Ферменты, их роль в процессе жизнедеятельности.
Цитология
- Основные положения клеточной теории. Клетка – структурная и функциональная единица живого стр. 1
- Содержание химических элементов в клетке. Вода и другие неорганические вещества, их роль в жизнедеятельности клетки стр. 3
- Органические вещества клетки: липиды, АТФ, биополимеры (углеводы, белки, нуклеиновые кислоты) и их роль в клетке. стр.5
- Ферменты, их роль в процессе жизнедеятельности стр.7
- Особенности строения клеток прокариот и эукариот стр. 9
- Основные структурные компоненты клетки стр. 11
- Поверхностный аппарат клетки стр. 12
- Транспорт молекул через мембраны стр. 14
- Рецепторная функция и ее механизм стр. 18
- Структура и функции клеточных контактов стр. 19
- Локомоторная и индивидуализирующая функции ПАК стр. 20
- Органеллы общего значения. Эндоплазматическая сеть стр. 21
- Комплекс Гольджи стр. 23
- Лизосомы стр. 24
- Пероксисомы стр. 26
- Митохондрии стр. 26
- Рибосомы стр.27
- Пластиды стр.28
- Клеточный центр стр. 28
- Органеллы специального значения стр. 29
- Ядро клетки. Строение и функции стр. 29
- Обмен веществ и превращение энергии в клетке стр. 32
- Хемосинтез стр. 36
1. Основные положения клеточной теории. Клетка – структурная и функциональная единица живого.
Цитология - наука о клетки. Цитология изучает строение и химический состав клетки, функции внутриклеточных структур, функции клеток в организме животных, растений, размножение и развитие клеток. Из 5 царств органического мира, только царство Вирусы, представленные формами живого, не имеют клеточного строения. Остальные 4 царства имеют клеточное строение: царство Бактерии объединяют прокариотов – доядерные формы. Ядерные формы – эукариоты, к ним относятся царства Грибы, Растения, Животные.
Основные положения клеточной теории:
Клетка –функциональная и структурная единица живого.
Клетка –элементарная система – основа строения и жизнедеятельности организма.
Открытие клетки связано с открытием микроскопа:
1665г. – Гук изобрел микроскоп и на срезе пробки он увидел ячейки, которые он назвал клетками.
1674г. –А. Левингук впервые обнаружил в воде одноклеточные организмы.
Начало 19в. –Я. Пуркинье назвал протоплазмой вещество, заполняющее клетку.
1831г. –Броун обнаружил ядро.
1838-1839гг. –Шванн сформулировал основные положения клеточной теории.
Основные положения клеточной теории:
1. Клетка –главная структурная единица всех организмов.
2. Процесс образования клеток обуславливается ростом, развитием и дифференцировкой растительных и животных клеток.
1858г. –вышел труд Вирхова “Целлюлярная патология”, в которой он связал патологические изменения в организме с изменениями в строении клеток, положив основу патологии – началу теоретической и практической медицины.
Конец 19в. –Бэр открыл яйцеклетку, показав, что все живые организмы берут начало из одной клетки (зиготы). Было обнаружено сложное строение клетки, описаны органоиды, изучен митоз.
Начало 20в. –стало ясным значение клеточных структур и передачи наследственных свойств.
Современная клеточная теория включает следующие положения:
1. Клетка –основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого.
2. Клеткивсех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны по своему строению, химическому составу, основным проявлением жизнедеятельности и обмену веществ.
3. Размножение клеток происходит путем из деления, и каждая новая клетка образуется путем деления исходной (материнской) клетки.
4. В сложных многоклеточных организмах клетки специализированныпо выполняемым функциям и образуют ткани. Из тканей состоят органы, которые связаны между собой и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.
Клетка –является открытой системой для всех живых организмов, для которой характерны потоки вещества, энергии и информации, связанные с обменом веществ (ассимиляцией и диссимиляцией).
Самообновление осуществляется в результате обмена веществ.
Саморегуляция осуществляется на уровне обменных процессов по принципу обратной связи.
Самовоспроизведение клетки обеспечивается при ее размножении на основе потока вещества, энергии и информации.
Клетка и клеточное строение обеспечивает:
1. Благодаря большой поверхности – благоприятные условия для обмена веществ.
2. Наилучшее хранение и передача наследственной информации.
3. Способность организмов хранить и передавать энергию и превращать ее в работу.
4. Постепенная замена всего организма (многоклеточного) отмирающих частей без замены всего организма.
5. В многоклеточном организме специализация клеток обеспечивает широкую приспосабливаемость организма и его эволюционные возможности.
Клетки имеют структурное сходство, т.е. сходство на разных уровнях: атомарном, молекулярном, надмолекулярном и т.д.
Клетки имеют функциональное сходство, единство химических процессов метаболизма.
Содержание химических элементов в клетке. Вода и другие неорганические вещества, их роль в жизнедеятельности клетки.
Химическая организация клетки:
80% - вода.
1-2% - липиды
1-2% - неорганические вещества.
1-2% - нуклеиновые кислоты.
1-1,5% - низкомолекулярные вещества.
1-2% - углеводы.
10-12% - белки.
Химический состав неорганических веществ клетки:
| Кислород – 65-75 % | Магний – 0,02-0,03% | Цинк – 0,0003% |
| Углерод – 15-18% | Натрий – 0,02-0,03% | Медь – 0,0002% |
| Водород – 8-10% | Кальций – 0,04-2,00% | Йод – 0,0001% |
| Азот – 1,5-3.0% | Железо – 0,01-0,015% | Фтор – 0,0001% |
| Сера – 0,15-0,20% | ||
| Калий – 0,15-0,40% | ||
| Фосфор – 0,20-1,00% | ||
| Хлор – 0,05-0,10% |
Вода –обязательный компонент клетки. В ней растворены многие вещества, в т.ч. органические (гидрофильные – углеводы и гидрофобные – белки). Вода необходима для работы ферментов.
Функции воды:
1. Служит для протекания реакций.
2. Участвует в химических реакциях
3. Регулирует обмен веществ
4. Участвует в терморегуляции
5. Смачивание поступающей пищи.
Биологическая роль воды определяется особенностью ее молекулярной структуры.
Осмос –проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией. Давление воды, с которой она давит на мембрану – осмотическое давление. Растворы, имеющие одинаковое осмотическое давление называются изотоническими.
Растворы:
1. Гипертонические – вызывают сморщивание клеток
2. Гипотонические – вызывают разрыв клеток
Тургор –давление, с которым вода давит изнутри на оболочку.
Соли:
К неорганическим веществам кроме воды относятся и соли. Они находятся в диссоциироранном состоянии: Na+ , K+, Ca2+, Mg2+ - катионы и HPO42-, H2PO4-, HCO3- - анионы. От концентрации солей зависит осмотическое давление и ее буферные свойства, т.е. поддерживать реакцию на слабощелочном или нейтральном уровне РН.
РН – отрицательный логарифм концентрации водородных ионов.
РН = 7 – среда нейтральная.
РН = (7;14) – щелочная среда.
РН = (1;7) – кислая среда.
В некоторых клетках находятся нерастворимые минеральные соли (костные клетки) за счет присутствия Ca3PO4, CaCO3.
3. Органические вещества клетки: липиды, АТФ, биополимеры (углеводы, белки, нуклеиновые кислоты) и их роль в клетке.
Липиды - сложные эфиры высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Липиды содержатся во всех клетках животных и растений. Они входят в состав многих клеточных структур. Витамины А, D, E, К – являются жирорастворимыми.
Функции жиров:
1. Энергетическая – 1г. жира – 9,2 ккал.
2. Строительная – входит в состав всех мембран.
3. Некоторые липиды являются предшественниками гормонов – регулируют обмен веществ.
4. Защитная.
5. Терморегуляторная.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)
АТФ обеспечивает клетку энергией. Любое проявление жизнедеятельности нуждается в затрате энергии. Энергетический обмен связан с пластическим. Все реакции пластического обмена нуждаются в затрате энергии. Для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный синтез ферментов, т.к. продолжительность жизни ферментов невелика. Через пластический и энергетический обмен осуществляется связь клетки с внешней средой. Живая клетка представляет собой открытую систему, т.к. между клеткой и внешней средой постоянно происходит обмен веществ и энергией.
Клетка – высокоорганизованная структура, в которой экономно расходуется материалы и энергия и процессы идут с высоким КПД. КПД митохондрий - 45-60%, хлоропластов – 25%.
Использование энергии АТФ:
1. Ассимиляция.
2. Транспорт веществ.
3. Деление клетки и ее органоидов.
4. На процессы жизнедеятельности.
Углеводы - органические вещества с общей формулой (CH2O)n. В живой клетке - 1-2%, в печени и мышцах – до 5%. В растительной клетке до 90% (картофель, семена).
Углеводы:
1. Простые – моносахариды – определяются по числу атомов углерода: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы. Наиболее важны: пентозы C5H10O5 и гексозы C6H12O6. Из петоз выделяют рибозы и дезоксирибозы (рибозы входят в состав РНК, АТФ; дезоксирибозы - ДНК). Из гексоз выделяют глюкозу, фруктозу, галактозу.
2. Сложные –дисахариды, полисахариды.
Дисахариды – сахароза (глюкоза + фруктоза), лактоза (глюкоза + галактоза).
Подисахариды – состоят из множества молекул моносахаридов: целлюлоза (полимер из 150-200 молекул глюкозы), крахмал.
Функции углеводов:
1. Энергетическая – окисление в митохондриях мышц.
2. Строительная – целлюлоза в клеточной стенки растений, хитин в скелете членистоногих.
Белки - входят в состав всех организмов. По химической природе – белки – полимеры, мономеры которых – аминокислоты. Аминокислота – органическая кислота.
Состав аминокислоты:
1. Аминогруппа – NH2
2. Карбоксильная группа – СООН
Аминогруппа в цепи белка соединена пептидной связью (CO-NH), образована карбоксильной группой и группой другой аминокислоты.
Живыми организмами используется только 20 аминокислот, хотя существует их значительно больше: глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, серин, треонин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, аспарагин, глутамин, лизин, аргинин, цистеин, метионин, фенилаланин, тирозин, триптофан, гистидин, пролин.
Различают 4структуры белка:
Первичная структура -аминокислотная цепь, связанная между собой пептидными связями.
Вторичная структура - белковая нить закручена в спираль и соединение участков цепи происходит за счет водородных связей (Н-Н).
Третичная структура –сворачивание вторичной структуры в клубок. Эта структура специфическая для каждой молекулы белка. Сворачивание происходит за счет дисульфидных мостиков (-S-S-), и сульфгидрильных мостиков (-S-H-).
Четвертичная структура –имеется не у всех белков – объединение нескольких структур (субъединиц). Например: гемоглобин.
По своему составу белки бывают:
1. Простые – состоят только из аминокислот
2. Сложные –содержат нуклеиновые кислоты (нуклеопротеиды), жиры (липопротеиды), углеводы (гликопротеиды), металлы (металлопротеиды).
Функции белков:
1. Строительная (мембраны, ядро).
2. Транспортная (перенос О2 гемоглобином).
3. Ферментативная (ускорение биохимических реакций).
4. Двигательная (сократительная).
5. Защитная (гаммаглобулины).
6. Энергетическая (1г. – 4,2 ккал).
7. Сигнальная.
Нарушение природной структуры белка называется денатурацией.Денатурация бывает обратимой и необратимой. Ренатурация –восстановление структуры белка после прекращения воздействия.
Ферменты, их роль в процессе жизнедеятельности.
По химической природе ферменты – белки. Ферменты – биологические катализаторы. Они способствуют ускорению реакций, входят в состав тканей.
Ферменты специфически катализируют химические реакции, т.е. 1 фермент катализирует 1 тип реакций. И превращает лишь в соответствующий субстрат. Ферменты в основном катализируют превращение веществ, размеры которых по сравнению с размерами фермента очень малы.
Ферменты бывают:
1. Простые
2. Сложные
Простые –состоят только из белка, молекулы которых имеют активный центр – определенную, специфическую для фермента группу аминокислот в молекуле. В основном это гидролитические ферменты: амилаза, пепсин, трипсин и др.
Сложные – состоят из белковой и небелковой части. Белок называется апоферментом (носителем фермента). Небелковая часть – коферментом или простатической группой: пример – органические вещества: витамины, НАД, НАДФ; неорганические вещества: атомы металлов – железо, цинк, магний. Апофетмент отвечает за специфичность молекулы фермента с молекулой субстрата. Кофермент отвечает за тип катализируемой реакции.
Механизм действия ферментов:
Снижение энергии активации, т.е. снижение уровня энергии, необходимой для придания реакционной способности молекулы субстрата т.к. молекула фермента имеет большую величину, то возникает сильное электрическое поле, в которой молекула субстрата становится асимметричной, в результате чего химические связи в ней ослабевают.
Фермент образует с субстратом фермент-субстратный комплекс. Присоединение субстрата происходит с помощью активного центра. По завершению реакции комплекс распадается на фермент и продукт реакции. Ферменты образуют в клетке ферментные системы (мультиферментативные комплексы). При этом продукт предыдущей реакции является субстратом для последующей.
Активность ферментов в клетках контролируется на генетическом уровне по принципу обратной связи.
Свойства ферментов:
1. Специфичны
2. В отличие от химических катализаторов – ускоряют реакции в обычных условиях.
3. Активность ферментов меняется в зависимости от Т0, РН, концентрации субстрата.
4. Активируют в малых количествах, т.е. не разрушаются в процессе реакций
5. Ферменты – белки и имеют свойства белков.
Классификация ферментов:
В 1961 году Международный биохимический съезд утвердил классификацию ферментов, в основу которого положен тип реакции, катализируемый данным ферментом. По этому принципу все ферменты разделены на 6 классов:
1. Оксидоредуктазы –ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции.
2. Трансферазы – катализирующие перенос атомов или радикалов: пример – каталаза – 2Н2О2 = 2Н2О + О2
3. Гидролазы - ферменты разрывающие внутримолекулярные связи путем присоединения молекул воды: например – фосфатаза.
4. Лиазы– Ферменты, отщепляющие от субстрата ту или иную группу негидролитическим путем, например, отщепление карбоксильной группы декарбоксилазой.
5. Изомеразы– ферменты, катализирующие превращение одного изомера в другой: глюкозо-6-фосфат в глюкозо-1-фосфат.
6. Синтеазы– ферменты, катализирующие реакции синтеза, синтез пептидов из аминокислот, т.е. катализируют реакции соединения молекул с образование новых связей.