Усі живі організми Землі є відкриті системи, здатні активно організовувати надходження енергії та речовини ззовні. Енергія необхідна для здійснення життєво важливих процесів, але насамперед для хімічного синтезу речовин, що використовуються для побудови та відновлення структур клітини та організму. Живі істоти здатні використовувати лише два види енергії: світлову(енергію сонячного випромінювання) та хімічну(енергію зв'язків хімічних сполук) – за цією ознакою організми поділяються на дві групи – фототрофи та хемотрофи.

Головним джерелом структурних молекул є вуглець. Залежно від джерел вуглецю живі організми ділять на дві групи: автотрофи, що використовують не органічне джерело вуглецю (діоксид вуглецю), та гетеротрофи, що використовують органічні джерела вуглецю.

Процес споживання енергії та речовини називається харчуванням.Відомі два способи харчування: голозойний – за допомогою захоплення частинок їжі всередину тіла та голофітний – без захоплення, за допомогою всмоктування розчинених харчових речовин через поверхневі структури організму. Харчові речовини, що потрапили в організм, залучаються до процесів метаболізму.

Метаболізм є сукупністю взаємопов'язаних і збалансованих процесів, що включають різноманітні хімічні перетворення в організмі. Реакції синтезу, що здійснюються із споживанням енергії, становлять основу анаболізму (пластичного обміну чи асиміляції).

Реакції розщеплення, що супроводжуються вивільненням енергії, становлять основу катаболізму(Енергічного обміну або дисиміляції).

1. Значення АТФ в обміні речовин

Енергія, що вивільняє під час розпаду органічних речовин, не відразу використовується клітиною, а запасається у формі високоенергетичних сполук, як правило, у формі аденозинтрифосфату (АТФ). За своєю хімічною природою АТФ відноситься до мононуклеотидів і складається з азотистої основи аденіну, вуглеводу рибози та трьох залишків фосфорної кислоти.

Енергія, що вивільняється при гідролізі АТФ, використовується клітиною для всіх видів роботи. Значна кількість енергії витрачається на біологічні синтези. АТФ є універсальним джерелом енергозабезпечення клітини. Запас АТФ у клітині обмежений та поповнюється завдяки процесу фосфорилювання, що відбувається з різною інтенсивністю при диханні, бродінні та фотосинтезі. АТФ оновлюється надзвичайно швидко (у людини тривалість життя однієї молекули АТФ менше 1 хвилини).

2. Енергетичний обмін у клітині. Синтез АТФ

Синтез АТФ відбувається у клітинах всіх організмів у процесі фосфорилювання, тобто. приєднання неорганічного фосфату до АДФ Енергія для фосфорилювання АДФ утворюється під час енергетичного обміну. Енергетичний обмін, або дисиміляція, є сукупністю реакції розщеплення органічних речовин, що супроводжуються виділенням енергії. Залежно від довкілля дисиміляція може протікати у два чи три етапи.

Більшість живих організмів – аеробів, що у кисневому середовищі, - під час дисиміляції здійснюється три етапи: підготовчий, безкисневий, кисневий. У анаеробів, що у середовищі позбавленої кисню, чи в аеробів за його недоліку, дисиміляція протікає лише два перших етапи із заснуванням проміжних органічних сполук, ще багатих енергією.

Перший етап – підготовчий – полягає у ферментативному розщепленні складних органічних сполук на більш прості (білків на амінокислоти; полісахаридів на моносахариди; нуклеїнових кислот на нуклеотиди). Внутрішньоклітинне розщеплення органічних речовин відбувається під дією гідролітичних ферментів лізосом. Енергія, що вивільняється при цьому, розсіюється у вигляді теплоти, а малі органічні молекули, що утворюються, можуть піддатися подальшому розщепленню і використовуватися клітиною як «будівельний матеріал» для синтезу власних органічних сполук.

Другий етап - неповне окислення - здійснюється безпосередньо в цитоплазмі клітини, присутності кисню не потребує і полягає в подальшому розщепленні органічних субстратів. Головним джерелом енергії в клітині є глюкоза. Безкисневе, неповне розщеплення глюкози називають гліколізом.

Третій етап – повне окислення – протікає за обов'язкової участі кисню. В результаті молекула глюкози розщеплюється до неорганічного діоксиду вуглецю, а енергія, що вивільнилася при цьому, частково витрачається на синтез АТФ.

3. Пластичний обмін

Пластичний обмін, або асиміляція, є сукупністю реакцій, що забезпечують синтез складних органічних сполук у клітині. Гетеротрофні організми будують власні органічні речовини із органічних компонентів їжі. Гетеротрофна асиміляція зводиться по суті до перебудови молекул.

Органічні речовини їжі (білки, жири, вуглеводи) --> травлення --> Прості органічні молекули (амінокислоти, жирні кислоти, моносахара) --> біологічні синтези --> Макромолекули тіла (білки, жири, вуглеводи)

Автотрофні організми здатні повністю самостійно синтезувати органічні речовини з неорганічних молекул, що споживаються із зовнішнього середовища. У процесі автотрофної асиміляції реакції фото- та хемосинтезу, що забезпечують утворення простих органічних сполук, передує біологічним синтезам молекул макромолекул:

Неорганічні речовини (вуглекислий газ, вода) --> фотосинтез, хемосинтез --> Прості органічні молекули (амінокислоти, жирні кислоти, моносахара)-----біологічні синтези --> Макромолекули тіла (білки, жири, вуглеводи)

4. Фотосинтез

Фотосинтез – синтез органічних сполук з неорганічних, що йде за рахунок енергії клітини. Провідну роль у процесах фотосинтезу відіграють фотосинтезуючі пігменти, що мають унікальну властивість - вловлювати світло і перетворювати його енергію на хімічну енергію. Фотосинтезуючі пігменти є досить численною групою білково-подібних речовин. Головним і найважливішим у енергетичному плані є пігмент хлорофіл а, що зустрічаються у всіх фототрофів, крім бактерій-фотосинтетиків. Фотосинтезуючі пігменти вбудовані у внутрішню мембрану пластид у еукаріотів або у вп'ячування цитоплазматичної мембрани у прокаріотів.

У процесі фотосинтезу крім моносахаридів (глюкоза та ін.), які перетворюються на крохмаль і запасаються рослиною, синтезуються мономери інших органічних сполук – амінокислоти, гліцерин та жирні кислоти. Таким чином, завдяки фотосинтезу рослинні, а точніше - хлорофіловмісні, клітини забезпечують себе і все живе на Землі необхідними органічними речовинами та киснем.

5. Хемосинтез

Хемосинтез також являє собою процес синтезу органічних сполук з неорганічних, але здійснюється він не за рахунок енергії світла, а за рахунок хімічної енергії, одержуваної при окисленні неорганічних речовин (сірки, сірководню, заліза, аміаку, нітриту та ін). Найбільше значення мають нітрифікуючі, залізо- та серобактерії.

Енергія, що вивільняється в ході реакцій окислення, запасається бактеріями у вигляді АТФ і використовується для синтезу органічних сполук. Хемосинтезуючі бактерії відіграють дуже важливу роль у біосфері. Вони беруть участь в очищенні стічних вод, сприяють накопиченню в ґрунті мінеральних речовин, підвищують родючість ґрунту.

ДНК-біополімер, мікро молекула, полінуклеотид, -маномер-нуклеотид Азотисті основи-дезоксирибоза-залишок фосфорної кислоти Азотисті основи:аденін,тимін,гуанін,цитозин-дволанцюгова будова РНК-біополімер,макромолекула -Залишок фосфорної кислоти Азотисті основи: аденін, урацил, гуанін, цитозин. Молекула РНК - одноланцюгова. Функції: ДНК-збереження генетичної інформації РНК-передача генетичної інформації

Іформаційна РНК, яка несе відомості про первинну структуру білкових молекул, синтезується в ядрі. Пройшовши через пори ядерної оболонки, і-РНК прямує до рибосом, де здійснюється розшифровка генетичної інформації - переведення її з Уязика нуклеотидів на Уязик амінокислот.

Амінокислоти, з яких синтезуються білки, доставляються до рибосом за допомогою спеціальних РНК, які називають транспортними (т-РНК). У т-РНК послідовність трьох нуклеотидів комплементарна нуклеотидів кодону і-РНК. Така послідовність нуклеотидів у структурі т-РНК називається антикодоном. Кожна т-РНК приєднує певну, свою амінокислоту, за допомогою ферментів і з витратою АТФ. У цьому полягає перший етап синтезу.

Щоб амінокислота включилася в ланцюг білка, вона повинна відірватися від т-РНК. На другому етапі синтезу білка т-РНК виконує функцію перекладача з Уязика нуклеотидів на Уязик амінокислот. Такий переклад відбувається на рибосомі. У ній є дві ділянки: однією т-РНК отримує команду від и-РНК - антикодон дізнається кодон, іншою - виконується наказ - амінокислота відривається від т-РНК.

Третій етап синтезу білка полягає в тому, що фермент синтетазу приєднує амінокислоту, що відірвалася від т-РНК до зростаючої білкової молекули. Інформаційна РНК безперервно ковзає рибосомою, кожен триплет спочатку потрапляє в першу ділянку, де впізнається антикодоном т-РНК, потім на другу ділянку. Сюди переходить т-РНК з приєднаної до неї амінокислотою, тут амінокислоти відриваються від т-РНК і з'єднуються один з одним у тій послідовності, в якій триплети слідують один за одним.

Коли на рибосомі в першій ділянці виявляється один із трьох триплетів, які є розділовими знаками між генами, це означає, що синтез білка завершений. Готовий ланцюг білка відходить від рибосоми. Процес синтезу білкової молекули потребує великих витрат енергії. На поєднання кожної амінокислоти з т-РНК витрачається енергія однієї молекули АТФ.

Для збільшення виробництва білків і-РНК часто одночасно проходить не через одну, а через кілька рибосом послідовно. Таку структуру, об'єднану однією молекулою іРНК, називають полісомою. На кожній рибосомі в такому, схожому на нитку намиста, конвеєрі послідовно синтезуються кілька молекул однакових білків.

Синтез білка на рибосомах зветься трансляції. Синтез білкових молекул відбувається безперервно і з великою швидкістю: за одну хвилину утворюється від 50 до 60 тис. пептидних зв'язків. Синтез однієї молекули білка триває лише 3-4 секунди. Кожен етап біосинтезу каталізується відповідними ферментами та забезпечується енергією за рахунок розщеплення АТФ. Синтезовані білки надходять у канали ендоплазматичної мережі, якими транспортуються до певних ділянок клітини.

Рослинна клітина як осмотична система

Рослинна клітина є осмотичною системою. Клітковий сік вакуолі є висококонцентрованим розчином. Осмотичний тиск клітинного соку позначається -.

Щоб потрапити у вакуолю, вода повинна пройти через клітинну стінку, плазмалемму, цитоплазму та тонопласт. Клітинна стінка добре проникна для води. Плазмалемма і тонопласт мають виборчу проникність. Тому рослинну клітину можна розглядати як осмотичну систему, в якій плазмалема та тонопласт є напівпроникною мембраною, а вакуоля з клітинним соком – концентрованим розчином. Тому, якщо клітину помістити у воду, вода за законами осмосу почне надходити всередину клітини.

Сила, з якою вода надходить усередину клітини, називається смокче силою – S.

Вона тотожна водному потенціалу.

У міру надходження води у вакуолю, її обсяг збільшується, вода розбавляє клітинний сік, і клітинні стінки починають відчувати тиск. Клітинна стінка має певну еластичність і може розтягуватися.

Зі збільшенням обсягу вакуолі цитоплазма притискається до клітинної стінки та виникає тургорний тиск на клітинну стінку (Р). Одночасно з боку клітинної стінки виникає рівне за величиною протитиск клітинної стінки протопласт. Протитиск клітинної стінки називається потенціалом тиску (-Р).

Таким чином, величина сисної сили S визначається осмотичним тиском клітинного соку і тургорним гідростатичним тиском клітини Р, яке дорівнює протитиску клітинної стінки, що виникає при її розтягуванні -Р.

S = - Р або - -.

Якщо рослина знаходиться в умовах достатньої зволоженості ґрунту та повітря, то клітини перебувають у стані повного тургору. Коли клітина повністю насичена водою (тургесцентна), то її сила, що смокче, дорівнює нулю S = 0, а тургорний тиск дорівнює потенційному осмотичному тиску Р = .

При нестачі вологи у ґрунті спочатку виникає водний дефіцит у клітинній стінці. Водний потенціал клітинної стінки стає нижчим, ніж у вакуолях, і вода починає переміщатися з вакуолі в клітинну стінку. Відтік води з вакуолі знижує тургорний тиск у клітинах і збільшує їхню суттєву силу. При тривалому нестачі вологи більшість клітин втрачає тургор, і рослина починає зав'янути, втрачаючи еластичність та пружність. При цьому тургорний тиск Р = 0, а сила, що смокче S =

Якщо через дуже велику втрату води тургорний тиск впаде до нуля, то лист зав'яне зовсім. Подальша втрата води призведе до загибелі протопласту клітин. Пристосувальною ознакою до різкої втрати води є швидке закриття продихів при нестачі вологи.

Клітини можуть швидко відновити тургор, якщо рослина отримає достатню кількість води або в нічний час, коли рослина отримує достатню кількість води із ґрунту. А також при поливі.

Водний потенціал; дорівнює 0 для чистої води; дорівнює 0 або негативний для клітин.

Осмотичний потенціал, завжди негативний

Потенціал тиску; зазвичай позитивний для живих клітинах(у клітинах, вміст яких перебуває під тиском, але негативний у клітинах ксилемы(в яких створюється натяг води).

Сумарний результат дії

При повному тургорі

При початковому плазмолізі

Якщо помістити клітину в гіпертонічний розчин з нижчим водним потенціалом, вода починає виходити з клітини шляхом осмосу через плазматичну мембрану. Спочатку вода виходитиме з цитоплазми, потім через тонопласт з вакуолі. Живий вміст клітини – протопласт при цьому зморщується та відстає від клітинної стінки. Відбувається процес плазмоліз.Простір між клітинною стінкою та протопластом заповнює зовнішній розчин. Така клітина називається плазмолізованою. Вода виходитиме з клітини до тих пір, поки водний потенціал протопласту не буде дорівнює водному потенціалу навколишнього розчину, після чого клітина перестає зморщуватися. Цей процес оборотний і клітина не отримує пошкоджень.

Якщо клітину помістити в чисту воду або гіпотонічний розчин, то тургорний стан клітини відновиться і відбувається процес деплазмоліз.

В умовах водного дефіциту в молодих тканинах різке посилення втрати води призводить до того, що тургорний тиск клітини стає негативним і протопласт, скорочуючись в обсязі, не відокремлюється від клітинної стінки, а тягне її за собою. Клітини та тканини стискаються. Це явище називається циторріз.

Обмін речовин та енергії (метаболізм) здійснюється на всіх рівнях організму: клітинному, тканинному та організмовому. Він забезпечує сталість внутрішнього середовища організму – гомеостаз – у безперервно мінливих умовах існування. У клітині протікають одночасно два процеси - це пластичний обмін (анаболізм чи асиміляція) та енергетичний обмін (фатаболізм чи дисиміляція).

Пластичні обмін-це сукупність всіх процесів синтезу, коли з простих речовин утворюється складні при цьому витрачається енергія.

Енергетичний обмін-це сукупність всіх процесів розщеплення, коли з складних речовин утворюється прості і при цьому виділяється енергія.

Гомеостаз-підтримується балансом між пластичним та енергетичним обміном. Якщо цей баланс порушується, то в організмі чи його частині виникають патології (хвороби).

Метаболізм- відбувається при нормальній температурі, тиску та певному РН середовищі

11.Енергетичний обмін у клітині.

Енергетичний обмін – це сукупність хімічних реакцій поступового розпаду органічних сполук, що супроводжуються вивільненням енергії, частина якої витрачається на синтез АТФ. Синтезована АТФ стає універсальним джерелом енергії для життєдіяльності організмів.

Етапи енергетичного обміну:

1. Підготовчий- на ньому складні речовини розщеплюються до простих, наприклад, полісахариди до моносахарид. Цей етап відбувається в цитоплазмі, при ньому виділяється енергія, але дуже мало, тому енергія розсіюється у вигляді тепла.

2. Безкисневий- в лізосомах, на цьому етапі триває розщеплення речовин до більш простих без участі кисню з виділенням двох молекул АТФ

3. Кисневий- на ньому продовжується розщеплення речовин за участю кисню до кінцевих продуктів (вуглекислий газ та вода) з виділенням 36 АТФ. Цей процес відбувається у мітохондріях.

Живлення клітини. Хемосинтез

Живлення клітини відбувається в результаті низки складних хімічних реакцій, в ході яких речовини, що надійшли в клітину із зовнішнього середовища (вуглекислий газ, мінеральні солі, вода), входять до складу тіла самої клітини у вигляді білків, цукрів, жирів, олій, азотних та фосфорних з'єднань.

Усі живі організми можна розділити на 2 групи:

1. Автотрофний тип харчування-до них відносяться організми, які самі собі синтезують органічні сполуки з неорганічних.

2 види автотрофів:

Фотосинтетики - це автотрофи, які використовують енергію сонячного світла (рослини, ціанобактерії, найпростіші)

Хемосинтетики – це організми, які використовують енергію хімічних зв'язків. До цього типу належать практично всі бактерії (азотофіксатори, серобактерії, залізобактерії)

Хемосинтез було відкрито Виноградовим.

Хемосинтез - спосіб автотрофного харчування, у якому джерелом енергії синтезу органічних речовин з CO2 служать реакції окислення неорганічних сполук. Подібний варіант отримання енергії використовується лише бактеріями чи археями.

2.Гетеротрофний тип харчування - характерний для організмів, які харчуються готовими органічними сполуками.

Сопрофіти - це гетеротрофи, які харчуються мертвими тканинами або організмами (ворони, стерв'ятники, гієни..)

Рослинно отруйні-гетеротрофи які писаються рослинними організмами (травоїдні)

Плотоядні (хижаки) - гетеротрофи, які відловлюють і поїдають інші організми (комахоїдні)

Всеїдні- вживають рослинну та тваринну їжу

3.Міксотрофний тип харчування - поєднує автотрофний і гетеротрофний тип харчування (росянка, евглена зелена)

Фотосинтез

Фотосинтез це складний процес утворення їх неорганічних речовин за рахунок енергії сонячного світла. Головним органом фотосинтезу є лист, тому що в ньому найбільше хлоропластів і його форма підходить найбільше для сприйняття сонячного світла.

Фази фотосинтезу:

1.Світлова фаза-включає 2 основних процесу фотоліз води і нециклічне фосфорилювання.

Тилакоїди- це сплощені мембранні мішечки на яких розташовуються пігменти хлорофіли і особливий переносник електронів, який називається цитохром.

На тилакоїдах розміщуються 2 фото системи:

Фотосистема 1 містить хлорофіл а1, який сприймає квант світла завдовжки 700 нанометрів.

Фотосистема 2 містить хлорофіл а2, який сприймає квант світла завдовжки 680 нанометрів.

Коли квант світла потрапляє на фотосистему 1, електрони хлорофілу а1 збуджуються і передаються такий процес як фатоліз води т. е. Вода розщеплюється до водню і гидроксогруппы. Водень йде відновлення речовини. Утворена гідроксогрупа накопичується і перетворюється на воду і кисень, який залишає клітину.

Коли квант світла потрапляє на фотосистему 2 електрони хлорофілу під впливом світла збуджуються і до молекули АДФ за рахунок енергії приєднується залишок фосфорної кислоти в результаті виходить молекула АТФ.

Світлова фаза відбувається на тилакодах, де утворюється необхідна енергія для утворення органічних речовин.

Темнова фаза - протікає у стромі незалежного від сонячного світла. Тут у ході складних реакцій за рахунок утвореної енергії вуглекислий га перетворюється на глюкозу. Ці реакції називають цикл Кальвіна.

Генетичний код

Це властивий для всіх живих організмів спосіб кодування амінокислотної послідовності білків за допомогою послідовності нуклеотидів.

До складу ДНК можуть входити 4 азотисті основи:

Аденін, Гуанін, Тімін, Цитозін

ДНК може кодувати 64 амінокислоти

Властивості:

1. Виродженість- підвищує надійність зберігання та передачі генетичної інформації при розподілі клітин

2. Специфічність - 1 триплет завжди кодує лише 1 амінокислоту

Генетичний до універсальний для всіх живих організмів від бактерії до людини

15. Транскрипція та трансляція

Синтез білка включає 2 етапи:

1. Транскрипція-це перепис інформації з молекули ДНК на інформаційну РНК

Цей процес протікає в ядрі за участю ферменту полімерази РНК. Цей фермент визначає початок і кінець синтезу. Початком є ​​специфічна послідовність нуклеотидів, яка називається промотором. Кінець також є послідовністю нуклеотидів, яка називається термінатор.

Транскрипція починається з визначення ділянки молекули ДНК, звідки списуватиметься інформація

Потім ця ділянка розкручується за принципом комплементарності до одного ланцюжка ДНК будується інформаційна РНК. Після завершення синтезу ДНК знову закручується.

2. Трансляція-це переклад послідовності туклеотидів інформаційної РНК в послідовність амінокислот

Транспортна РНК переносить інформаційну РНК до рибосоми. Тут інформаційна РНК вбудовується в малу субодиницю рибосоми, але в неї міститься тільки 2 триплети тому в ході синтезу інформаційна РНК пересувається у велику субодиницю, транспортна РНК переносить амінокислоти, якщо амінокислота підходить, то вона відокремлюється від транспортної РНК і приєднується до інших амінокислот. зв'язків.

Транспортна РНК залишає рибосому, а у велику субодиницю входять нові транспортні РНК

Якщо ж амінокислота не підходить за принципом комплементарності до інформації в малій субодиниці, то це транспортна РНК з амінокислотою залишає рибосому.

Початок синтезу білка позначається аденін, урацил, гуанін, а закінчуються стоп кадоном

Коли синтез білка закінчується, первинна структура білка відокремлюється від рибосоми та білок приймає потрібну структуру

Життєвий цикл клітини

Клітинний цикл - це період існування клітини з моменту її утворення шляхом поділу материнської клітини до власного поділу чи загибелі.

Інтерфаза - фаза у життєвому циклі між двома поділами клітини. Вона характеризується активними процесами обміну речовин, синтезом білка, РНК, накопиченням поживних речовин клітиною, зростанням та збільшенням обсягу. У середині інтерфази відбувається подвоєння ДНК (реплікація). У результаті кожна хромосома містить 2 молекули ДНК і складається із двох сестринських хроматид, які зчеплені центроміром і утворюють одну хромосому. Клітина готується до поділу, подвоюються її органоїди. Тривалість інтерфази залежить від типу клітин та в середньому становить 4/5 від загального часу життєвого циклу клітини. Розподіл клітини. Зростання організму здійснюється з допомогою розподілу його клітин. Здатність до поділу - найважливіша властивість клітинної життєдіяльності. Ділячись, клітина подвоює всі свої структурні компоненти, і в результаті виникають дві нові клітини. Найбільш поширеним способом поділу клітини є мітоз - непряме поділ клітини. Мітоз – процес утворення двох дочірніх клітин, ідентичних вихідній материнській клітині. Він забезпечує відновлення клітин у процесі їхнього старіння. Мітоз складається з чотирьох послідовних фаз:

1.Профаза-освіта хромосом з двома хроматидами, руйнування ядерної оболонки.

2.Метофаза-освіта веретена поділу, укорочення хромосом, формування екватеріальної клітини

3.Анафаза-поділ хроматид, розбіжність їх до полюсів вздовж волокон веретена поділу

4.Телофаза- Зникнення веретена поділу, утворення ядерних мембран, диспіралізація хромосом.

Мітоз. Амітоз

Мітоз - це процес непрямого поділу соматичних клітин еукаріотів, в результаті якого спадковий матеріал спочатку подвоюється, а потім рівномірно розподіляється між дочірніми клітинами. Він є основним способом поділу клітин еукаріотів. Тривалість мітозу у тварин клітин становить 30-60 хв, а у рослинних - 2-3 год. Складається з 4 основних фаз:

1. Профаза - починається зі спералізації ланцюжків ДНК до хромосом, руйнується ядерця і ядерна оболонка, хромосоми починають вільно плавати в цитоплазмі. Наприкінці профази починає формуватися веретено поділу

2. Метофаза-хромосоми вишиковуються строго на екваторі у вигляді метофазної пластинки. Нитки веретена поділу, яке вже повністю сформувалося, проходять через цинтромери хромосом ділячи хромосому на 2 хроматиди

3. Анафаза- Тут нитки веретена поділу поділяють і розтягують до різних полюсів хроматиди. Веретено поділу починають руйнуватися.

4. Телофаза Тут на полюсах клітини хроматиди диспералікуються, покриваються ядерною оболонкою і починається розподіл цитоплазми та самої клітини.

У результаті мітозу утворюється 2 однакові диплоїдні клітини.

Каріокенез - це розподіл ядра

Цитокенез-це поділ цитоплазми і самої клітини

Амітоз - це прямий поділ ядра в реультаті якого утворюється клітина з двома ядрами, такий тип характерний для клітин м'язів і сполучних тканин

Це необхідно для повноцінної організації роботи клітини

Якщо раптом така клітина розділиться, нові клітини будуть містити неповний генетичний набір, що призведе до їх загибелі або зробить патогеном.

Мейоз

Це непряме розподіл статевих клітин у результаті якого утворюється 4 гаплоїдних дочірніх клітин з різними генетичними матеріалами. Це основний етап утворення статевих клітин.

Біологічне значення мейозу:

1. Завдяки мейозу утворюються генетично різні гамети.

2. Підтримується сталість диплоїдного набору хромосом у соматичних клітинах

3. Завдяки мейозу з 1 клітини виходить 4 нових клітини

Мейоз включає 2 поділки:

Редукційне-під час цього поділу зменшується кількість хромосом

Екваційне-протікає також як мітоз

Інтерфаза проходить також як і у мітозу і подвоюється ДНК в ядрі клітини, що ділиться.

1 розподіл мейозу

Профаза-найскладніша і довга фаза мейозу тут з'являється 2 додаткових процесу.

1- Коньюгація -це тісне зближення гомологічних хромосом в результаті чого утворюється 4 хроматиди об'єднаних 1 центрамерою і така структура буде називатися бівалентом. Потім між хромосомами, які об'єднані в бівалент, йде кросинговер.

2- Кросинговер-обмін ділянками хромосом. В результаті цих процесів йде 1 рекомбінація генів

Метофаза – тут на екваторі клітини біваленти утворюють метофазну пластинку, через центроміри яких також проходять нитки веретена поділу.

Анафаза-на відміну від мітозу тут до полюсів клітини розходяться цілі хромосоми. Тут проходять 2 рекомбінації генів

Телофаза у тварин і деяких рослин починає розкручуватися хромосоми, на полюсах покриватися ядерною оболонкою і розщеплюватися на 2 клітини (тільки у тварин)

У рослин після анафази відразу йде профаза.

Інтерфаза - характерна лише для тварин, на відміну від інтерфази мітозу тут не йде збільшення спадкової інформації

2 розподіл мейозу включає в себе профазу, метофазу, телофазу, анафазу, які протікають так само як в мітозі але з меншою кількістю хромосом.

Безстатеве розмноження.

Це тип розмноження, що характеризується:

2. бере участь 1 особина

3. відбувається за сприятливих умов

4. всі організми виходять однаковими

5. зберігає властивості та ознаки умов, що стабільно не змінюються

Біологічне значення:

1. необхідне виникнення організмів з ідентичними анатомічними властивостями

2. в еволюційному плані безстатеве розмноження не вигідно, але завдяки цьому розмноженню в короткий термін збільшується кількість особин усередині популяції

Типи безстатевого розмноження:

Мітотичний поділ відбувається завдяки мітозу (амеба, водорості, бактерії..)

Спороутворення здійснюється за допомогою спор - спеціалізовані клітини грибів і рослин. Якщо у суперечки є джгутик, то її називають зооспорою і вона характерна для водного середовища (споровики, гриби, лишайники).

Гуркування-на материнській особині відбувається утворення вироста-нирки (містить дочірнє ядро) з якого розвивається нова особина.

Вегетативне -характерно для багатьох груп рослин, нова особина розвивається або з спеціальних структур або з частини материнської особини.

У деяких багатоклітинних тварин також є вегетативне розмноження (губки, морські зірки, плоскі хробаки)

Статеве розмноження

Характеристика:

1.бере участь 2 організації

2.беруть участь статеві клітини

3. діти виходять різноманітними

4. в еволюційному плані виникло пізніше безстатевого

5. відбувається за несприятливих умов

Біологічне значення:

1. потомство краще пристосовується до умов навколишнього середовища, що змінюються, і більш життєздатне

2. виникають нові організми

Патеногенез (невинне розмноження)

Дочірні організми розвиваються з незапліднених яйцеклітин.

Значення патеногенезу:

1. Розмноження можливе при рідкісних контактах різностатевих організмів

2. Необхідно для максимального збільшення чисельності у популяціях із високою смертністю

3. Для сезонного збільшення чисельності деяких популяціях

1. Облігатний(обов'язковий)- зустрічається в популяціях, де виключно жіночі особини.(кавказька скеляста ящірка)

2. Циклічний (сезонний) - характерний для попелиці, планктону, дафній, зустрічається в популяціях, які істерично вимирають у певний сезон.

3. Фокультативний (не обов'язковий) – зустрічається у громадських комах. З незапліднених яйцеклітин з'являються самці робітники комахи з запліднених з'являються самки.

Розвиток статевих клітин

Гаметогенез

Гамети- це статеві клітини при злитті яких утворюється зигота з якої розвивається новий організм.

Відмінність соматичних клітин від статевих:

1 гамети несуть гаплоїдний набір хромосом, а соматичні диплоїдний

2.гамети не діляться, а соматичні діляться

3. гамети, особливо яйцеклітини більші ніж соматичні клітини

Гаметогенез-це утворення статевих клітин, які протікають у статевих залозах-генадах (яєчники, сім'яники)

Оогенез-гаметогенез, який відбувається в жіночому організмі і призводить до утворення жіночих статевих клітин (яйцеклітини)

Сперматогенез-гаметогенез, який відбувається в чоловічому організмі і призводить до утворення чоловічих статевих клітин (сперматозоїди)

Гаметогенез складається з кількох стадій:

1. Розмноження- Тут з первинних статевих клітин, які називаються сперматогонії і овогонні, шляхом мітозу збільшується кількість майбутніх гамет. Сперматогонії розмножуються протягом усього репродуктивного періоду в чоловічому організмі.

У жіночому організмі 1 стадія протікає між 2 та 5 місяцями внутрішньоутробного розвитку.

2. Зростання - первинні статеві клітини збільшуються в розмірах і перетворюються на овоцити 1 порядку та сперматоцити. Ці клітини утворюються в інтерфазі. На цій стадії починається мейоз.

3. Дозрівання - відбуваються у два послідовних поділу-редукційне та екваційне. В результаті 1 поділу мейозу утворюється овоцити другого порядку та сперватоцити, після 2 поділу мейозу зі сперматоцитів утворюється 4 спермотиди.

З овоцитів другого порядку утворюється 1 велика яйцеклітина і 3 редукційні тільця. Це пов'язано з тим, що вся енергія і поживні речовини йдуть на формування 1 великої гамети і на 3 клітини, що залишилися, не вистачає сил для освіти.

Тому 3 редукційних тільця в коді розмноження розщеплюються.

4. Формування - на цій стадії сперматиди ті сформовані до кінця статеві клітини ростуть, розвиваються, набувають джгутик і форму дорослої статевої клітини. Зі сперматид виходять сперматозоїди.

Сперматозоїди утворені головкою, шийкою та хвостиком.

Яйцеклітина схожа на соматичну клітину, тільки має більші розміри та додаткові оболонки.

Запліднення

Це процес злиття статевих клітин в результаті якого утворюється зигота - це перша клітина нового організму

1. Зовнішнє-при цьому типі запліднення самка відкладає гру, а самець поливає її насіннєву рідину. Цей тип відбувається лише у водному середовищі. Не потрібно спеціальних статевих структур, виробляється велика кількість спадкового матеріалу і виживання потомства мінімальна.

2.Внутрішнє-при цьому типі чоловічі статеві клітини поміщаються в статеві шляхи самки. Для цього необхідні спеціальні статеві структури. Виробляється менше спадкового матеріалу. Виживання потомства підвищується. Як тільки чоловічі статеві клітини потрапляють у статеві шляхи самки, вони цілеспрямовано рухаються до яйцеклітини, коли один із сперматозоїдів проникає в яйцеклітину, оболонки її ущільнюються і вона стає недосяжною для інших сперматозоїдів. Це необхідне підтримки диплоїдності організмів.

Подвійне запліднення

Характерно тільки для покритих насіння рослин. У тичинках первинні чоловічі статеві клітини діляться шляхом мейозу, утворюючи 4 мкіроспори, кожна мікроспора ще раз ділиться на 2 клітини (вегетативну та генеративну)

Ці клітини покриваються подвійною оболонкою, утворюючи пилкове зерно.

У маточці з первинної жіночої клітини шляхом мейозу формується 1 мегаспора і 3 клітини відмирають. Мегаспора, що вийшла, ще ділиться на 2 клітини, 1 займає центральне місце в завізі, а 2 опускається вниз

Пилкове зерно потрапляє на рильце маточка, вегетативна клітина проростає, утворюючи пилкову трубку до завізу. Цією трубкою спускається генеративна клітина, причому вона ділиться на 2 спермія. 1 спермій запліднює центральну клітину, з якої формується ендосперм.

2 спермій запліднює другу клітину з якої розвивається зародок.

Онтогенез

Це індивідуальний розвиток зиготи (організму) до його смерті. Термін було встановлено в 1866 р. Ернестом Геккелем

У ссавців одногенез регулюється нервовою та ендокринною системою

1. Личинкове-при цьому типі виходячи з яйцевих оболонок організм якийсь період знаходиться на стадії личинки, потім піддається метаморфозу (перетворення на дорослу особину)

2. Яйцекладний-при цьому типі розвитку організм довгий час знаходиться в яйцевих оболонках і тут відсутня лицьова стадія

3. Внутрішньоутробний - тут розвиток організму протікає всередині материнського організму

Періоди онтогенезу:

1. Ембріональний (внутрішньоутробний) від зачаття до народження

2. Постембріональний - від народження про смерть

Ембріональний період

3 стадії розвитку

1. Дроблення

Починається за кілька годин після запліднення. Тут зигота починає ділитися мітотично на 2 клітини (бластомери). Ці клітини не розходяться і не ростуть. Потім ці клітини знову діляться і утворюють 4 клітини так продовжується до тих пір, поки не утворюється 32 клітини, поки не сформується морула - це зародок, що складається з 32х дрібних клітин нагадує ягоду малину і розміром така як зигота.

Ця морула спускається яйцеводою в порожнину матки і інплонтується в її стінку. Це відбувається через 6 годин після запліднення.

Потім клітини морули продовжують ділитися і утворюється бластула - це зародок, що складається з декількох сотень клітин, розташованих в 1 шар, Бластула має порожнину і розмір її такий же як у зиготи

2. Гаструляція

Містить бластулу та гаструлу

Бластула продовжує ділитися і одному кінці розподіл клітин йде інтенсивніше. Це призводить до вп'ячування цих клітин усередину бластули.

Гаструла- це двошаровий зародок, що має первинний рот, який у ссавців і вищих організмів у ході розвитку перетворюється на анальний отвір. Істинний рот формується з іншого кінця. Порожнина гаструли є первинною клітиною.

Зовнішній шар клітин-це ектодерма (1 зародковий лист)

Внутрішній шар клітин це ентодерма (2 зар лист)

Потім між ектодермою і ентодермою симетрично з двох кінців від первинного рота формується 3 зародковий лист (мезодерма)

3.Органогенез

На цій стадії формується нейрула, на спинній частині зародка зовнішній шар клітин формує жолобок, який замикається та формує нервову трубку. Паралельно з цим процесом з ентодерма утворюється кишкова трубка. А з мезодерми формується хорда. З ектодерми формується нервова система та органи чуття, а також похробний епітелій та його похідні (волосся, нігті)

ентодерма -утворює травну систему та травні залози, дихальну систему, щитовидну залозу.

4. Мезодерма

Утворюється опорно-руховий апарат, кровоносна, видільна, статева системи.

Постембріональний період

Постембріональний розвиток може йти двома шляхами:

Прямим і непрямим: з повним і неповним перетворенням

Прямий розвиток-характерно для птахів, риб, ссавців, людини. Нова особина народжена виходячи з яйцевих оболонок схожа на дорослу особину, але невеликих розмірів, з іншими пропорціями, з недорозвиненою нервовою та статевою системою, а також можуть відрізнятися покриви.

Під час постембріонального розвитку дорозвиваються нервова та статева системи. Змінюється покрив і організм піддається навчанню та вихованню.

Непрямий розвиток-при цьому типі в постембріональному розвитку є стадія личинки. Личинка мало схожа чи зовсім не схожа на дорослу особину. Вона інтенсивно зростає, розвивається та вживає багато їжі.

При цьому типі непрямого розвитку організм виходячи з яйця проходить стадію личинки, яка перетвориться на лялечку і личинка повністю зруйнується до органічних сполук з яких будуватиметься новий організм. З лялечки виходить доросла особина

яйце-личинка-лялечка-імаго

З неповним перетворенням розвиток йде амфібій та деяких комах

Тут відсутня лялечка і метаморфоз відбувається на протязі стадії личинки.

Яйце-личинка-доросла особина

26.Положення людини з системою тваринного світу.

Агрегатні стани речовини: твердий, рідкий та газоподібний. Кристалічний та аморфний стани. Кристалічні грати

Біологія Загальна біологія. 10 клас. Базовий рівень Сивооков Владислав Іванович

16. Обмін речовин та перетворення енергії. Енергетичний обмін

Згадайте!

Що таке метаболізм?

З яких двох взаємозалежних процесів він складається?

Де в організмі людини відбувається розщеплення переважної частини органічних речовин, що надходять з їжею?

Обмін речовин та енергії.Головною умовою життя будь-якого організму є обмін речовин та енергії з навколишнім середовищем. У кожній клітині безперервно відбуваються найскладніші процеси, спрямовані на підтримку та забезпечення нормальної життєдіяльності самої клітини та організму загалом. Синтезуються складні високомолекулярні сполуки: з амінокислот утворюються білки, із простих цукрів – полісахариди, із нуклеотидів – нуклеїнові кислоти. Клітини діляться і утворюють нові органоїди, з клітини та в клітину активно транспортуються різні речовини. По нервових волокнах передаються електричні імпульси, скорочуються м'язи, підтримується постійна температура тіла – все це, і навіть багато інші процеси, які у організмі, потрібна енергія. Ця енергія утворюється під час розщеплення органічних речовин. Сукупність реакцій розщеплення високомолекулярних сполук, що супроводжуються виділенням та запасанням енергії, називають енергетичним обміном або дисиміляцією . В основному енергія запасається у вигляді універсальної енергоємної сполуки – АТФ.

Аденозинтрифосфорна кислота (АТФ) – нуклеотид, що складається з азотистої основи (аденіну), цукру рибози та трьох залишків фосфорної кислоти (рис. 53). АТФ є головною енергетичною молекулою клітини, своєрідним акумулятором енергії. Усі процеси у живих організмах, потребують витрат енергії, супроводжуються перетворенням молекули АТФ на АДФ (аденозиндифосфорную кислоту). При відщепленні залишку фосфорної кислоти вивільняється велика кількість енергії – 40 кДж/моль. Таких високоенергетичних (так званих макроергічних) зв'язків у молекулі АТФ дві. Відновлення структури АТФ з АДФ та фосфорної кислоти відбувається у мітохондріях та супроводжується поглинанням енергії.

Запас органічних речовин, які організм витрачає для отримання енергії, повинен постійно поповнюватись або за рахунок їжі, як це відбувається у тварин, або шляхом синтезу неорганічних речовин (рослини). Сукупність всіх процесів біосинтезу, що протікають у живих організмах,називають пластичним обміном або асиміляцією . Пластичний обмін завжди супроводжується поглинанням енергії. Основними процесами пластичного обміну є біосинтез білка (§ 13) та фотосинтез (§ 17).

Мал. 53. Будова молекули АТФ (знаком «~» позначено макроергічний зв'язок)

Отже, у процесі енергетичного обміну розщеплюються органічні сполуки та запасається енергія, а під час пластичного обміну витрачається енергія та синтезуються органічні речовини. Реакції енергетичного та пластичного обміну перебувають у нерозривному зв'язку, утворюючи в сукупності єдиний процес – обмін речовин та енергії , або метаболізм . Метаболізм безперервно здійснюється у всіх клітинах, тканинах та органах, підтримуючи сталість внутрішнього середовища організму. гомеостаз.

Енергетичний обмін.Більшості організмів нашій планеті для життєдіяльності необхідний кисень. Такі організми називають аеробними. Енергетичний обмін у аеробів відбувається у три етапи: підготовчий, безкисневий та кисневий. За наявності кисню органічні речовини у процесі дихання повністю окислюються до вуглекислого газу та води, внаслідок чого запасається велика кількість енергії.

Анаеробні організмиздатні обходитися без кисню. Для деяких з них кисень взагалі згубний, тому вони живуть там, де немає кисню зовсім, як, наприклад, збудник правця. Інші, звані факультативні анаероби, можуть існувати як без кисню, і у його присутності. Енергетичний обмін у анаеробних організмів відбувається у два етапи: підготовчий та безкисневий, тому органічні речовини окислюються не повністю та енергії запасається набагато менше.

Розглянемо три етапи енергетичного обміну (рис. 54).

Підготовчий етап. Цей етап здійснюється у шлунково-кишковому тракті та в лізосомах клітин. Тут високомолекулярні сполуки під дією травних ферментів розпадаються до більш простих, низькомолекулярних: білки – до амінокислот, полісахариди – до моносахаридів, жири – до гліцерину та жирних кислот. Енергія, що виділяється за цих реакцій, не запасається, а розсіюється як тепла. Низькомолекулярні речовини, що утворюються на підготовчому етапі, можуть використовуватися організмом для синтезу своїх органічних сполук, тобто вступати в пластичний обмін або розщеплюватися далі з метою запасання енергії.

Мал. 54. Етапи енергетичного обміну

Безкисневий етап. Другий етап протікає у цитоплазмі клітин, де відбувається подальше розщеплення простих органічних речовин. Амінокислоти, утворені на першому етапі, організм не використовує на наступних етапах дисиміляції, тому що вони необхідні йому як матеріал для синтезу власних білкових молекул. Тому для отримання енергії білки витрачаються дуже рідко, зазвичай тільки в тому випадку, коли решта резервів (вуглеводів і жирів) вже вичерпана. Зазвичай доступним джерелом енергії в клітині є глюкоза.

Складний багатоступінчастий процес безкисневого розщеплення глюкози на другому етапі енергетичного обміну називають гліколізом(Від грец. glycos- солодкий і lysis- Розщеплення).

В результаті гліколіз глюкоза розщеплюється до більш простих органічних сполук (глюкоза С 6 Н 12 Про 6 - піровиноградна кислота С 3 Н 4 Про 3). У цьому виділяється енергія, 60 % якої розсіюється як тепла, а 40 % використовується синтезу АТФ. При розщепленні однієї молекули глюкози утворюється дві молекули АТФ та дві молекули піровиноградної кислоти. Таким чином, на другому етапі дисиміляції організм починає запасати енергію.

Подальша доля піровиноградної кислоти залежить від присутності кисню у клітині. Якщо кисень є, то піровиноградна кислота надходить у мітохондрії, де відбувається її повне окислення до СО 2 і Н 2 Про здійснюється третій, кисневий етап енергетичного обміну (див. нижче).

За відсутності кисню відбувається так зване анаеробне дихання, яке часто називають бродінням.У клітинах дріжджів у процесі спиртового бродіння піровиноградна кислота (ПВК) перетворюється на етиловий спирт (ПВК? Етиловий спирт + 2).

При молочнокислому бродінні із ПВК утворюється молочна кислота. Цей процес може відбуватися у молочнокислих бактерій. При напруженій фізичній роботі в клітинах м'язової тканини людини виникає нестача кисню, внаслідок чого утворюється молочна кислота, накопичення якої викликає відчуття втоми, біль і іноді навіть судоми.

Кисневий етап. На третьому етапі продукти, що утворилися при безкисневому розщепленні глюкози, окислюються до вуглекислого газу та води. При цьому звільняється велика кількість енергії, значна частина якої використовується для синтезу АТФ. Цей процес протікає в мітохондріях і називається клітинним диханням.У ході клітинного дихання при окисненні двох молекул ПВК виділяється енергія, що запасається організмом у вигляді 36 молекул АТФ.

Отже, у процесі енергетичного обміну при повному окисленні однієї молекули глюкози до вуглекислого газу та води утворюється 38 молекул АТФ (2 молекули – у процесі гліколізу та 36 – у процесі клітинного дихання в мітохондріях):

З 6 Н 12 Про 6 + 6О 2 + 38АДФ + 38Ф 6СО 2? 6Н 2 Про + 38АТФ.

В анаеробних умовах ефективність енергетичного обміну значно нижча – лише 2 молекули АТФ. Продукти бродіння (етиловий спирт, молочна кислота, масляна кислота) у своїх хімічних зв'язках зберігають ще багато енергії, тобто вигіднішим в енергетичному відношенні є кисневий шлях дисиміляції. Але історично бродіння – найдавніший процес. Він міг здійснюватися ще тоді, як у атмосфері древньої Землі був відсутній вільний кисень.

Питання для повторення та завдання

1. Що таке дисиміляція? Перерахуйте її етапи.

2. У чому полягає роль АТФ в обміні речовин у клітині?

3. Які структури клітин здійснюють синтез АТФ?

4. Розкажіть про енергетичний обмін у клітині з прикладу розщеплення глюкози.

5. Зобразіть схематично процес дисиміляції, звівши на одній схемі всі можливі варіанти, згадані в тексті параграфа (у тому числі бродіння).

6. Синонімами слів «дисиміляція» та «асиміляція» є терміни «катаболізм» та «анаболізм». Поясніть походження цих термінів.

Подумайте! Виконайте!

1. Поясніть, чому споживання надлишкової кількості їжі призводить до ожиріння.

2. Чому енергетичний обмін неспроможна існувати без пластичного обміну?

3. Як ви вважаєте, чому після важкої фізичної роботи, щоб швидше зняти болі в м'язах, рекомендують прийняти теплу ванну?

Робота з комп'ютером

Зверніться до електронної програми. Вивчіть матеріал та виконайте завдання.

З книги Службовий собака [Посібник з підготовки фахівців службового собаківництва] автора Крушинський Леонід Вікторович

3. Обмін речовин як основа життя «Життя – це форма існування білкових тіл», – писав Ф. Енгельс. Тому можна сказати, що носієм життя є білок. Білок – це складна речовина, що складається з багатьох елементів, серед яких обов'язкова наявність азоту.

З книги Вікова анатомія та фізіологія автора Антонова Ольга Олександрівна

Тема 10. ВІКОВІ ОСОБЛИВОСТІ ОБМІНУ РЕЧОВИН І ЕНЕРГІЇ 10.1. Характеристика обмінних процесів Обмін речовин та енергії – основа процесів життєдіяльності організму. У людини, у його органах, тканинах, клітинах йде безперервний процес синтезу, тобто.

З книги Біологія [Повний довідник для підготовки до ЄДІ] автора Лернер Георгій Ісаакович

З книги Стій, хто веде? [Біологія поведінки людини та інших звірів] автора Жуків. Дмитро Анатолійович

З книги Розповіді про біоенергетику автора Скулачов Володимир Петрович

З книги Біологія. Загальна біологія. 11 клас. Базовий рівень автора Сивооков Владислав Іванович

З книги Секрети спадковості людини автора Афонькін Сергій Юрійович

З книги Антропологія та концепції біології автора Курчанов Микола Анатолійович

З книги Біологічна хімія автора Лелевич Володимир Валер'янович

З книги автора

ОБМІН ВУГЛІВНИКІВ Слід ще раз підкреслити, що процеси, що відбуваються в організмі, є єдиним цілим, і тільки для зручності викладу та полегшення сприйняття розглядаються в підручниках і посібниках в окремих розділах. Це стосується і поділу на

З книги автора

Розділ 2. Що таке енергетичний обмін? Як клітка отримує та використовує енергію Щоб жити, треба працювати. Ця життєва істина цілком придатна до будь-яких живих істот. Всі організми: від одноклітинних мікробів до вищих тварин та людини – безперервно здійснюють

З книги автора

25. Харчові зв'язки. Кругообіг речовин і енергії в екосистемах Згадайте! Які обов'язкові компоненти входять до складу будь-якої екосистеми? Живі організми знаходяться в постійній взаємодії один з одним і з факторами зовнішнього середовища, формуючи стійку

З книги автора

Обмін речовин Наші хвороби все ті ж, що й тисячі років тому, але лікарі підшукали їм дорожчі назви. Народна мудрість - Підвищений рівень холестерину може успадковуватись - Рання смертність та гени відповідальні за утилізацію холестерину - Чи успадковується

З книги автора

2.3. Обмін речовин та енергії Вся сукупність хімічних реакцій, що протікають у живих організмах, називається обміном речовин або метаболізмом. Через війну цих реакцій енергія, запасена у хімічних зв'язках, перетворюється на інші форми, т. е. обмін речовин завжди

З книги автора

Розділ 10. Енергетичний обмін. Біологічне окислення Живі організми з погляду термодинаміки відкриті системи. Між системою та довкіллям можливий обмін енергії, який відбувається відповідно до законів термодинаміки. Кожне органічне

Всі живі організми здійснюють обмін речовин із зовнішнім середовищем. У клітинах постійно здійснюються процеси біосинтезу. Завдяки ферментам з простих речовин утворюються складні сполуки: з амінокислот синтезуються білки, з моносахаридів – складні вуглеводи, з азотистих основ – нуклеїнові кислоти. Різні жири та олії утворюються за допомогою хімічних перетворень щодо простих речовин. Хітін-це зовнішній покрив членистоногих, що утворює хітину-складний полісахарид (стор.7), у птахів, ссавців, зовнішнім покривом є рогова речовина, основою якої є білок кератин. Зрештою, склад великих органічних молекул, що синтезуються, обумовлюється генотипом. Синтезовані речовини використовуються під час зростання з метою зведення клітин та їх органоїдів і для заміни витрачених чи зруйнованих молекул. Усі без винятку взаємодії біосинтезу проходять із поглинанням енергії.

Пластичний обмін

Пластичний обмін, інакше називають біосинтез чи анаболізм, відбувається цей обмін лише у клітині. Пластичний обмін має три типи: фотосинтез, хемосинтез та біосинтез білків. Фотосинтез використовується рослинами та лише деякими бактеріями (ціанобактеріями). Такі організми називаються автотрофами. Хемосинтез застосовується певними бактеріями, до них входять і анаеробні. Такі організми називаються хемотрофами. Тварини та гриби відносять до гетеротрофних створінь.

Фотосинтез

Процес фотосинтезу відбувається завдяки реакції, що передбачає утворення глюкози та кисню з вуглекислого газу та води. У фотосинтезу дві фази, світлова та темнова. Під час світлової фази, процес фотосинтезу відбувається у гранах хлоропласту, а в темновій, у стромах хлоропласту (Див. Додаток 7). Без сонячної енергії, фотосинтез не мав би свого значення, тому це є важливим фактором. Під час цього процесу із шести молекул вуглекислого газу та води утворюється шість молекул кисню та одна молекула глюкози. Процес фотосинтезу відбувається у хлоропластах, в органелах знаходиться хлорофіл, завдяки йому відбувається синтез.

6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2

Хемосинтез

Хемосинтез властивий таким бактеріям, як сірчаним, нітрифікуючим та залізобактеріям. Бактерії використовують енергію, набуту завдяки процесу окислення речовин, відновлення вуглекислого газу до органічних сполук. (Див. Додаток 8)Серобактерії окислюють таку речовину, як сірководень, що нітрифікують окислюють аміак, а залізобактерії окислюють закис заліза.

Біосинтез білків

Пластичний обмін – це синтез білків клітиною. Обмін має два основні процеси: транскрипцію та трансляцію.

Транскрипція- це процес синтезу інформаційної РНК за допомогою ДНК за принципом комплементарності. (Див. Додаток 9)

Транскрипція представляє три етапи:

Освіта первинного транскрипту

Процесинг

Сплайсинг

Трансляція- перенесення інформації про структуру білка з інформаційною РНК на поліпептид, що синтезується. (Див. Додаток 10)Цей процес здійснюється у цитоплазмі на рибосомі. Трансляція відбувається у чотири етапи. На першій стадії амінокислоти активуються спеціальним ферментом – аміноацилом Т-РНК-синтетазою. Для цього процесу використовується енергія у вигляді АТФ. Потім утворюється міноаціладенілат. Після цього слідує процес примикання активованої амінокислоти до транспортної РНК, при цьому виділяється АМФ. Далі під час третього етапу утворений комплекс пов'язується з рибосомою. Потім включаються амінокислоти в структуру білка певної послідовності, після чого транспортна РНК вивільняється.

Енергетичний обмін

Енергетичний обмін також називають катаболізмом. Пластичний та енергетичний обмін дуже пов'язані, адже для здійснення пластичного обміну (анаболізму) необхідна енергія, яка виходить клітиною за рахунок катаболізму. З допомогою цього процесу клітина синтезує необхідні нуклеїнові кислоти, білки, вуглеводи тощо. Енергетичний обмін- це процес, протягом якого речовини, що мають складну структуру, розщеплюються в найбільш прості або окислюються, через що організм набуває енергію, необхідну для існування. Усього існують три етапи енергетичного обміну:

Підготовчий етап

Анаеробний етап-гліколіз (без участі кисню)

Аеробний етап - клітинне дихання (за участю кисню)

Підготовчий етап

Під час цього етапу полімери перетворюються на мономери, тобто такі сполуки, як білки, вуглеводи та ліпоїди, розщеплюються на простіші. Цей процес відбувається поза клітиною, в органах травної системи. Кисень на цьому етапі енергетичного обміну не потрібний. Через війну реакцій, білок розпадається на амінокислоти, складні вуглеводи - у найпростіші моносахариды і ліпіди - на гліцерин і вищі кислоти. Також цей етап протікає і в лізосомах клітини.

Анаеробний етап

Цей етап інакше називають бродінням або гліколізом. Речовини, що утворилися в підготовчому етапі - глюкоза, амінокислоти та ін. - піддаються подальшому ферментативному розпаду без участі кисню. В основному вуглеводи піддаються бродінню. У ході хімічних реакцій, що застосовуються на даній стадії катаболізму, утворюються спирти, вуглекислий газ, ацетон, органічні кислоти, в окремих випадках водень та інші речовини. Гліколіз - процес розщеплення глюкози в анаеробних умовах до піровиноградної кислоти (ПВК), далі до молочної, оцтової, олійної кислоти або етилового спирту, що протікає в цитоплазмі клітини. У ході безкисневого розщеплення частина енергії, що виділяється, розсіюється у вигляді тепла, а частина запасається в молекулах АТФ. У клітинах тварин та грибів поширена реакція, внаслідок якої виділяється піровиноградна кислота.

Основна хімічна реакція на даному етапі виглядає так:

С6Н12О6 = 2С3Н4О3 + (4Н) + 2АТФ

Внаслідок цього процесу утворюється дві молекули АТФ.

Аеробний етап

Цей етап здійснюється у мітохондріях. (Див. Додаток 11)У цій стадії здійснюється окиснення речовин, за рахунок чого звільняється певний обсяг енергії. У цьому процесі кисень бере участь. Кисень переміщається за допомогою еритроцитів, що містять гемоглобін. Отримані у попередніх етапах речовини розщеплюються клітиною до найпростіших, тобто до вуглекислого газу та води. Ферменти, що містяться в лізосомах, окислюють органічні сполуки клітини. АДФ - аденозиндифосфат- речовина, яка також потрібна для отримання енергії, внаслідок клітинного дихання. Основна хімічна реакція на даному етапі виглядає так:

2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ

Внаслідок цього процесу утворюються 36 молекул АТФ.

Можна помітити з цього рівняння, що енергії цьому етапі виробиться чимала кількість. Крім того, на даній стадії може здійснюватися реакція повного окислення піровиноградної кислоти, внаслідок якого також виділяється енергія, проте в меншій кількості.

Отже, при повному розщепленні однієї молекули глюкози клітина може синтезувати 38 молекул АТФ (2 молекули у процесі гліколізу та 36 молекул у ході аеробного етапу). (Див. Додаток 12)

Загальне рівняння аеробного дихання можна записати в такий спосіб:

С6Н1206 + 602 + 38АДФ + 38Н3Р04> 6С02 + 6Н20 + 38АТФ.

Висновок

Клітина-це високоорганізована одиниця життя. Через клітини відбувається поглинання, перетворення, запасання та застосування речовин та енергії. Саме у клітині відбуваються такі процеси, як дихання, ферментація, фотосинтез, дуплікація генетичного матеріалу. І такі процеси відбуваються, як у простих за структурою організмах (одноклітинні), так і у складних за структурою організмах (багатоклітинні). Життя всіх організмів залежить від своїх клітин.

додаток

Додаток 1

Додаток 2

Додаток 3

Додаток 4

Додаток 5

Додаток 6

Додаток 7

Додаток 8

Додаток 9

Обмін речовин та енергії (метаболізм) здійснюється на всіх рівнях організму: клітинному, тканинному та організмовому. Він забезпечує сталість внутрішнього середовища організму – гомеостаз – у безперервно мінливих умовах існування. У клітині протікають одночасно два процеси - це пластичний обмін (анаболізм чи асиміляція) та енергетичний обмін (фатаболізм чи дисиміляція).

Пластичний обмін – це сукупність реакцій біосинтезу, або створення складних молекул із простих. У клітині постійно синтезуються білки з амінокислот, жири з гліцерину та жирних кислот, вуглеводи з моносахаридів, нуклеотиди з азотистих основ та цукрів. Ці реакції йдуть із витратами енергії. Використовувана енергія звільняється під час енергійного обміну. Енергетичний обмін - це сукупність реакцій розщеплення складних органічних сполук до простих молекул. Частина енергії, що при цьому вивільняється, йде на синтез багатих енергетичними зв'язками молекул АТФ (аденозин-трифосфорної кислоти). Розщеплення органічних речовин здійснюється в цитоплазмі та мітохондріях за участю кисню. Реакції асиміляції та дисиміляції тісно пов'язані між собою та зовнішнім середовищем. З довкілля організм отримує поживні речовини. У довкілля виділяються відпрацьовані речовини.

Ферменти (ензими) – це специфічні білки, біологічні каталізатори, що прискорюють реакції обміну у клітині. Усі процеси у живому організмі безпосередньо чи опосередковано здійснюються з участю ферментів. Фермент каталізує лише одну реакцію чи діє лише одне тип зв'язку. Цим забезпечується тонка регуляція всіх життєво важливих процесів (дихання, травлення, фотосинтез тощо), які у клітині чи організмі. У молекулі кожного ферменту є ділянка, що здійснює контакт між молекулами ферменту та специфічної речовини (субстрату). Активним центром ферменту є функціональна група (наприклад, ВІН - група серину) або окрема амінокислота.

Швидкість ферментативних реакцій залежить багатьох чинників: температури, тиску, кислотності середовища, наявності інгібіторів тощо.

Етапи енергетичного обміну:

• Підготовчий- відбувається у цитоплазмі клітин. Під дією ферментів полісахариди розщеплюються на моносахариди (глюкоза, фруктоза та ін.), жири розщеплюються до гліцерину та жирних кислот, білки – до амінокислот, нуклеїнові кислоти до нуклеотидів. При цьому виділяється невелика кількість енергії, що розсіюється як тепла.
• Безкисневий(Анаеробне дихання або гліколіз) - багатоступінчасте розщеплення глюкози без участі кисню. Його називають бродінням. У м'язах внаслідок анаеробного дихання молекула глюкози розпадається на дві молекули ліровиноградної кислоти (3Н4О3), які потім відновлюються в молочну кислоту (3Н6О3). У реакціях розщеплення глюкози беруть участь фосфорна кислота та АДФ.

  Сумарне рівняння цього етапу: З 6 Н 12 О 6 + 2Н 3 РО 4 + 2АDФ -> 2С 3 Н 6 О 3 + 2АТФ + 2Н 2 О

  У дріжджових грибків молекула глюкози без участі кисню перетворюється на етиловий спирт та діоксид вуглецю (спиртове бродіння). В інших мікроорганізмів гліколіз може завершуватися утворенням ацетону, оцтової кислоти та ін. При розпаді однієї молекули глюкози утворюється дві молекули АТФ, у зв'язках якої зберігається 40% енергії, решта енергії розсіюється у вигляді тепла.

• Кисневе дихання- етап аеробного дихання або кисневого, розщеплення, що проходить на складках внутрішньої мембрани мітоходрій – кристах. На цьому етапі речовини попереднього етапу розщеплюються до кінцевих продуктів розпаду – води та вуглекислого газу. Внаслідок розщеплення двох молекул молочної кислоти утворюються 36 молекул АТФ. Основна умова нормального перебігу кисневого розщеплення – цілісність мітохондріальних мембран. Кисневе дихання – основний етап у забезпеченні клітини киснем. Він у 20 разів ефективніший за безкисневий етап.

  Сумарне рівняння кисневого розщеплення: 2С 3 Н 6 0 3 + 60 2 + 36H 3 PО 4 + 36АДФ -> 6CO 2 + 38Н 2 О + 36АТФ

За способом отримання енергії всі організми поділяються на дві групи - автотрофні та гетеротрофні.

Енергетичний обмін в аеробних клітинах рослин, грибів та тварин протікає однаково. Це свідчить про їхню спорідненість. Кількість мітохондрій у клітинах тканин по-різному, воно залежить від функціональної активності кйеток. Наприклад, багато мітохондрій у клітинах м'язів.

Розщеплення жирів на гліцерин та жирні кислоти здійснюється ферментами – ліпазами. Білки спочатку розщеплюються до олігопептидів, та був до амінокислот.

Ферменти (від латів. «Fermentum» - бродіння, закваска), ензими, специфічні білки, що збільшують швидкість протікання хімічних реакцій у клітинах всіх живих організмів. За хімічною природою - білки, що володіють оптимальною активністю при певному рН, наявності необхідних коферментів та кофакторів та відсутності інгібіторів. Ферменти називають також біокаталізаторами за аналогією з каталізаторами хімії. Кожен вид ферментів каталізує перетворення певних речовин (субстратів), іноді лише єдиної речовини у єдиному напрямі. Тому численні біохімічні реакції у клітинах здійснює дуже багато різних ферментів. Поділяються на 6 класів: оксидоредуктази, трансферази, гідролази, ліази, ізомерази та лігази. Багато ферментів виділені з живих клітин та отримані у кристалічному вигляді (вперше у 1926).

Роль ферментів в організмі

Ферменти беруть участь у здійсненні всіх процесів обміну речовин, реалізації генетичної інформації. Перетравлення та засвоєння харчових речовин, синтез та розпад білків, нуклеїнових кислот, жирів, вуглеводів та інших сполук у клітинах та тканинах усіх організмів – усі ці процеси неможливі без участі ферментів. Будь-який прояв функцій живого організму - дихання, м'язове скорочення, нервово-психічна діяльність, розмноження та ін. - Забезпечується дією ферментів. Індивідуальні особливості клітин, що виконують певні функції, значною мірою визначаються унікальним набором ферментів, виробництво яких генетично запрограмоване. Відсутність навіть одного ферменту або його дефект можуть призвести до серйозних негативних наслідків для організму.

Каталітичні властивості ферментів

Ферменти – найактивніші серед усіх відомих каталізаторів. Більшість реакцій у клітині протікає в мільйони і мільярди разів швидше, ніж якби вони протікали без ферментів. Так, одна молекула ферменту каталази здатна за секунду перетворити на воду і кисень до 10 тис. молекул токсичної для клітин перекису водню, що утворюється при окисленні різних сполук. Каталітичні властивості ферментів обумовлені їх здатністю суттєво зменшувати енергію активації сполук, що вступають у реакцію, тобто в присутності ферментів потрібно менше енергії для «запуску» даної реакції.

Історія відкриття ферментів

Процеси, що протікають за участю ферментів, відомі людині з давніх-давен, адже в основі приготування хліба, сиру, вина та оцту лежать ферментативні процеси. Але тільки в 1833 році вперше з проростаючих зерен ячменю було виділено активну речовину, яка здійснює перетворення крохмалю в цукор і назва діастази (нині цей фермент називається амілазою). Наприкінці 19 ст. було доведено, що сік, що отримується при розтиранні дріжджових клітин, містить складну суміш ферментів, що забезпечують процес спиртового бродіння. З цього часу почалося інтенсивне вивчення ферментів - їх будови та механізму дії. Так як роль біокаталізу була виявлена ​​при вивченні бродіння, то саме з цим процесом були пов'язані два ще з 19 ст. назви - «ензим» (у перекладі з грец. «З дріжджів») та «фермент». Щоправда, останній синонім застосовується лише у російськомовної літературі, хоча науковий напрямок, зайняте вивченням ферментів і процесів з участю, традиційно називається ензимологією. У першій половині 20 ст. було встановлено, що за хімічною природою ферменти є білками, а в другій половині століття для багатьох сотень ферментів вже була визначена послідовність амінокислотних залишків, встановлена ​​просторова структура. У 1969 вперше було здійснено хімічний синтез ферменту рибонуклеази. Величезні успіхи досягнуто у розумінні механізму дії ферментів.

Місцезнаходження ферментів в організмі

У клітині частина ферментів перебуває у цитоплазмі, але переважно ферменти пов'язані з певними клітинними структурами, де й виявляють свою дію. У ядрі, наприклад, знаходяться ферменти, відповідальні за реплікацію – синтез ДНК(ДНК-полімерази), за її транскрипцію – утворення РНК (РНК-полімерази). У мітохондріях присутні ферменти, відповідальні за накопичення енергії, в лізосомах - більшість гідролітичних ферментів, що беруть участь у розпаді нуклеїнових кислот та білків.

Умови дії ферментів

Всі реакції за участю ферментів протікають, в основному, в нейтральному, слаболужному або слабокислому середовищі. Однак максимальна активність кожного окремого ферменту проявляється при певних значеннях pH. Для впливу більшості ферментів теплокровних тварин найбільш сприятливою температурою є 37-40oС. У рослин за нормальної температури нижче 0o З дію ферментів повністю припиняється, хоча життєдіяльність рослин у своїй різко знижується. Ферментативні процеси, як правило, не можуть протікати при температурі вище 70o С, так як ферменти, як і всякі білки схильні до теплової денатурації (руйнування структури).

Розміри ферментів та їх будова

Молекулярна маса ферментів, як і решти білків, лежить у межах 10 тис. - 1 млн. (але може бути й більше). Вони можуть складатися з одного або декількох поліпептидних ланцюгів і можуть бути складними білками. До складу останніх поряд з білковим компонентом (апоферментом) входять низькомолекулярні сполуки – коферменти (кофактори, коензими), у тому числі іони металів, нуклеотиди, вітаміни та їх похідні. Деякі ферменти утворюються у формі неактивних попередників (проферментів) і стають активними після тих чи інших змін у структурі молекули, наприклад після відщеплення від неї невеликого фрагмента. До них відносяться травні ферменти трипсин і хімотрипсин, які синтезуються клітинами підшлункової залози у формі неактивних попередників (трипсиногену і хімотрипсиногену) і набувають активності в тонкому кишечнику у складі підшлункового соку. Багато ферментів утворюють звані ферментні комплекси. Такі комплекси, наприклад, вбудовані в мембрани клітин або клітинних органел і беруть участь у транспорті речовин.

Речовина (субстрат), що піддається перетворенню, зв'язується з певною ділянкою ферменту, аго активним центром, який формується бічними ланцюгами амінокислот, що знаходяться часто в значно віддалених один від одного ділянках поліпептидного ланцюга. Наприклад, активний центр молекули хімотрипсину утворюють залишки гістидину, що знаходиться в поліпептидному ланцюгу в положенні 57, серину в положенні 195 і аспарагінової кислоти в положенні 102 (усього в молекулі хімотрипсину 245 амінокислот). Таким чином, складне укладання поліпептидного ланцюга в молекулі білка - ферменті забезпечує можливість кільком бічним ланцюгам амінокислот опинитися в строго певному місці та на певній відстані один від одного. Коферменти також входять до складу активного центру (білкова частина і небілковий компонент окремо ферментативної активністю не мають і набувають властивостей ферменту, лише з'єднавшись разом).

Перебіг процесів за участю ферментів

Більшість ферментів відрізняється високою специфічністю (виборчістю) дії, коли перетворення кожної реагуючої речовини (субстрату) на продукт реакції здійснюється спеціальним ферментом. При цьому дія ферменту може бути обмежена одним субстратом. Наприклад, фермент уреазу, що бере участь у розпаді сечовини до аміаку та вуглекислого газу, не реагує на подібну за будовою метилсечовину. Багато ферментів a є на кілька споріднених за структурою сполук або на один тип хімічного зв'язку (наприклад, фермент фосфатази, що розщеплюють фосфодіефірний зв'язок). Фермент здійснює свою дію через утворення фермент-субстративного комплексу, який потім розпадається з утворенням продуктів ферментативної реакції та звільненням ферменту. A внаслідок утворення фермент-субстратного комплексу субстрат змінює свою конфігурацію; при цьому фермент-хімічний зв'язок, що перетворюється, послаблюється і реакція протікає з меншою початковою витратою енергії і, отже, з набагато більшою швидкістю. Мірою швидкості ферментативної реакції служить кількість субстрату, що зазнав перетворення в одиницю часу, або кількість продукту, що утворився. Багато ферментативних реакцій залежно від концентрації в середовищі субстрату і продукту реакції можуть протікати як у прямому, так і в зворотному напрямку (надлишок субстрату зрушує реакцію у бік утворення продукту, у той час як при надмірному накопиченні останнього відбуватиметься синтез субстрату). Це означає, що ферментативні реакції можуть бути оборотними. Наприклад, карбоангідраза крові перетворює вуглекислий газ, що надходить з тканин, в вугільну кислоту (H2CO3), а в легенях, навпаки, каталізує перетворення вугільної кислоти у воду і вуглекислий газ, який видаляється при видиху. Однак слід пам'ятати, що ферменти, як і інші каталізатори, не можуть зрушувати термодинамічний рівновагу хімічної реакції, а лише значно прискорюють досягнення цієї рівноваги.

Номенклатура назв ферментів

При найменуванні ферменту основу беруть назву субстрату і додають суфікс «аза». Так з'явилися, зокрема, протеїнази - ферменти, що розщеплюють білки (протеїни), ліпази (розщеплюють ліпіди, або жири) і т. д. Деякі ферменти отримали спеціальні (тривіальні) назви, наприклад, травні ферменти-пепсин, хімотрипсин і трипсин.

У клітинах організму протікає кілька тисяч різних реакцій обміну речовин і, отже, є стільки ж ферментів. А для того, щоб привести таке різноманіття в систему, було прийнято міжнародну угоду про класифікацію ферментів. A відповідно до цієї системи всі ферменти a залежно від типу каталізованих ними реакцій були поділені на шість основних класів, кожен із яких включає ряд підкласів. Крім того, кожен фермент отримав чотиризначний кодовий номер (шифр) і назву, що вказує на реакцію, яку той фермент каталізує. Ферменти, що каталізують одну й ту саму реакцію в організмів різних видів, можуть суттєво відрізнятися між собою за своєю білковою структурою, але в номенклатурі мають загальну назву та один кодовий номер.

Хвороби, пов'язані з порушенням вироблення ферментів

Відсутність чи зниження активності будь-якого ферменту (нерідко і надмірна активність) в людини призводить до розвитку захворювань (ензимопатій) чи загибелі організму. Так, що передається у спадок захворювання дітей - галактоземія (приводить до розумової відсталості) - розвивається внаслідок порушення синтезу ферменту, відповідального за перетворення галактози в глюкозу, що легко засвоюється. Причиною іншого спадкового захворювання - фенілкетонурії, що супроводжується розладом психічної діяльності, є втрата клітинами печінки здатності синтезувати фермент, що каталізує перетворення амінокислоти фенілаланіну на тирозин. Визначення активності багатьох ферментів крові, сечі, спинно-мозкової, насіннєвої та інших рідин організму використовується для діагностики ряду захворювань. За допомогою такого аналізу сироватки крові можливе виявлення на ранній стадії інфаркту міокарда, вірусного гепатиту, панкреатиту, нефриту та інших захворювань.

Використання ферментів людиною

Оскільки ферменти зберігають свої властивості і поза організмом, їх успішно використовують у різних галузях промисловості. Наприклад, протеолітичний фермент папайї (з соку папайї) – у пивоварінні, для пом'якшення м'яса; пепсин – при виробництві «готових» каш і як лікарський препарат; трипсин – при виробництві продуктів для дитячого харчування; ренін (сичужний фермент зі шлунка теляти) - у сироварении. Каталаза широко застосовується в харчовій та гумовій промисловості, а полісахариди, що розщеплюють, целюлази та пектидази - для освітлення фруктових соків. Ферменти необхідні при встановленні структури білків, нуклеїнових кислот і полісахаридів, генетичної інженерії і т. д. За допомогою ферментів отримують лікарські препарати і складні хімічні сполуки.

Виявлено здатність деяких форм рибонуклеїнових кислот (рибозимів) каталізувати окремі реакції, тобто виступати як ферменти. Можливо, в ході еволюції органічного світу рибозими служили біокаталізаторами до того, як ферментативна функція перейшла до білків, більш пристосованих до виконання цього завдання.