филогенетических исследований было проведено
изучение и
митохондриальной (материнской) ДНК (мтДНК).
Первым использовал мтДНК для реконструкции истории человечества американский
генетик Алан Уилсон ещѐ в 1985 г. Он изучил образцы мтДНК, полученные из крови людей
из всех частей света, и на основе выявленных между ними различий построил
филогенетическое древо человечества. Оказалось, что все современные мтДНК могли
произойти от мтДНК общей праматери, жившей в Африке. Обладательницу предковой мтДНК
тут же окрестили “митохондриальной Евой‖, что породило неверные толкования - будто все
человечество произошло от одной-единственной женщины. На самом деле у ―Евы‖ было
несколько тысяч соплеменниц. Анализ вариаций в Y-хромосоме также указывают на
существование единой предковой для современного человечества популяции, которая
подверглась расселению и изоляции.
ЦИТОЛОГИЯ - наука о клетке
Исторический очерк
Представления о клетке появились в связи с изобретением микроскопа
Увеличивающие стекла были известны еще в античные времена. В конце XIII в. были
изобретены оптические линзы, их стали использовать в качестве очков.
1608 г. – итальянский ученый Галилео Галилей изобрел подзорную трубу (телескоп).
1609 г. – Галилео Галилей сконструировал первый микроскоп – оптический прибор, имеющий
сложную систему линз, для получения увеличительного изображения предметов, невидимых
глазом на близком расстоянии. Прибор имел две линзы и увеличивал в 35-40 раз.
1665 г. – английский физик Роберт Гук создал усовершенствованный трехлинзовый микроскоп,
добавил конденсор. Роберт Гук, рассматривая под микроскопом срез пробки, обнаружил, что
она состоит из ячеек, разделенных перегородками. Эти ячейки он назвал «клетками». Роберт
Гук открыл и описал клетки растений.
20
1671 г. – итальянский биолог и врач Марчелло Мальпиги описал сосудисто-проводящие пучки
корней, стеблей и листьев. Англичанин Неемия Грю, изучая растения, впервые ввел в науку
понятие «ткани» - совокупности клеток и межклеточного вещества.
1674 г. – голландский натуралист Антонии Ван Левенгук первым открыл простейших, бактерий
(1676 г), пластиды (1676 г), сперматозоиды животных (1677 г), дрожжевые грибки (1680 г),
эритроциты лягушки, в которых заметил ядра (1680 г), жгутиковых простейших (1681г) и
других микроскопически «противных существ», как он их называл.
1825-1827 г. - чешский микроскопист Ян Пуркинье впервые описал жидкое содержимое клетки
и назвал его протоплазмой.
1831 г – шотландский ученый Роберт Броун описал в клетках кожицы листа орхидей округлые
структуры, которые он назвал ядрами. Впервые ввел в науку понятие «ядро».
1837 г. – немецкий ботаник Маттиас Шлейден сформулировал теорию образования
растительных клеток из бесструктурной плазмы.
1838 г. – немецкий зоолог Теодор Шванн обосновал клеточную теорию строения организмов.
Клеточная теория строения была сформулирована и опубликована Т. Шванном и М.
Шлейденом в 1839 г. Суть еѐ можно выразить в следующих положениях:
— клетка - элементарная структурная единица строения всех живых существ;
— клетки растений и животных самостоятельны, гомологичны друг другу по
происхождению и структуре. Существенным дополнением основного положения клеточной
теории было открытие еще в 1827 г. академиком Российской АН К. М. Бэром яйцеклетки
млекопитающих.
К. М. Бэр установил, что все организмы начинают свое развитие с одной клетки,
представляющей собой оплодотворенное яйцо. Это открытие показало, что клетка не только
единица строения, но и единица развития всех живых организмов.
1840 г.- Николай Железнов впервые описал амитоз.
1856-1858 г. немецкий патогоанатом, антрополог, гигиенист Рудольф Вирхов сделал
обобщение: новые клетки возникают только путем деления ранее существовавших клеток.
1875 г. – Эдвард Адольф Страсбургер впервые описал митоз и хромосомы. Термин хромосома
предложил В.Вальдейер (1883 г).
1880-1883 г. – А.Шимпер и В.Мейер открыли, описали и классифицироваи пластиды:
хлоропласты, лейкопласты, хромопласты.
1890 г. – Альтман обнаружил митохондрии с помощью специального окрашивания и описал их
как биопласты, которые Бенда в 1897 г. назвал митохондриями.
1892 г. – русский ботаник Дмитрий Иосифович Ивановский открыл вирусы.
1929 г. – биологи впервые использовали электронный микроскоп для изучения клеток. (Е.
Руска, М. Кнолль и Б. Боррие).
1955 г. – В.П. Уйльсон дал обобщенную схему строения клетки, которая вошла во все
учебники.
Таким образом, к началу XX века были сформулированы представление об общности
происхождения и единстве всего живого.
Основные методы изучения клеток:
- использование микроскопов: светового, дающего увеличение до 3 тыс. раз,
электронного, увеличивающего в 300 тыс. раз и более.
- центрифугирование с целью разделения органоидов, имеющих различную массу и
скорость осаждения.
- хроматография и электрофорез - методы разделения биологических молекул.
- использование радиоактивных изотопов фосфора (32Р), углерода (14С), водорода (3Н).
Строение клетки
От внешней среды клетку отделяет клеточная оболочка.
21
Клеточная оболочка образована плазматической мембраной и клеточной стенкой.
Клеточная стенка растений состоит из слоя волокон клетчатки (целлюлозы), у грибов из
хитина, у бактерий из муреина.
В животной клетке клеточной стенки нет.
Строение плазматической мембраны:
В настоящее время общепринята жидкостно-мозаичная модель строения мембраны.
Основу мембраны составляет двойной липидный слой, образованный фосфолипидами –
обеспечивают непроницаемость мембраны.
В бислое хвосты молекул в мембране обращены друг к другу, а полярные головки —
наружу, к воде.
В состав мембраны входят белки (в среднем = 60%) – обеспечивают специфическое
свойство мембраны – избирательную проницаемость.
Молекулы белков не образуют сплошного слоя.
В мембране различают следующие белки:
 периферические — белки, располагающиеся на наружной или внутренней
поверхности липидного бислоя,
 полуинтегральные— белки, погруженные в липидный бислой на различную
глубину,
 интегральные, или трансмембранные - пронизывающие мембрану, контактируя
при этом и с наружной, и с внутренней средой клетки.
Мембранные белки могут выполнять различные функции: транспорт определенных
молекул, катализ реакций, происходящих на мембранах, поддержание структуры мембран,
получение и преобразование сигналов из окружающей среды.
В состав мембраны может входить от 2 до 10% углеводов.
Углеводы располагаются на наружной поверхности мембраны.
Углеводы обеспечивают рецепторные функции мембраны.
В животных клетках гликопротеиды образуют надмембранный комплекс — гликокаликс.
В нем происходит внеклеточное пищеварение, располагаются многие рецепторы клетки, с его
помощью происходит адгезия клеток.
Молекулы белков и липидов подвижны, способны перемещаться, главным образом в
плоскости мембраны. Толщина плазматической мембраны в среднем 7,5 нм.
22
Рис. 17 Строение мембраны клетки
Функции мембраны.
- отделяет клеточное содержимое от внешней среды.
- регулирует обмен веществ между клеткой и средой.
- обеспечивает контакт между клетками в тканях многоклеточных организмов.
- многие химические реакции протекают на ферментативных конвейерах, располагающихся на самих мембранах.
- осуществляет рецепторную функцию. На мембранах располагаются рецепторные
участки для распознавания внешних стимулов.
- осуществляет транспорт веществ.
Существуют различные механизмы транспорта веществ через мембрану.
В зависимости от необходимости использования энергии для осуществления транспорта
веществ различают:
1. Свободный транспорт — транспорт веществ, идущий без затрат энергии;
2. Активный транспорт — транспорт, идущий с затратами энергии.
3. Облегченная диффузия— транспорт веществ с помощью специальных транспортных
белков - переносчиков.
В основе пассивного транспорта лежит разность концентраций и зарядов.
Различают следующие механизмы свободного транспорта:
1).Простая диффузия — транспорт веществ через липидный бислой из большей концентрации
в сторону меньшей. Так поступают в клетку газы, неполярные или малые незаряженные
полярные молекулы.
2). Осмос – транспорт воды с растворенными веществами через полупроницаемую мембрану из
меньшей концентрации в сторону большей.
Облегченная диффузия — транспорт веществ с помощью специальных транспортных белков
- переносчиков. Они взаимодействуют с молекулой переносимого вещества и перемещают ее
сквозь мембрану. Так в клетку транспортируются сахара, аминокислоты, нуклеотиды и многие
другие полярные молекулы. Однако для этого транспорта необходима энергия АТФ.
Активный транспорт возникает тогда, когда необходимо обеспечить перенос через мембрану
молекул против электрохимического градиента.
Различают:
Транспорт по каналам и насосам.
Натрий-калиевый насос. Концентрация К+ внутри клетки значительно выше, чем за ее
пределами, a Na+ — наоборот. Вместе с тем для нормального функционирования клетке важно
поддерживать определенное соотношение ионов К+ и Na+ в цитоплазме и во внешней среде. Это
оказывается возможным благодаря наличию натрий-калиевого насоса, активно перекачивает
Na+ из клетки, а К+ в клетку. На работу натрий-калиевого насоса тратится почти треть всей
энергии, необходимой для жизнедеятельности клетки. За один цикл работы насос выкачивает
из клетки 3 иона Na+ и закачивает 2 иона К+.
Эндоцитоз - процесс поглощения макромолекул клеткой.
При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивание, края ее сливаются, и
происходит отшнуровывание в цитоплазму структур, отграниченных от цитоплазмы одиночной
мембраной, являющейся частью наружной цитоплазматической мембраны.
Различают два типа эндоцитоза:
фагоцитоз — захват и поглощение крупных частиц (например, фагоцитоз лимфоцитов,
простейших и др.) и пиноцитоз — процесс захвата и поглощения капелек жидкости с
растворенными в ней веществами.
23
Рис.18 Типы эндоцитоза: фагоцитоз и пиноцитоз
Экзоцитоз — процесс выведения различных веществ из клетки. При экзоцитозе мембрана
пузырька сливается с наружной цитоплазматической мембраной, содержимое везикулы
выводится за пределы клетки, а ее мембрана включается в состав наружной
цитоплазматической мембраны.
Рис.19 Экзоцитоз
Цитоплазма — обязательная часть клетки.
Включает:
1) гиалоплазму — основное вещество цитоплазмы,
2) органоиды — постоянные компоненты цитоплазмы,
3) включения — временные компоненты цитоплазмы.
Гиалоплазма — бесцветный, слизистый, густой и прозрачный коллоидный раствор.
В ней протекают все процессы обмена веществ. Она обеспечивает взаимосвязь ядра и
всех органоидов.
В зависимости о преобладания в гиалоплазме жидкой части или крупных молекул различают
две формы гиалоплазмы: золь — более жидкая гиалоплазма и гель — более густая гиалоплазма.
Между ними возможны взаимопереходы: гель превращается в золь и наоборот.
Химический состав цитоплазмы:
Вода (60— 90% всей массы цитоплазмы), белки, жиры и жироподобные вещества,
различные органические и неорганические соединения.
Цитоплазма имеет щелочную реакцию.
Характерная особенность цитоплазмы — постоянное движение (циклоз).
Если движение цитоплазмы прекращается, клетка погибает, так как, только находясь в
постоянном движении, она может выполнять свои функции.
24
Органоиды клетки
мембранные органоиды
одномембранные
двумембранные
ЭПС, аппарат Гольджи митохондрии
лизосомы, вакуоли,
пластиды
микротельца
ядро-часть клетки
Органоиды немембранного
строения
рибосомы, клеточный центр,
центриоли, реснички и
жгутики с базальными
тельцами, микротрубочки,
филаменты
Одномембранные органоиды:
1. Эндоплазматический ретикулум, сеть (ЭПР, ЭПС). Органоид, представляющий собой
систему мембран, формирующих цистерны и каналы, соединенных друг с другом и ограничивающих единое внутреннее пространство.
Мембраны с одной стороны связаны с наружной цитоплазматической мембраной, с
другой — с наружной оболочкой ядерной мембраны.
Различают два вида ЭПС: гранулярная, содержащая на своей поверхности рибосомы и
представляющая собой совокупность уплощенных мешочков, и гладкая, мембраны которой
рибосом не несут.
.
Рис.20 Эндоплазматический ретикулум, сеть (ЭПР, ЭПС).
Функции:
1.Разделяет цитоплазму клетки на изолированные отсеки, обеспечивая тем самым
пространственное отграничение различных реакций.
2.Осуществляет синтез углеводов и липидов (гладкий ЭПР) и обеспечивает синтез белка
(шероховатый ЭПР).
3.Накапливает в каналах и полостях, а затем транспортирует к органоидам клетки продукты
биосинтеза.
2. Аппарат Гольджи.
Представляет собой стопку уплощенных цистерн с расширенными краями(диктиосома), с
которой связана система мелких одномембранных пузырьков (пузырьки Гольджи). Каждая
стопка обычно состоит из 4—-6 цистерн.
25
Рис. 21 Комплекс Гольджи
Функции:
Выведение из клетки различных секретов (ферментов, гормонов).
Модификация веществ, поступающих в цистерны комплекса Гольджи.
Образование одномембранных органелл: лизосом, вакуолей, пероксисом, микротелец,.
3. Лизосомы. Это пузырьки диаметром 0,2—0,8 мкм, содержащие до 60 гидролитических
ферментов, активных в слабокислой среде.
Различают: первичные лизосомы, отшнуровавшиеся от аппарата Гольджи и содержащие
ферменты в неактивной форме.
Вторичные лизосомы, образовавшиеся в результате слияния первичных лизосом с
пиноцитозными или фагоцитозными вакуолями. В них происходит переваривание и лизис
поступивших в клетку веществ.
Продукты переваривания усваиваются цитоплазмой клетки, но часть материала так и остается
непереваренной. Вторичная лизосома, содержащая этот не переваренный материал, называется
остаточным тельцем.
Путем экзоцитоза не переваренные частицы удаляются из клетки.
Функции:
Лизис - расщепление веществ с помощью ферментов.
а) реализует функцию адаптивного иммунитета (макрофаги).
б) внутриклеточное пищеварение (у одноклеточных).
в) эндогенное питание (в условиях голодания многоклеточных организмов происходит
переваривание цитоплазматических структур)
Автолиз (аутофагия) - саморазрушение, самопереваривание клетки. Это происходит при:
некоторых процессах дифференцировки (например, замена хрящевой ткани костной,
исчезновение хвоста у головастика лягушек).
4. Вакуоли. Органоид характерный для растительной и грибной клетки, встречается и у
животных.
Растительные клетки имеют одну большую центральную вакуоль. Жидкость, заполняющая еѐ,
называется клеточным соком. Это концентрированный раствор сахаров, минеральных солей,
органических кислот, пигментов и других веществ.
Функции:
В животных клетках могут наблюдаться небольшие вакуоли, выполняющие фагоцитарную,
пищеварительную, сократительную, осморегуляторную функции.
В растительной клетке обеспечивают запас воды и питательных веществ.
Поддерживает тургор – давление цитоплазмы на клеточную стенку.
Двумембранные органоиды:
1. Митохондрии. Органоид, обеспечивающий организм энергией.
Наружная мембрана митохондрий гладкая, внутренняя образует выросты — кристы.
Внутреннее пространство митохондрий заполнено матриксом.
26
В матриксе содержатся кольцевая молекула ДНК, иРНК, тРНК и рибосомы (прокариотаческого
типа). Митохондрии способны размножаться путем деления.
Рис 22 Строение митохондрии
Функции митохондрий:
 кислородное расщепление углеводов, аминокислот, глицерина и жирных кислот;
 синтез АТФ;
 синтез митохондриальных белков.
2. Пластиды. Органоид характерный только для растений.
Различают три основных типа пластид:
 лейкопласты — бесцветные пластиды в клетках неокрашенных частей растений;
 хлоропласты — зеленые пластиды;
 хромопласты— окрашенные пластиды обычно желтого, красного и оранжевого
цвета;
Возможны превращения: лейкопластов в хлоропласты или хромопласты, хлоропластов в
хромопласты.
Наружная мембрана пластид гладкая, а внутренняя имеет складчатую структуру: ламеллы и
тилакоиды.
Внутренняя среда хлоропластов — строма — содержит ДНК и рибосомы прокариотического
типа.
Пластиды способны к автономному делению, как и митохондрии.
Рис. 23 Схема строения хлоропласта
Функции:
1. Лейкопластов:
а) образование хлоро- и хромопластов.
б) место локализации запасных питательных веществ: амилопласты – запас белков
крахмальные зерна – углеводов.
2. Хлоропластов: фотосинтез, образование хромопластов.
3. Хромопласты – стареющие пластиды.
27
Немембранные органоиды:
1. Рибосомы состоят из двух субъединиц неравного размера — большой и малой, на которые
они могут диссоциировать.
Малая субчастица рибосомы отвечает за генетические, декодирующие функции; большая — за
биохимические, ферментативные.
В состав рибосом входят белки и (рРНК). Молекулы рРНК составляют 50—63% массы
рибосомы и образуют ее структурный каркас.
Различают два основных типа рибосом:
эукариотические (с константами седиментации целой рибосомы — 80S, малой субъединицы
— 40S, большой - 60S);
прокариотические (соответственно 70S, 30S, 50S).
Рибосомы могут объединяться в полирибосомы - полисомы. В таких комплексах они связаны
друг с другом одной молекулой иРНК.
Субъединицы рибосомы эукариот образуются в ядрышке. Объединение субъединиц в целую
рибосому происходит в цитоплазме, как правило, во время биосинтеза белка.
Функция:
Синтез белка.
2. Цитоскелет клетки образован микротрубочками и микрофиламентами, клеточным центром.
Функции:
 определяет форму клетки,
 участвует в ее движениях,
 в делении и перемещениях самой клетки,
 во внутриклеточном транспорте органоидов и отдельных соединений,
 фиксирует органоиды в определенном месте.
3. Клеточный центр образован центриолями (диплосома) и уплотненной цитоплазмой
— центросферой.
Центриоль представляет собой цилиндр, образованный девятью группами из трех
слившихся микротрубочек (9 триплетов), соединенных между собой через определенные
интервалы поперечными сшивками.
Формула микротрубочек центриолей: (9*3)+0. В центре микротрубочек нет.
В клетках высших растений, низших грибов и некоторых простейших центриолей нет.
Центриоли относятся к самовоспроизводящимся органоидам цитоплазмы. Они
возникают в результате дупликации.
Рис.24 Центриоль
Функции:
Образование микротрубочек;
Построение веретена деления;
Образование ресничек и жгутиков
28
4. Реснички и жгутики образованы девятью сдвоенными микротрубочками,
образующими стенку цилиндра, покрытого мембраной.
В его центре находятся две одиночные микротрубочки.
Формула: (2*9)+2
Реснички и жгутики укреплены в цитоплазме базальными тельцами, лежащими в основании
этих органоидов. Каждое базальное тельце состоит из девяти троек микротрубочек, в его центре
микротрубочек нет.
Рис. 25 Строение жгутика
Функция:
Обеспечивают движение клеткам.
Ядро клетки состоит из ядерной оболочки, кариоплазмы (нуклеоплазма, ядерный сок),
хроматина, ядрышек.
Ядерная оболочка состоит из двух мембран. Между мембранами имеется узкая щель,
заполненная полужидким веществом. В некоторых местах обе мембраны сливаются друг с
другом, образуя ядерные поры, через которые происходит обмен веществ между ядром и
цитоплазмой. Наружная ядерная мембрана со стороны, обращенной в цитоплазму, покрыта рибосомами, придающими ей шероховатость, внутренняя мембрана гладкая. Выросты внешней
ядерной мембраны соединяются с каналами эндоплазматической сети, образуя единую систему
сообщающихся каналов.
Кариоплазма — внутреннее содержимое ядра, в котором располагаются хроматин и
одно или несколько ядрышек. В состав ядерного сока входят различные белки (в том числе
ферменты ядра), свободные нуклеотиды.
Ядрышко представляет собой округлое плотное тельце, погруженное в ядерный сок.
Количество ядрышек зависит от функционального состояния ядра и может колебаться от 1 до 57 и более (даже в одной и той же клетке). Ядрышки обнаруживаются только в неделящихся
ядрах, во время митоза они исчезают, а после завершения деления возникают вновь.
Ядрышко не является самостоятельной структурой ядра.
Ядрышко — это скопление рРНК и рибосомальных субъединиц на разных этапах
формирования. Гены р-РНК занимают определѐнные участки одной или нескольких
хромосомах и называются ядрышковыми организаторами, в области которых и образуются
ядрышки.Такие участки в метафазных хромосомах выглядят как сужения и называются
вторичными перетяжками.
Хроматином называют глыбки, гранулы и сетевидные структуры ДНК ядра, интенсивно
окрашивающиеся некоторыми красителями и отличающиеся по форме от ядрышка.
Различают:
эухроматин — деспирализованные (раскрученные) участки хроматина, имеющие вид тонких,
неразличимых при световой микроскопии нитей, слабо окрашивающихся и генетически
активных;
29
гетерохроматин — спирализованные и уплотненные участки хроматина, имеющие вид глыбок
или гранул, интенсивно окрашивающихся и генетически не активных. Конструктивный
гетерохроматин образован только нетранскрибируемой ДНК. Его роль заключается в
поддержании общей структуры ядра, прикреплении хроматина к ядерной оболочке, взаимном
узнавании гомологичных хромосом в мейозе, разделении соседних структурных генов, участии
в процессах регуляции их активности. Факультативный гетерохроматин представлен в виде
глыбок, не транскрибируется. П
Хроматин представляет собой форму существования генетического материала в неделящихся
клетках и обеспечивает возможность удвоения и реализации заключенной в нем информации.
Уровни структурной организации (спирализации) хроматина.
В спирализации хроматина принимают участие гистоновые и негистоновые белки. Гистоны
представлены пятью фракциями: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Они являются положительно
заряженными основными белками, поэтому прочно соединяются с молекулами ДНК и
препятствуют считыванию заключѐнной в ней биологической информации. Таким образом
гистоновые белки выполняют функции: структурную (пространственная организация ДНК).,
регуляторную.
Число фракций негистоновых кислых белков превышает 100. Среди них имеются ферменты
синтеза и процессинга РНК, редупликации и репарации ДНК. Негистоновые белки выполняют
структурную и регуляторную функции.
Первый уровень организации хроматина – нуклеосомная нить. Обеспечивается гистоновыми
белками фракций Н2А, Н2В, Н3, Н4. Они образуют белковые тела – коры, состоящие из восьми
молекул (по две молекулы каждого вида гистонов). Молекула ДНК спирально накручивается на
белковые коры: в контакте оказывается 146 пар нуклеотидов (п.н.). Свободные от контакта с
белковыми телами участки ДНК называют связующими или линкерными. Они включают от 15
до 100 п.н.. Отрезок молекулы ДНК длиной около 200 п. н. вместе с белковым кором
составляет нуклеосому. В результате нуклеосомной организации хроматина двойная спираль
ДНК диаметром 2 нм со средней длиной 5 см приобретает диаметр 10-11 нм и длину 2 см.
Второй уровень организации - хроматиновая (элементарная) фибрилла. Обеспечивается
гистоном Н1, который соединяясь с линкерной ДНК и двумя соседними белковыми телами,
сближает их друг с другом. В результате хроматиновая (элементарная) фибрилла имеет
диаметр 20-30 нм и длину 1,2 мм.
Третий уровень организации – интерфазная хромонема. Обусловлен укладкой хроматиновой
фибриллы в петли. В их образовании принимают участие негистоновые белки. Они
взаимодействуют со специфическими нуклеотидными последовательностями вненуклеосомной
ДНК, которые отдалены друг от друга на расстояние в несколько тысяч пар нуклеотидов. Эи
белки сближают участки ДНК с образованием петель. В каждой петле содержится от 20000 до
80000 п.н. В результате хроматиновая (элементарная) фибрилла диаметром 20-30 нм и длиной
1,2 мм. Преобразуется в структуру диаметром 100 – 200 нм и называется интерфазной
хромонемой. Она может иметь петли второго и третьего порядка, образуя структурные блоки с
соседними петлями одинаковой организации. В интерфазном ядре структурные блоки
выявляются как глыбки хроматина.
Следующий уровень организации хроматина – метафазная хромосома. При этом
наблюдается суперспирализация хроматина, которая начинается в профазе, достигая своего
максимума в метафазе и анафазе. Суперспирализация даѐт возможность изучения строения
хромосом в световой микроскоп.
Функция ядра:
Хранение генетической информации и передача ее дочерним клеткам в процессе деления.
Контроль жизнедеятельности клетки путем регуляции синтеза различных белков.
30
Строение клетки прокариот
Прокариоты не имеют оформленного ядра. Наследственный материал хранится в
кольцевой ДНК, называемой нуклеоидом. Клетка прокариот снаружи покрыта клеточной
стенкой, образованной из углевода муреина или пектина. Клетка бактерий окружена
плазматической мембраной. Впячивания мембраны образуют мезосомы, на которых
происходят основные процессы обмена веществ. Из органоидов присутствуют только рибосомы
70-S типа.
Рис. 26 Обобщенная схема строения клетки палочковидной бактерии.
Справа перечислены структуры, встречающиеся в каждой клетке, слева – встречающиеся не
во всех клетках.
Фимбрии и пили – это более тонкие и короткие, чем жгутики, нитевидные образования
(ворсинки).
Фимбрии обеспечивают прикрепление к субстрату, контакт с другими организмами (в
частности, с клеткой хозяина у паразитических бактерий) и другие функции.
Пилями обычно называют ворсинки с внутренним канальцем, по которому в клетку или
из нее передается генетическая информация в форме фаговой нуклеиновой кислоты, плазмид и
пр.
Нуклеоид служит основным, но, как оказалось, не единственным материальным
носителем генетической информации.
Плазмиды - небольшие по размерам и обычно кольцевидно замкнутые молекулы ДНК,
обладают автономной, независимой от нуклеоида, способностью к «размножению» и
кодированию белков. Эти автономные генетические структуры постоянно находятся в
цитоплазме (например, R-плазмиды содержат гены, ответственные за устойчивость к
антибиотикам). Плазмиды могут покидать «свою» клетку и проникать в чужую, передавая ей
свои признаки (например, устойчивость к антибиотика).
Происхождение эукариотической клетки
Гипотеза симбиогенеза:
Основой, или клеткой- хозяином, в эволюции эукариотической клетки послужил
анаэробный прокариот, способный лишь к амѐбоидному движению. Переход к аэробному
дыханию связан с наличием в клетке митохондрий. Они произошли путѐм изменений
симбионтов – аэробных бактерий, проникших в клетку – хозяина и сосуществовавших с ней.
31
Этот симбиоз оказался взаимовыгодным, причем аэробные бактерии со временем утратили
самостоятельность и превратились в митохондрии и пластиды. Потеря самостоятельности
связана с утратой части генов, которые перешли в хромосомный аппарат клетки-хозяина.
Однако митохондрии и пластиды сохранили собственный белоксинтезирующий аппарат и
способность к размножению. Они являются полуавтономными органоидами клетки.
В пользу симбиотического происхождения митохондрий и хлоропластов свидетельствует:
- генетический материал этих органоидов представлен одной кольцевой молекулой ДНК;
- рибосомы по массе, по строению рРНК и синтезируемых белков близки к таковым у
аэробных бактерий и сине-зеленых водорослей;
- митохондрии и хлоропласты могут самостоятельно делиться, независимо от размножения
клетки;
- механизмы белкового синтеза в митохондриях и бактериях чувствительны к одним
антибиотикам (стрептомицину), а циклогексимид блокирует синтез белка в цитоплазме;
- известны существующие сейчас виды амеб, которые не имеют митохондрий и живут в
симбиозе с аэробными бактериями, а в клетках некоторых растений обнаружены
цианобактерии (сине-зеленые), сходные по строению с хлоропластами.
Инвагинационная гипотеза
Согласно гипотезе мембранные оганоиды образовались путѐм инвагинации (впячивания) и
отшнуровки участков мембраны с последующей функциональной специализацией.
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ
Метаболизм - Совокупность реакций обмена веществ.
Ассимиляция (пластический обмен, анаболизм) — совокупность реакций биосинтеза,
протекающих в клетке.
Диссимиляция — (энергетический обмен, катаболизм) - совокупность реакций распада и
окисления высокомолекулярных веществ, идущих с выделением энергии.
Эти две группы реакций взаимосвязаны, реакции биосинтеза невозможны без энергии, которая
выделяется в реакциях энергетического обмена, реакции диссимиляции не идут без ферментов,
образующихся в реакциях пластического обмена.
Рис.27. Взаимосвязь пластического и энергетического обмена
Организмы по способу питания объдиняются в группы
Автотрофы
Фотоавтотрофы
используют
солнечную
энергию
для
синтеза органических веществ
Хемоавтотрофы - образуют
органические
вещества,
используя
энергию,
получаемую при окислении
химических веществ.
Миксотрофы –
смешанный тип
питания
Гетеротрофы
С голозойным способом
питания – проглатывание
твердых частиц;
С
сапротрофным
поглощение растворенных
32
частиц
Метаболизм авто- и гетеротрофов различается
В качестве источника углерода автотрофы используют неорганические вещества (СО2), а
гетеротрофы — органические.
Различны и источники энергии: у автотрофов — энергия солнечного света или энергия,
выделяющаяся при окислении неорганических соединений, у гетеротрофов — энергия
окисления органических веществ
Хемосинтез изучал русский ученый С. Н. Виноградский.
Хемосинтезирующие бактерии получают энергию от окисления водорода, серы, железа,
аммиака и других веществ.
Некоторые реакции, освобождающие энергию:
Нитрифицирующие бактерии: NH3 -> HNО2 -> HNО3 ;
2NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O + Q
2HNO2 + O2 → 2HNO3 + Q
Железобактерии; Fe2+ -> Fe3+
4FeCO3 + O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3 + 4CO2 + Q
Серобактерии:
2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + Q
Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды за счет
энергии света в зеленых частях растений. Изучал русский ученый К.А. Тимирязев.
Главным органом фотосинтеза является лист. Органоидом фотосинтеза - хлоропласты.
В процессе фотосинтеза различают две фазы: световую и темновую.
Световая фаза фотосинтеза.
Световая фаза происходит только на свету в мембранах тилакоидов гран хлоропластов.
Тилакоид представляет собой уплощенный мешочек, образованный мембранами, содержащими молекулы хлорофилла, белки цепи переноса электронов и особые ферменты — АТФсинтетазы.
Молекулы хлорофилла в мембранах тилакоидов организованы в фотосистемы, содержащие
около 300 молекул.
У всех настоящих растений, кроме фотосистемы-1, появляется фотосистема-2, способная
разлагать воду с выделением О2, способная отбирать электроны у водорода воды:
Под действием энергии кванта света электроны хлорофилла возбуждаются, покидают
молекулу и попадают на внешнюю сторону мембраны тилакоида, которая в итоге заряжается
отрицательно.
Окисленные молекулы хлорофилла восстанавливаются, разлагая воду, отбирая
электроны у водорода воды с помощью особого фермента, связанного с фотосистемой-2.
Кислород при этом удаляется во внешнюю среду, а протоны накапливаются в «протонном
резервуаре».
33
Когда разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны
тилакоида достигает 200 мВ, срабатывает фермент АТФ-синтетаза, протоны проталкиваются
через его канал, и происходит фосфорилирование АДФ до АТФ, а атомарный водород идет на
восстановление специфического переносчика:
Таким образом, в световую фазу происходит фотолиз воды, который сопровождается тремя
важнейшими процессами:
1 — образованием кислорода;
2 — образованием АТФ;
3 — образованием НАДФ * Н2.
Темновая фаза фотосинтеза. Темновая фаза протекает в строме хлоропласта.
Для ее реакций не нужна энергия света.
Происходит фиксация углекислого газа, содержащегося в воздухе, причем акцептором
углекислого газа является пятиуглеродный сахар рибулозодифосфат.
Различают С3 - путь фотосинтеза (цикл М.Калвина) и С 4 - путь фотосинтеза (цикл Хэтч Слэка).
Цикл Кальвина
1.Карбоксилирование СО2 присоединяется к пятиуглеродному углеводу рибулезодифосфату
(РДФ). Образуется шестиуглеродное нестойкое соединение, которое распадается на 2
молекулы форфоглицериновой кислоты (ФГК). Молекула ФГК содержит 3 атома углерода и
карбоксильную группу.
Рис. 28 Схема карбоксилирования.
2.Восстановление. Для удаления кислорода из фосфоглицериновой кислоты, используются
НАДФ∙H2 и АТФ, образовавшиеся в световую фазу. В результате восстановления
карбоксильная группа ФГК (-СООН) восстанавливается до альдегидной группы (-СНО) и
образуется фосфоглицериновый альдегид (ФГА) – трехуглеродный сахар с присоединенной
к нему фосфатной группой.
Рис.29 Схема восстановления
34
3. Регенерация акцепторов. На этом этапе в ходе ряда ферментативных реакций
рибулезодифосфат (РДФ) восстанавливается, а из молекул фосфоглицеринового альдегида
(ФГА) синтезируются молекулы глюкозы. Для образования одной молекулы глюкозы
необходимо осуществить 6 оборотов цикла Кальвина , используется 6 молекул СО2, 18
молекул АТФ и 24 протона Н
Рис. 30 Общая схема цикла Кальвина
Суммарное уравнение фотосинтеза: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2.
Цикл Хэтч -Слэка
Этот путь фотосинтеза происходит у ряда растений жарких мест обитания – кукурузы,
сахарного тросника, сорго и др.
Эти растения эффективнее поглощают углекислый газ, чем С 3 - растения.
У этих растений проводящие пучки в листьях окружены клетками обкладки. В клетках
обкладки происходит цикл Кальвина, а в клетках мезофилла – мякоти листа – фотосинтез идет
иначе.
В клетках мезофилла СО2 присоединяется не к РДФ, а к ФЕП (фосфоенолпирувату),
который в ходе химических реакций превращается в щавелево- уксусную кислоту (ЩУК), а
затем в яблочную. Яблочная кислота поступает в клетки обкладки проводящих пучков, где она
накапливается. Затем происходит декарбоксилирование и образуется СО 2 и ФЕП.
Выделяющийся при этом водород восстанавливает НАДФ+ до НАДФ Н2. СО2 в клетках
обкладки участвует в С 3 фотосинтезе.
Рис.31 Схема Цикла Хэтч -Слэка
35
У С4 растений реакции карбоксилирования идут дважды. Это имеет большое значение для
растений, так как все они обитатели засушливых мест и для сохранения воды днем устьица у
этих растений закрыты. Однако процесс фотосинтеза в клетках обкладки идет за счет
накопления СО2 ночью, когда устьица открыты.
Кроме глюкозы в процессе фотосинтеза образуются другие мономеры сложных органических
соединений — аминокислоты, глицерин и жирные кислоты, нуклеотиды.
Бактериальный фотосинтез.
На первых этапах развития жизни фотосинтез не сопровождался выделением кислорода.
И в настоящее время существуют пурпурные и сернистые бактерии, которые при фотосинтезе
используют углекислый газ как источник углерода и H2S как источник водорода.
6СО2 + 6H2S + Q света = С6H12O6 + 6S
Появление фотосистемы, обеспечивающей фотолиз воды, при котором происходит выделение
кислорода, способствовало накоплению кислорода в атмосфере и образованию озонового
экрана.
Кислород в атмосфере остановил процесс абиогенного синтеза органических соединений, но
привел к появлению энергетически более выгодного процесса — дыхания.
Дыхание:
Этапы энергообмена углеводов.
Органические вещества пищи являются основным источником не только материи, но и
энергии для жизнедеятельности клеток организма. При образовании сложных органических
молекул была затрачена энергия, потенциально она находится в форме образованных
химических связей.
В результате реакций энергетического обмена происходит окисление сложных молекул
до более простых и разрушение химических связей, при этом происходит высвобождение
энергии.
Потеря электронов называется окислением, приобретение — восстановлением, при этом
донор электронов окисляется, акцептор восстанавливается.
Процесс энергетического обмена можно разделить на этапы:
Подготовительный этап - происходит пищеварение в желудочно-кишечном тракте: сложные
органические молекулы расщепляются до мономеров.
Анаэробный гликолиз (бескислородное окисление) мономеров.
Аэробное окисление (окисление с участием кислорода) происходит в митохондриях.
36
Рис.32 Схема стадий энергетического обмена
Подготовительный этап. Под действием ферментов пищеварительного тракта,
ферментов лизосом белковые молекулы расщепляются до аминокислот, жиры — до глицерина
и жирных карбоновых кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до
нуклеотидов. Вся энергия при этом рассеивается в виде тепла.
Бескислородное окисление. Окисление глюкозы в клетках без участия кислорода
происходит путем дегидрирования, акцептором Н служит кофермент НАД +. Реакции протекают
в цитоплазме, глюкоза с помощью 10 ферментативных реакций превращается в 2 молекулы
ПВК — пировиноградной кислоты, при этом суммарно образуется 2 моль АТФ и
восстановленная форма переносчика водорода НАД-Н2 (никотинамидадениндинуклеотид):
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД+ -> 2 С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАД • Н2
Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия О2 в клетке.
Если О2 нет, происходит анаэробное дыхание, причем у дрожжей и растений происходит
спиртовое брожение, при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а
затем этилового спирта:
I. С3Н4Оэ -> СО2 + СН3СОН (уксусный альдегид)
II. СН3СОН + НАД • Н2 -> С2Н5ОН + НАД+
У животных и некоторых бактерий при недостатке О2 происходит молочнокислое брожение с
образованием молочной кислоты:
С3Н4О3 + НАД • Н2 -> С3Н6О3 + НАД+
КПД гликолиза бескислородного этапа – 4-5%.
Если О2 есть, то происходит аэробное дыхание в митохондриях.
Аэробное окисление. Протекает в митохондриях.
37
В митохондриях происходит дегидрирование и декарбоксилирование ПВК и образуются
ацетилкофермента (2С), С02, НАДН2.
Ацетил-Ко А образуется и при окислении жирных кислот и глицерола, при окислении аминокислот.
Ацетильная группа (2С) включается в цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот)
На каждую окисленную резервную молекулу ацетил-КоА приходится 1 молекула АТФ,
четыре пары атомов водорода и две молекулы СО2.
Пировиноградная кислота проникает в митохондрии, происходит ее дегидрирование
(отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) с образованием
двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название
реакций цикла Кребса.
Цикл Кребса. Происходит дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и
декарбоксилированием.
В результате на каждую разрушенную моль ПВК из митохондрии удаляется 3 моль СО2,
образуется 5 пар атомов водорода, связанных с переносчиками (4 НАД • Н2, 1ФАД • Н2), а
также моль АТФ.
Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого
газа выглядит следующим образом:
Выделяется: 6 молекул СО2
Образуется: 2 АТФ при гликолизе и 2 — АТФ - в цикле Кребса;
Образуется: 2 пары атомов: (2НАД • Н2) - при гликолизе, 10 пар: (8НАД • Н2 и 2ФАД • Н2)—
в цикле Кребса.
Всего молекулы НАД и ФАД присоединили 24 Н+..
Дыхательная цепь.
Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием О2 до Н2О с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Этот процесс происходит на внутренней
мембране митохондрий.
На внутренней мембране 24Н+ передаются на дыхательную цепь, закачиваются в
межмембранное пространство и устремляются к молекулам О2.
При разности потенциалов 200 мв, 24Н+ проходят через канал АТФ-синтетазы, при этом
образуется 34 АТФ.
Водород передается по трем большим ферментным комплексам дыхательной цепи,
расположенным во внутренней мембране митохондрий.
У водорода отбираются электроны, а протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема
для ионов водорода.
Рис.33 Схема дыхательной цепи
38
Когда разность потенциалов на внешней и внутренней стороне внутренней мембраны
достигает 200 мВ, протоны проходят через канал фермента АТФ-синтетазы и с восстановление
кислорода до воды с выделением энергии, часть которой запасается в форме 34 АТФ. При
окислении 12 пар атомов водорода образуется 34 АТФ.
Суммарная реакция энергетического обмена выглядит так:
С6Н12О6 + 6О2 -> 6СО2 + 6Н2О + 38АТФ + Q
Если внутренняя мембрана повреждена, то окисление НАДН2 продолжается, но не работает
АТФ-синтетаза и образования АТФ не происходит, вся энергия выделяется в форме тепла.
В ходе кислородной стадии синтезируется 36 молекул АТФ и освобождается 2600кДж энергии.
КПД кислородного этапа – 40-50%.
ЭКСПРЕСИЯ ГЕНОВ
Экспрессия генов – процесс реализации информации, записанной в генах в виде белковых
молекул. Включает этапы: транскрипцию и трансляцию.
Рис. 34 Общая схема экспрессии генов
Транскрипция и трансляция у эукариот разобщены в пространстве и во времени,
транскрипция протекает в ядре, трансляция происходит в цитоплазме, по времени не
совпадают.
В основе объяснения механизмов экспрессии генов лежат положения генетического кода.
Генетический код - Это система записи информации о первичной структуре белковой
молекулы при помощи соответствующей последовательности нуклеотидов в ДНК или в
информационной РНК.
Свойства генетического кода:
1. Триплетность: каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов.
2. Однозначность: кодовый триплет, кодон, соответствует только одной аминокислоте.
3. Вырожденность (избыточность): одну аминокислоту могут кодировать несколько (до шести)
кодонов. Это объясняется тем, что в ДНК 4 нуклеотида, а в кодировании 1 аминокислоты
принимает участие только 3 нуклеотида, поэтому 43 = 64 нуклеотида кодируют 20 аминокислот
Из 64 кодовых триплетов 61 кодон — кодируют аминокислоты, а 3 — стоп-кодоны (УАА, УАГ
УГА) терминирующие синтез полипептида.
Кроме того, есть кодон — промотор, инициатор (метиониновый), с которого начинается синтез
любого полипептида.
4. Универсальность: одинаковые аминокислоты кодируются одними и теми же триплетами
нуклеотидов у всех организмов Земли.
39
5.Неперекрываемость: последовательность нуклеотидов имеет рамку считывания по 3
нуклеотида, один и тот же нуклеотид не может быть в составе двух триплетов («жил был кот
тих был сер мил мне тот кот»).
Транскрипция.
В начале 50-х годов Ф. Крик сформулировал положение:
информация о белке находится на матрице ДНК, с которой синтезируется иРНК.
Синтезируемая и –РНК является матрицей для синтеза белковой молекулы.
Матричный синтез позволяет очень точно и быстро синтезировать макромолекулы
полимеров, состоящие из огромного количества мономеров.
У некодирующей цепи молекулы ДНК левый конец 5', правый 3'; у кодирующей,
матричной, с которой идет транскрипция, — противоположное направление.
Фермент, отвечающий за синтез иРНК, РНК-полимераза, присоединяется к промотору,
который находится на 3'-конце матричной цепи ДНК и движется всегда от 3' к 5'-концу.
Промотор — определенная последовательность нуклеотидов, к которой может присоединиться
фермент РНК-полимераза.
Из свободных нуклеотидов комплиментарных нуклеотидам – ДНК по правилу Чаргаффа
собирается иРНК от 5 к 3 концу..
Энергия для синтеза иРНК содержится в макроэргических связях АТФ
Трансляция.
Трансляция — процесс преобразования информации, закодированной в виде
последовательности нуклеотидов иРНК, в последовательность аминокислот в полипептиде.
Синтез белковых молекул происходит на рибосомах.
У эукариот рибосомы находятся в некоторых органоидах — митохондриях и пластидах
(70S рибосомы) и в цитоплазме: в свободном виде и на мембранах эндоплазматической сети
(80S рибосомы).
В малой субъединице рибосомы различают функциональный центр (ФЦР) с двумя
участками — пептидильным (Р-участок) и аминоацильным (А-участок).
В ФЦР может находиться шесть нуклеотидов иРНК, три в пептидильном и три в
аминоацильном участках.
Синтез белка начинается с того момента, когда к 5'-концу иРНК присоединяется малая
субъединица рибосомы, в Р-участок которой заходит метиониновая тРНК с аминокислотой
метионин.
Любая полипептидная цепь на N-конце сначала имеет метионин, который в дальнейшем
чаще всего отщепляется.
Синтез полипептида идет от N-конца к С-концу, то есть пептидная связь образуется
между карбоксильной группой первой и аминогруппой второй аминокислоты.
Затем происходит присоединение большой субчастицы рибосомы, и в А-участок поступает
вторая тРНК, чей антикодон комплементарно спаривается с кодоном иРНК, находящимся в Аучастке.
Пептидилтрансферазный центр большой субчастицы катализирует образование
пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. Отдельного фермента,
катализирующего образование пептидных связей, не существует. Энергия для образования
пептидной связи поставляется за счет гидролиза АТФ.
Как только образовалась пептидная связь, метиониновая тРНК отсоединяется от
метионина, а рибосома передвигается на следующий кодовый триплет иРНК, который
оказывается в А-участке рибосомы, а метиониновая тРНК выталкивается в цитоплазму.
На один цикл расходуется 2 молекулы АТФ. Затем все повторяется, образуется
пептидная связь между второй и третьей аминокислотами.
Трансляция идет до тех пор, пока в А-участок не попадает cтоп-кодон (УАА, УАГ или УГА), с
которым связывается особый белковый фактор освобождения, белковая цепь отделяется от
тРНК и покидает рибосому.
Происходит диссоциация, разъединение субчастиц рибосомы.
40
Скорость передвижения рибосомы по иРНК — 5—6 триплетов в секунду, на синтез
белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислотных остатков, клетке требуется несколько
минут.
Первым белком, синтезированным искусственно, был инсулин, состоящий из 51
аминокислотного остатка.
Синтез белка в клетках прокариот:
ДНК прокариот имеет кольцевую форму, не содержит некодирующих участков.
Структурные гены в клетках прокариот называются цистронами.
Рядом расположенные цистроны называются полицистронами. С обоих концов полицистрон
расположены регуляторные гены.
Промотор с одной стороны, терминатор с другого конца, рядом с промотором находится
оператор, основная функция которого – регуляция начала и окончания синтеза белка.
Промотор, оператор, полицистрон и терминатор образуют оперон.
Опероном называется участок молекулы ДНК, в котором заключена информация о структуре
ферментов, обеспечивающих один метаболический путьв клетках прокариот.
Опероны не являются самостоятельной системой, а «подчиняются» генам-регуляторам,
отвечающим за начало или прекращение работы оперона.
Свой контроль гены-регуляторы осуществляют при помощи специального вещества, которое
они при необходимости синтезируют – белок репрессор. Это вещество реагирует с оператором
и блокирует его, что влечѐт за собой прекращение работы оперона. Если же вещество реагирует
с небольшими молекулами – индукторами, это будет являться сигналом к возобновлению
работы системы.
Синтез белка – фермента в клетках прокариот происходит только тогда, когда в
цитоплазме появляются молекулы – индукторы (веществ, вступающих в реакцию)
Реакции синтеза фермента заканчиваются, если заканчивается субстратная транскрипция
и трансляция у прокариот. Они не имеют временного разграничения (идут одновременно, т.к.
отсутствует ядро).
На основе знаний о единстве организации жизни на Земле: клеточном строении
организмов, развитии из одной клетки, химическом составе ДНК, генетическом
аппарате эукариот и прокариот, единстве в их организации, процессах транскрипции,
трансляции, редупликации стало возможным использование методов пересадки генов из
клетки одного организма в другой. Так возникла генная инженерия.
Генная инженерия дает возможность целенаправленно получать ранее недоступные
препараты (инсулин, интерферон, гормон роста и т.д.) необходимые человеку. Полученный
генно-инженерным путем человеческий инсулин называется хумулин. Он имеет преимущества
перед инсулином, получаемым из поджелудочной железы свиней или коров. Свиной инсулин
близок к человеческому, но вызывает побочные эффекты и аллергические реакции.
При помощи генной инженерии в настоящий момент создают новые полезные виды
микроорганизмов, сорта растений, породы животных, разрабатывают новые методы
диагностики и лечения болезней.
В генетической инженерии наиболее часто используется бактерия кишечная палочка
(Escherichia coli) и дрожжи.
41
Тесты и вопросы к зачету по модулю «Биология клетки»
1. Неорганические вещества клетки –
2. Основные катионы клетки –
3. Основные анионы клетки –
4. Буферные системы клетки –
5. Физиологический раствор 6. Биополимеры –
7. Незаменимые аминокислоты –
8. Денатурация - это –
9. Активный центр фермента –
10. Моносахариды –
11. Дисахариды –
12. Полисахариды –
13. Жиры состоят из 14. К активному транспорту веществ через клеточную мембрану относится…
15. Одномембранные структуры с гидролитическим ферментами, осуществляющие автолиз ….
16. Плазмодесмы выполняют функцию….
17. Складки мембраны митохондрий, увеличивающие общую площадь поверхности…..
18. Компартментация клетки обеспечивается за счет…
19. К вакуолярной системе клетки относятся…
20. Внутренние мембранные структуры хлоропластов…
21. Выросты мембраны бактериальной клетки…
22. Ядро отсутствует в клетке…
23. Мембрана состоит из слоев…
24. Система каналов и полостей, пронизывающая цитоплазму клетки…
25. Центросома состоит из…
26. Полисома – это…
27. Гликокаликс – это….
28. Органоиды не характерные для животной клетки…
29. Двумембранные компоненты клетки…
30. Органоиды, осуществляющие химическую модификацию поступающих продуктов синтеза
клетки, участвующие в секреции, образующие лизосомы…
31. Органоид, обеспечивающий клетку энергией, участвующий в расщеплении органических
соединений…
32. Органоиды, отсутствующие в клетках бактерий…
33. Кодон –
34. Антикодон –
35. Хроматин –
36. Хромосома –
37. Неклеточная форма жизни на Земле…
38. Синтез белка включает этапы….
39. Регуляторные гены – это...
40. Синтез и-РНК на ДНК – называется…
41. Участок ДНК, включающий промотор, транскрибируемый ген, терминатор – это …
42. Некодирующий участок структурного гена – это…
43. Структурный ген бактериальной клетки, не имеющей не кодирующего участка.
44. Гены, кодирующие ферменты и катализирующие один метаболический путь ..
45. Молекулы, запускающие процесс биосинтеза и-РНК в клетках прокариот…
46. Белок, прекращающий синтез и-РНК…
47. Выделение углекислого газа происходит в при клеточном кислородном дыхании во время
этапа…
42
Решите задачи:
Задача №1: Участок цепи белка вируса табачной мозаики состоит из следующих
аминокислот: серин-глицин-серин-изолейцин-треонин-пролин-серин. В результате воздействия
на информационную РНК азотистой кислотой цитозин РНК замещается гуанином. Определите
изменения в строении белка вируса после воздействия на РНК азотистой кислотой.
Задача № 2:Начальный участок молекулы белка имеет следующее строение:
асп-трип-лей-ала-сер-ала.
Определите
количественное
аденин+тимин/гуанин+цитозин в цепи ДНК, кодирующий этот участок белка.
соотношение
Задача №3:Одна их цепей ДНК имеет молекулярную массу 68310. Определите количество
мономеров белка, запрограммированное в этой цепи ДНК.
Задача № 4: Н фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в последовательности АА-Г-Т-Ц-Т-А-Ц-Г-А-Т-Г.
Изобразите схему структуры двуцепочечной молекулы ДНК, объясните, каким свойством
ДНК вы руководствовались, какова длина данного фрагмента ДНК.
Примечание: каждый нуклеотид занимает 0,34 нм по длине цепи ДНК.
Задача № 5: На фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в последовательности АА-Г-Т-Ц-Т-А-Ц-Г-Т-А-Г.
Определите схему структуры двуцепочечной молекулы ДНК, подсчитайте процентный
состав нуклеотидов в этом фрагменте.
Задача № 6:Дина фрагмента молекулы ДНК = 20,4 нм. Сколько нуклеотидов в этом фрагменте?
Задача № 7:Сколько в отдельности содержится теминовых, адениновых, цитозиновых
нуклеотидов во фрагменте молекулы ДНК, если в нем обнаружено 880 гуаниновых
нуклеотидов, которые составляют 22 % от общего количества нуклеотидов в этом фрагменте?
Задача № 8:Участок гена имеет такую последовательность нуклеотидов:
ТТТ-ТАЦ-АЦА-ТГТ-ЦАГ.
Определите последовательность нуклеотидов и РНК, и последовательность аминокислот в
белковой молекуле, которая синтезируется под контролем этого гена.
Задача № 9:Какую длину имеет ген, кодирующий инсулин, если известно, что молекула
инсулина имеет 51 аминокислоту, а расстояние между нуклеотидами в ДНК составляет 0,34 нм?
Задача № 10:Определенный белок содержит 400 аминокислот. Какую длину имеет ген, под
контролем которого этот белок синтезируется, если расстояние между нуклеотидами составляет
0,34 нм?
43
Выполните тесты:
1.
К активному транспорту веществ через клеточную мембрану относится: 1) осмос, 2)
эндоцитоз, 3) транспорт веществ с помощью белков переносчиков, 4) пиноцитоз,
5)диффузия веществ.
2.
Одномембранные структуры с гидролитическими ферментами, осуществляющие автолиз:
1) ЭПС, 2) комплекс Гольджи, 3) вакуоли, 4) лизосомы, 5) митохондрии.
3.
Плазмодесмы выполняют функцию: 1) образуют нити веретена деления, 2) обеспечивают
синтез углеродов, 3) обеспечивают контакт между клетками растений, 4) обеспечивают
контакт между клетками животных, 5) упаковывают ДНК в ядре клетки.
4.
Складки мембраны митохондрий, увеличивающие общую площадь поверхности: 1)
диктиосомы, 2) кристы, 3) ламеллы, 4) граны, 5) тилакоиды.
5.
Компартментация клетки обеспечивается за счет: 1) лизосом, 2) комплекса Гольджи, 3)
ядра, 4) цитоплазмы, 5) ЭПС.
6.
К вакуолярной системе клетки относится: 1) митохондрии, 2) ЭПС, 3) лизосомы, 4) ядро,
5) комплекс Гольджи.
7.
Внутренние мембранные структуры хлоропластов: 1) кристы, 2) диктиосомы, 3)
десмосомы, 4) граны, 5) центриосомы.
8.
Выросты мембраны бактериальной клетки: 1) диктиосома, 2) десмосома, 3) мезосома, 4)
центрисома, 5) плазмодесмы.
9.
Ядро отсутствует в клетках: 1) бактерий, 2) вирусов, 3) цианобактериях, 4) бактериофагов,
5) эритроцитов.
Мембрана состоит из слоев: 1) двух, 2) трех, 3)четырех, 4) двух белковых и одного
липидного.
10.
11.
Система каналов и полостей, пронизывающая цитоплазму клетки: 1) комплекс Гольджи,
2) вакуоли, 3) вакуолярные пузырьки, 4) ЭПС, 5) диктиосомы.
12.
Центриосома состоит из: 1) двух субъединиц белковой природы и р-РНК, 2) диктиосомы и
пузырьков, 3) двух центриолей и лучистой сферы вокруг них, 4) пузырька с ферментами,
окруженного мембраной, 5) полисом.
13.
Полисома – это несколько: 1) мезосом, 2) центросом, 3) лизосом, 4) рибосом, 5)
диктиосом.
14.
Гликокаликс – это: 1) запасной углевод животной клетки, 2) цитоскелет клетки, 3)
мембранный каркас цитоплазмы, 4) слой углеводородных радикалов на наружной
клеточной мембране, 5) слой липидов клеточной мембраны.
15.
Органоиды не характерные для животной клетки: 1) вакуоли, 2) клеточный центр, 3)
митохондрии, 4) крахмал, 5) пластиды.
16.
Автономные органоиды: 1) ядро, 2) лизосомы, 3) митохондрии, 4)вакуоли, 5) пластиды.
44
17.
Двумембранные компоненты клетки: 1) митохондрии, 2) лизосомы, 3) ядро, 4) пластиды,
5) вакуоли.
18.
Органоиды, осуществляющие химическую модификацию поступающих продуктов
синтеза клетки, участвующие в секреции, образующие лизосомы: 1) ЭПС, 2) комплекс
Гольджи, 3) вакуоли, 4) рибосомы, 5) клеточный центр.
19.
Органоид, обеспечивающий клетку энергией, участвующий в расщеплении органических
соединений: 1) лизосома, 2) рибосома, 3) ЭПС, 4) ядро, 5) митохондрии.
20.
ЭПС выполняет функции: 1) расщепление органических веществ, поступающих в клетку,
2) синтез веществ, 3) транспорт веществ, 4) накопление органических веществ, 5)
осуществление компартментации.
21.
Органоиды, отсутствующие в клетках бактерий: 1) ядро, 2) мезосомы, 3) рибосомы, 4)
ЭПС, 5) клеточный центр.
22.
Вирионы – это: 1) зрелые частицы вируса, 2) вирусная ДНК, 3) нуклеокапсид, 4) капсид,
5) вироспора.
23.
Неклеточная форма жизни на Земле: 1) прокариоты, 2) простейших, 3) цианиды, 4)
вирусы, 5) фаги.
24.
Синтез белка включает этапы: 1) Экспрессия; 2)Транскрипция; 3) Репликация; 4)
Репарация; 5) Трансляция
25.
Регуляторные гены – это 1) терминатор; 2) репрессор; 3) промотор; 4) транскриптон; 5)
репликон.
26.
Синтез и- РНК на ДНК называется: 1) трансляция; 2) экспрессия; 3) репликация; 4)
сплайсинг; 5) транскрипция
27.
Участок ДНК, включающий промотор, транскрибируемый ген, терминатор – это: 1)
репликон; 2)транскриптон; 3)репрессор; 4)оперон; 5)экзон
28.
Некодирующий участок структурного
3)транскриптон; 4)экзон; 5)интрон
29.
Функция малой ядерной РНК: 1)»считывание» информации с ДНК; 2)синтез и -РНК;
3)осуществление процессинга;
4)осуществление инициации транскрипции;
5)соединение экзонов
30.
Структурный ген бактериальной клетки, не имеющий не кодирующего участка:
1)оперон; 2)промотор; 3)цистрон; 4)терминатор; 5)интрон
31.
Гены, кодирующие ферменты катализирующие один метаболический путь: 1)оперон;
2)цистрон; 3)оператор; 4)терминатор; 5)репрессор
32.
Молекулы, запускающие процесс биосинтеза и –РНК в клетках прокариот: 1)репрессор;
2)индуктор; 3)оператор; 4)промотор; 5)терминатор
33.
Белок, прекращающий синтез и- РНК: 1)оператор; 2)репрессор;
4)промотор; 5)терминатор
гена
–
это
1)оперон;
2)репрессор;
3)индуктор;
45
Работы с терминами:
Многие из биологических терминов являются греческими или латинскими словами. Знание
корней слов, приставок, часто встречающихся в биологических терминах, поможет лучше
запомнить и выучить определения.
А…. отрицание смысла следующей части слова.
Авто -, ауто….само, свой, собственный.
Ад -…по направлению. к.
Амфи -.. по обе стороны, оба, того и другого рода.
Андро -.. мужской.
Арх - ,архео - ..первый, основной, самый ранний.
Би -.. два, двойной.
Гетеро - ..иной, отличающийся.
Гипо - ..под, менее.
Гомео - , гомо - … такой же, сходный.
Де - …удаление чего-либо.
Изо - ….равный; близко по смыслу с гомо –
Интер - ..между, в середине.
Интра - … внутри.
Мега - , макро - ….большой.
Мико - … относящийся к грибам.
Микро - …маленький.
Моно - …один, единственный.
-оид -…сходный, подобный.
Оо - … часть сложных слов, означающая яйцо.
Пара - ...около.
Пери - … вокруг, около.
Плазмо - , - пласт… оформленный, вылепленный.
Поли - ..много.
Про - ..прежде, до.
Прото - ..первый.
Псевдо - …ложный.
Сим -, син - …вместе.
Суб - …под.
Схизо - …расщепление.
-троф, трофо - …кормящий, питающийся.
-фил, филло - ..лист.
-фит, фито - …растение, растительный.
Фото - …свет.
-хром, хром - ..цвет, цветной.
Цит – цито - …часть сложных слов, означающих отношение к клетке.
Эко - …местообитание.
Экзо - …снаружи.
Эндо - …внутри.
Эпи - ….на, над.
46
Глоссарий
Автотрофные организмы
oрганизмы, способные самостоятельно синтезировать органические вещества из
неорганических, называют автотрофными;
aвтотрофный тип питания – главная особенность растительного организма.
Анаэробное окисление
биологическое окисление без участия кислорода.
АТФ
aденозинтрифосфорная кислота, или АТФ, – это нуклеотид, содержащий аденин, рибозу и
трифосфат (три остатка фосфорной кислоты).
Молекула АТФ очень энергоемка. Она является универсальным переносчиком и накопителем
энергии. Энергия заключена в связях между тремя остатками фосфорной кислоты. Синтез АТФ
происходит в результате фотосинтеза, дыхания, анаэробного расщепления. Энергию АТФ
клетки используют для всех процессов жизнедеятельности.
Аэробное окисление
биологическое окисление с участием кислорода (дыхание). Основная функция –
обеспечение клетки (и организма) энергией. Осуществляется на этапе кислородного
расщепления веществ в кристах митохондрий.
Белки
сложные органические вещества, выполняющие в клетке важные функции. Представляют
собой гигантские полимерные молекулы, мономерами которых являются аминокислоты.
В построении белков живых организмов обычно участвуют около 20 аминокислот.
Уникальность (специфичность) белка определяется именно последовательностью
соединения определенных аминокислот.
Биологическая мембрана
тончайшая пленка (3,5–10 нм толщиной), состоящая из двойного слоя фосфолипидов и
белков. Мембрана ограничивает содержимое клетки, а также многих внутриклеточных
структур.
Биосинтез
образование органических веществ, происходящее в живых клетках с помощью ферментов
и внутриклеточных структур.
Включения
непостоянные структурные компоненты клетки.
Гомеостаз
способность клетки сохранять устойчивость (стабильность) своего состава и свойств.
ДНК
молекула органического вещества, присутствующая в каждом организме и в каждой живой
клетке, главным образом в ее ядре. ДНК - полимер, мономером ДНК является нуклеотид.
Нуклеотид содержит: сахар дезоксирибозу, остаток фосфорной кислоты и одно из
азотистистых оснований аденин, гуанин, цитозин или тимин. Молекула ДНК является
носителем наследственной информации клетки и организма в целом.
Катаболизм (энергетический обмен)
cовокупность реакций, в которых происходит распад органических веществ с
высвобождением энергии; при разрыве химических связей молекул органических
соединений энергия высвобождается и запасается, главным образом, в виде молекул
аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ); поскольку катабализм обеспечивает все
биохимические процессы в клетке энергией, его называют также энергетическим обменом.
Комплекс Гольджи
состоит из цистерн, трубчатых структур, вакуолей и транспортных пузырьков; основная
функция – накопление химических соединений, синтезируемых в клетке.
Лизосома
(от греч. lysis – растворение и soma – тело)
47
округлый одноцветный органоид, наполненный специальными пищеварительными
ферментами; участвует во внутриклеточных процессах переваривания белков, нуклеиновых
кислот и липидов.
Липиды
(от греч. lipos – жир)
нерастворимые в воде вещества, в состав которых входят части молекул глицерина и трех
жирных кислот; входят в состав клеточной мембраны, влияют на проницаемость клеток и
активность ферментов, участвуют в передаче нервных импульсов, выполняют
энергетическую функцию
Мембранные органоиды
(от лат. membrana – кожица, перепонка и греч. organon – орудие, инструмент и eidos – вид)
внутриклеточные структуры, у которых содержимое отделено от цитоплазмы
биологическими мембранами; к ним относятся эндоплазматическая сеть, комплекс
Гольджи, митохондрии, лизосомы, пластиды.
Метаболизм
(от греч. metabole – перемена)
обмен веществ и энергии; совокупность биохимических реакций, протекающих в клетке и
обеспечивающих процессы ее жизнедеятельности; состоит из пластического и
энергетического обменов.
Митохондрия
(от греч. mitos – нить и chondrion – зернышко, крупинка)
небольшой органоид овальной формы, стенка которого образована двумя мембранами –
наружной и внутренней; внутренняя мембрана образует много складок, называемых
кристами; митохондрии имеют собственную ДНК, способны к делению, участвуют в
процессах клеточного кислородного дыхания.
Мономеры
(от греч. monos – один, единый и meros – часть)
вещества, молекул которых способны соединяться и образовывать более крупные
молекулы – полимеры.
Немембранные органоиды
(от лат. membrana – кожица, перепонка и греч. organon – орудие, инструмент и eidos – вид)
внутриклеточные структуры, которые образованы без участия мембран: рибосомы,
микротрубочки, клеточный центр.
Неорганические вещества клетки
вода, различные минеральные соли, углекислый газ, кислоты и основания.
Нуклеиновые кислоты
(от лат. nucleus – ядро)
высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу
наследственной информации в живых организмах из поколения в поколение; в зависимости
от того, какой углевод входит в состав нуклеиновой кислоты – дезоксирибоза или рибоза,
различают дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты; молекулы
нуклеиновых кислот – полимерные цепочки, мономерами которых являются нуклеотиды.
Органоиды клетки
(от греч. organon – орудие, инструмент и eidos – вид)
постоянные структурные компоненты, которые выполняют жизненно важные для клетки
функции.
Основные свойства (признаки) живого
питание,
дыхание,
размножение,
выделение,
подвижность,
раздражимость,
приспособленность, рост и развитие.
Пластиды
(от греч. plastides – создающий)
48
органоиды, свойственные только растительным клеткам; различают три вида пластид в
зависимости от окраски: зеленые – хлоропласты, желтые и оранжевые – хромопласты и
бесцветные – лейкопласты; в хлоропластах на свету осуществляется процесс фотосинтеза.
Пластический обмен (Анаболизм)
(от греч. anabole – подъем)
cовокупность химических процессов, направленных на образование и обновление
структурных частей клеток; является созидательным этапом обмена веществ;
осуществляется всегда с потреблением энергии при участии ферментов.
Прокариоты
(от лат. pro – перед, раньше и греч. karyon – ядро)
организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра; к ним относятся бактерии
(включая цианобактерии) и архебактерии.
Рибосома
(от рибонуклеиновая кислота и греч. soma – тело)
органоид, выполняющий «сборку» полимерной молекулы белка и осуществляющий его
синтез. РНК
нуклеиновая кислота, сходная по строению с ДНК, но ее молекулы состоят только из одной
цепочки; молекулы РНК находятся в ядре, цитоплазме и некоторых органоидах клетки;
РНК является посредником между ДНК и синтезируемыми белками, участвуя в процессе
сборки мономеров в полимер.
Структурные уровни организации жизни
молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и
биосферный уровни, представляющие собой особые эволюционно сложившиеся
обособленные (дискретные) формы жизни на Земле в разных по сложности биосистемах.
Транскрипция
(от лат. transcriptio – переписывание)
первый этап биосинтеза белка, характеризующийся «списыванием» генетической
информации с ДНК путем создания иРНК.
Трансляция
(от лат. translatio – передача)
второй этап биосинтеза белка, характеризующийся «считыванием» генетической
информации с иРНК и создание (сборка) полимерной цепи из аминокислот на рибосомах.
Углеводы
органические вещества, в состав которых входят углерод, водород и кислород; выполняют в
клетке различные функции: энергетическую (сахароза, глюкоза), защитную (целлюлоза),
резервную (крахмал, гликоген); являются важнейшими компонентами органических
веществ клетки, имеются у всех без исключения живых организмов.
Ферменты
(от лат. fermentum – закваска)
специфические белки, ускоряющие химические реакции в клетках всех живых организмах.
Фотосинтез
(от греч. photos – свет и synthesis – соединение, составление)
процесс создания зелеными клетками органических веществ из неорганических с
использованием энергии солнечного света; единственный на Земле процесс превращения
энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ.
Цитология
(от греч. kytos – клетка, сосуд и logos – учение)
наука о строении, химическом составе, функциях, индивидуальном и историческом
развитии клетки у многоклеточных и одноклеточных организмов.
Цитоплазма
(от греч. kytos – клетка и plasma – вылепленное, оформленное)
49
внеядерная часть протоплазмы клетки, то есть внутреннее содержимое клетки без ядра;
важнейшая роль цитоплазмы заключается в объединении всех клеточных структур
(компонентов) и обеспечении их химического взаимодействия.
Цитоплазматическая (клеточная) мембрана
мембрана, отделяющая от внешней среды содержимое клетки и осуществляющая ее
взаимодействие с внешней средой, а также с соседними клетками.
Эндоплазматическая сеть
cложная система в виде трубочек, мешочков, плоских цистерн разных размеров,
расположенная в цитоплазме клетки; участвует в обменных процессах, обеспечивая
транспорт веществ из окружающей среды в цитоплазму, а также между отдельными
внутриклеточными структурами.
Энергетический обмен (катаболизм)
(от греч. katabole – сбрасывание вниз)
cовокупность реакций, в которых происходит распад органических веществ с
высвобождением энергии. При разрыве химических связей молекул органических
соединений энергия высвобождается и запасается, главным образом, в виде молекул
аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Катаболизм обеспечивает все биохимические
процессы в клетке энергией, поэтому его еще называют энергетическим обменом.
Ядро клетки
плотное тельце, часто овальной формы, заполненное густым ядерным веществом –
кариоплазмой; от цитоплазмы ядро отделено двухслойной ядерной мембраной.
50
ЛИТЕРАТУРА:
Общая биология: 10-11 кл. / Д.К. Беляев, А.О. Рувинский, Н.Н. Воронцов [и др.]. – М.:
Просвещение, 1993.
Биология для поступающих в вузы / под ред. В.Н. Ярыгина. – М.: Высш. шк., 1995.
Большой справочник для школьников и поступающих в вузы. Биология. – М: Дрофа, 1999.
Грин, Н. Биология. Т. 1-3 / Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор. – М.: Мир, 1990.
Захаров, В.Б. Биология: общие закономерности / В.Б. Захарова, С.Г. Мамонтов, В.И.
Сивоглазов. – М.: Школа-Пресс, 1996.
Кемп, П. Введение в биологию / П. Кемп, К. Арме. – М.: Мир, 1988.
Мамонтов, С.Г. Биология: для поступающих в вузы / С.Г. Мамонтов. – М.: Высш. шк., 1991.
Слюсарев, А.А. Биология / А.А. Слюсарев, С.В. Жукова. – Киев: Высш. шк., 1987.
Соколовская, Б.Х. Задачник по генетике / Б.Х. Соколовская. – Новосибирск: Наука, 1969. – 20 с.
Пименов, А.В. Уроки биологии в 10 (11) классе. Развернутое планирование / А.В. Пименов. –
Ярославль: Академия развития, 2001. – 272 с.
Пономарева, И.Н. Основы общей биологии: учебник для учащихся 9 кл. общеобразовательных
учреждений / И.Н. Пономарева, О.А. Корнилова, Н.М. Чернова. – М.: Вентана-Графф, 2002.
Пономарева, И.Н. Общая биология: учебник для учащихся 10 кл. общеобразовательных
учреждений / И.Н. Пономарева, О.А. Корнилова, Т.Е. Лощилина. – М.: Вентана-Графф, 2004.
Общая биология: учебник для учащихся 11 кл. общеобразовательных учреждений / под ред.
проф. И.Н. Пономаревой. – М.: Вентана-Графф, 2002.
Беркинблит, М.Б. Общая биология: в 2 ч. / М.Б. Беркинблит, С.М. Глаголев, В.А. Фуралев. – М.:
МИРОС, 2000.
Человек. Современная школьная энциклопедия. – М.: Росмэн, 2007.
Предметные недели в школе: биология, экология, здоровый образ жизни / сост. В.В.
Балабанова, Т.А. Максимцева. – Волгоград: Учитель, 2003. – 154 с.
Биологический энциклопедический словарь / гл. ред. М.С. Гиляров. – М.:Сов. энциклопедия,
1986. – 831 с.
Биология для школьников. Научно-популярный журнал для старшеклассников.
Баранов В.С.Геном человека – научная основа молекулярной медицины/ Биология для
школьников. № 2 .2003 С.2-9
Электронные ресурсы:
Открытый колледж – Биологии [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://www.college.ru/biology/index.html
Базовые Основы Биологии [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://www.mediaterra.ru/project/biology/index.htm
51