Обмен веществ и энергии в клетке

Обмен веществ и энергии (метаболизм) осуществляется на всех уровнях организма: клеточном, тканевом и организменном. Он обеспечивает постоянство внутренней среды организма - гомеостаз - в непрерывно меняющихся условиях существования. В клетке протекают одновременно два процесса - это пластический обмен (анаболизм или ассимиляция) и энергетический обмен (фатаболизм или диссимиляция).

Пластические обмен- это совокупность всех процессов синтеза, когда из простых веществ образуется сложные при этом затрачивается энергия .

Энергетический обмен- это совокупность всех процессов расщепления, когда из сложных веществ образуется простые и при этом выделяется энергия.

Гомеостаз- поддерживается балансом между пластическим и энергетическим обменом. Если этот баланс нарушается, то в организме или его части возникают патологии( болезни).

Метаболизм- происходит при нормальной температуре, давлении и определенной РН среде

11.Энергетический обмен в клетке.

Энергетический обмен — это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Синтезированная АТФ становится универсальным источником энергии для жизнедеятельности организмов.

Этапы энергетического обмена:

1. Подготовительный- на нем сложные вещества расщепляются до простых, например полисахариды до моносахарид. Этот этап происходит в цитоплазме, при нем выделяется энергия, но очень мало поэтому энергия рассеивается в виде тепла.

2. Безкислородный- в лизосомах, на этом этапе продолжается расщепление веществ до более простых без участия кислорода с выделением двух молекул АТФ

3. Кислородный- на нем продолжается расщепление веществ с участием кислорода до конечных продуктов ( углекислый газ и вода) с выделением 36 АТФ. Этот процесс происходит в митохондриях.

Питание клетки. Хемосинтез

Питание клетки происходит в результате ряда сложных химических реакций, в ходе которых вещества, поступившие в клетку из внешней среды (углекислый газ, минеральные соли, вода), входят в состав тела самой клетки в виде белков, сахаров, жиров, масел, азотных и фосфорных соединений.

Все живые организмы можно разделить на 2 группы:

1. Автотрофный тип питания- к ним относятся организмы, которые сами себе синтезируют органические соединения из неорганических.

2 вида автотрофов:

+Фотосинтетики- это автотрофы которые используют энергию солнечного света ( растения, цианобактерии, простейшие)

+ Хемосинтетики — это организмы, которые используют энергию химических связей. К этому типу относятся практически все бактерии ( азотофиксаторы, серобактерии, железобактерии)

Хемосинтез был открыт Виноградовым.

Хемосинтез — способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из CO2 служат реакции окисления неорганических соединений. Подобный вариант получения энергии используется только бактериями или археями.

2.Гетеротрофный тип питания - характерен для организмов которые питаются готовыми органическими соединениями.

- Сопрофиты -это гетеротрофы которые питаются мертвыми тканями или организмами( вороны, стервятники, гиены..)

-Паразиты- это гетеротрофы которые питаются органическими соединениями ргуих организмов паразитируя на них ( клещи, черви)

-Растительно ядные- гетеротрофы которые писаются растительными организмами ( травоядные)

-Плотоядные (хищники)- гетеротрофы, которые отлавливают и поедают другие организмы( насекомоядные)

-Всеядные- употребляют растительную и животную пищу

3.Миксотрофный тип питания- объединяет автотрофный и гетеротрофный тип питания ( росянка, евглена зеленая )

Фотосинтез

Фотосинтез-это сложный процесс образования их неорганических веществ засчет энергии солнечного света. Главным органом фотосинтеза является лист т. к. в нем больше всего хлоропластов и его форма подходит больше всего для восприятия солнечного света.

Фазы фотосинтеза:

1.Световая фаза-включает в себя 2 основных процесса фотолиз воды и нециклическое фосфорилирование.

Тилакоиды- это уплощенные мембранные мешочки на которых располагаются пигменты хлорофилы и особый переносчик электронов который называется цитохром.

На тилакоидах распологаются 2 фото системы:

+Фотосистема 1 содержит хлорофилл а1 который воспринимает квант света длиной 700 нанометров

+Фотосистема 2 содержит хлорофилл а2 который воспринимает квант света длиной 680 нанометров

Когда квант света попадает на фотосистему 1, электроны хлорофилла а1 возбуждаются и передаются на такой процесс как фатолиз воды т. е. Вода расщепляется до водорода и гидроксогруппы. Водород идет на восстановление вещества . Образовавщаяся гидроксогруппа накапливается и преобразуется в воду и кислород который покидает клетку.

Когда квант света попадает на фотосистему 2 электроны хлорофилла под воздействием света возбуждаются и к молекуле АДФ засчет энергии присоединяется остаток фосфорной кислоты в итоге получается молекула АТФ.

Световая фаза происходит на тилакодах, где образуется энергия необходимая для образования органических веществ.

Темновая фаза — протекает в строме независимого от солнечного света. Здесь в ходе сложных реакций засчет образовавшейся энергии углекислый га преобразуется в глюкозу. Эти реакции называются цикл Кальвина.

Генетический код

Это свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов

В состав ДНК могут входить 4 азотистых основания:

Аденин, Гуанин, Тимин, Цитозин

ДНК может кодировать 64 аминокислоты

Свойства:

1. Вырожденность- повышает надежность хранения и передачи генетической информации при делении клеток

2. Специфичность — 1 триплет всегда кодирует только 1 аминокислоту

Генетический ко универсален для всех живых организмов от бактерии до человека

15. Транскрипция и трансляция

Синтез белка включает в себя 2 этапа:

1. Транскрипция- это перепись информации с молекулы ДНК на информационную РНК

Этот процесс протекает в ядре с участием фермента РНК полимеразы. Данный фермент определяет начало и конец синтеза. Началом является специфическая последовательность нуклеотидов которая называется промотором. Конец также является последовательностью нуклеотидов которая называется терминатор .

Транскрипция начинается с определения участка молекулы ДНК, откуда будет списываться информация

Затем этот участок раскручивается по принципу комплементарности к одной цепочке ДНК строится информационное РНК. После завершения синтеза ДНК снова закручивается.

2. Трансляция- это перевод последовательности туклеотидов информационной РНК в последовательность аминокислот

Транспортное РНК переносит информационную РНК к рибосоме. Здесь информационное РНК встраивается в малую субъединицу рибосомы, но в нее помещается только 2 триплета поэтому в ходе синтеза информационное РНК передвигается в большую субъединицу, транспортное РНК переносит аминокислоты, если аминокислота подходит, то она отделяется от транспортной РНК и присоединяется к другим аминокислотам по принципу пептидных связей.

Транспортное РНК покидает рибосому, а в большую субъединицу входят новые транспортные РНК

Если же аминокислота не подходит по принципу комплементарности к информации в малой субъединице,то это транспортное РНК с аминокислотой покидает рибосому

Начало синтеза белка обозначается аденин, урацил, гуанин, а заканчиваются стоп кадоном

Когда синтез белка заканчивается , первичная структура белка отделяется от рибосомы и белок принимает нужную структуру

Жизненный цикл клетки

Клеточный цикл — это период существования клетки от момента её образования путем деления материнской клетки до собственного деления или гибели.

Интерфаза - фаза в жизненном цикле между двумя делениями клетки. Она характеризуется активными процессами обмена веществ, синтезом белка, РНК, накоплением питательных веществ клеткой, ростом и увеличением объема. В середине интерфазы происходит удвоение ДНК (репликация). В результате каждая хромосома содержит 2 молекулы ДНК и состоит из двух сестринских хроматид, которые сцеплены центромерой и образуют одну хромосому. Клетка подготавливается к делению, удваиваются все ее органоиды. Продолжительность интерфазы зависит от типа клеток и в среднем составляет 4/5 от общего времени жизненного цикла клетки. Деление клетки. Рост организма осуществляется за счет деления его клеток. Способность к делению - важнейшее свойство клеточной жизнедеятельности. Делясь, клетка удваивает все свои структурные компоненты, и в результате возникают две новые клетки. Наиболее распространенным способом деления клетки является митоз - непрямое деление клетки. Митоз - процесс образования двух дочерних клеток, идентичных исходной материнской клетке. Он обеспечивает возобновление клеток в процессе их старения. Митоз состоит из четырех последовательных фаз:

1.Профаза- образование хромосом с двумя хроматидами, разрушение ядерной оболочки.

2.Метофаза-образование веретена деления, укорочение хромосом, формирование экватериальной клетки

3.Анафаза- разделение хроматид, расхождение их к полюсам вдоль волокон веретена деления

4.Телофаза- Исчезновение веретена деления, образование ядерных мембран, диспирализация хромосом.

Митоз. Амитоз

Митоз — это процесс непрямого деления соматических клеток эукариот, в результате которого наследственный материал сначала удваивается, а затем равномерно распределяется между дочерними клетками. Он является основным способом деления клеток эукариот. Продолжительность митоза у животных клеток составляет 30—60 мин, а у растительных — 2—3 ч. Состоит из 4 основных фаз:

1. Профаза- начинается со сперализации цепочек ДНК до хромосом, разрушается ядрышки и ядерная оболочка, хромосомы начинают свободно плавать в цитоплазме.В конце профазы начинает формироваться веретено деления

2. Метофаза- хромосомы выстраиваются строго на экваторе в виде метофазной пластинки. Нити веретена деления , которое уже полностью сформировалось, проходят через цинтромеры хромосом деля хромосому на 2 хроматиды

3. Анафаза- Здесь нити веретена деления разделяют и расстягивают к различным полюсам хроматиды. Веретено деления начинают разрушаться.

4. Телофаза Здесь на полюсах клетки хроматиды диспералицируются, покрываются ядерной оболочкой и начинается деление цитоплазмы и самой клетки.

В итоге митоза образуется 2 одинаковые диплоидные клетки.

+ Кариокенез- это деление ядра

+Цитокенез- это деление цитоплазмы и самой клетки

Амитоз- это прямое деление ядра в реультате которого образуется клетка с двумя ядрами, такой тип характерен для клеток мышц и соединительных тканей

Это необходимо для полноценной организации работы клетки

Если вдруг такая клетка разделится, то новые клетки будут содержать неполный генетический набор, что приведет к их гибели или сделает патогеном.

Мейоз

Это непрямое деление половых клеток в результате которого образуется 4 гаплоидных дочерних клетки с различными генетическими материалами. Это основной этап образования половых клеток.

Биологическое значение мейоза:

1. Благодаря мейозу образуется генетически разные гаметы

2. Поддерживается постоянство диплоидного набора хромосом в соматических клетках

3. Благодаря мейозу из 1 клетки получается 4 новых клетки

Мейоз включает в себя 2 деления:

+ Редукционное- во время этого деления уменьшается количество хромосом

+Эквационное- протекает также как митоз

Интерфаза проходит также как и у митоза т е удваивается ДНК в ядре делящейся клетки.

1 деление мейоза

Профаза -самая сложная и долгая фаза мейоза т к здесь появляется 2 дополнительных процесса.

1- Коньюгация -это тесное сближение гомологичных хромосом в результате чего образуется 4 хроматиды объедененных 1 центрамерой и такая структура будет называться бивалентом. Затем между хромосомами которые объеденены в бивалент идет кроссинговер.

2- Кроссинговер- обмен участками хромосом. В результате этих процессов идет 1 рекомбинация генов

Метофаза — здесь на экваторе клетки биваленты образуют метофазную пластинку , через центромеры которых также проходят нити веретена деления

Анафаза- в отличии от митоза здесь к полюсам клетки расходятся целые хромосомы . Здесь проходят 2 рекомбинации генов

Телофаза -у животных и некоторых растений начинает раскручиваться хромосомы, на полюсах покрываться ядерной оболочкой и расщепляться на 2 клетки( только у животных)

У растений после анафазы сразу идет профаза 2

Интерфаза — характерна только для животных, в отличии от интерфазы митоза здесь не идет увеличение наследственной информации

2 деление мейоза включает в себя профазу, метофазу, телофазу, анафазу, которые протекают точно также как в митозе но с меньшим количеством хромосом.

Бесполое размножение.

Это тип размножения, который характеризуется:

1. самая древняя форма размножения

2. участвует 1 особь

3. происходит при благоприятных условиях

4. все организмы получаются одинаковыми

5. сохраняет свойства и признаки стабильно не изменяющихся условий

Биологическое значение:

1. необходимо для возникновения организмов с идентичными анатомическими свойствами

2. в эволюционном плане бесполое размножение не выгодно , но благодаря этому размножению в короткие сроки увеличивается количество особей внутри популяции

3. Позволяет сохранить полезные признаки ценных сельскохозяйственных соротов растений.

Типы бесполого размножения:

- Митотическое деление- происходит благодаря митозу ( амеба,водоросли,бактерии..)

-Спорообразование- осуществляется посредством спор- специализированные клетки грибов и растений. Если у споры есть жгутик, то ее называют зооспорой и она характерна для водной среды ( споровики, грибы, лишайники..)

-Кочкование- на материнской особи происходит образование выроста- почки (содержит дочернее ядро) из которого развивается новая особь.Почка растет и достигает размеров материнской особи, только затем отделяется от нее( Гидра, дрожжевые грибы, сосущая инфузория)

- Вегетативное -характерно для многих групп растений, новая особь развивается либо из особых структур либо из части материнской особи.

У некоторых многоклеточных животных также есть вегетативное размножение ( губки, морские звезды, плоские черви)

Половое размножение

Характеристика:

1.участвует 2 организации

2.участвуют половые клетки

3. дети получаются разнообразными

4. в эволюционном плане появилось позже бесполого

5. происходит при неблагоприятных условиях

Биологическое значение:

1. потомство лучше приспасабливается к изменяющимся условиям окружающей среды и более жизнеспособное

2. возникают новые организмы

Патеногенез( девственное размножение)

Дочерние организмы развиваются из не оплодотворенных яйцеклеток.

Значение патеногенеза:

1. Размножение возможно при редких контактах разнополых организмов

2. Необходимо для максимального увеличения численности в популяциях с высокой смертностью

3. Для сезонного увеличения численности в некоторых популяциях

ВИДЫ

1. Облигатный( обязательный)- встречается в популяциях, где исключительно женские особи.( кавказская скалистая ящерица)

2. Циклический( сезонный)- характерен для тли, планктона, дафний, Встречается в популяциях которые истерически вымирают в определенный сезон.

3. Фокультативный( не обязательный) — встречается у общественных насекомых . Из неоплодотворенных яйцеклеток появляются самци т е рабочие насекомые из оплодотворенных появляются самки.

Развитие половых клеток

Гаметогенез

Гаметы- это половые клетки при слиянии которых образуется зигота из которой развивается новый организм.

Отличие соматических клеток от половых:

1 гаметы несут гаплоидный набор хромосом, а соматические диплоидный

2.гаметы не делятся, а соматические делятся

3. гаметы, особенно яйцеклетки более крупные чем соматические клетки

Гаметогенез- это образование половых клеток, которые протекают в половых железах-генадах(яичники, семянники)

Оогенез- гаметогенез, который происходит в женском организме и приводит к образованию женских половых клеток( яйцеклетки)

Сперматогенез- гаметогенез, который происходит в мужском организме и приводит к образованию мужских половых клеток (сперматозоиды)

Гаметогенез состоит из нескольких стадий:

1. Размножение- Здесь из первичных половых клеток, которые называются сперматогонии и овогонии, путем митоза увеличивается кол-во будущих гамет. Сперматогонии размножаются в течении всего репродуктивного периода в мужском организме.

В женском организме 1 стадия протекает между 2 и 5 месяцами внутриутробного развития.

2. Рост- первичные половые клетки увеличиваются в размерах и превращаются в овоциты 1 порядка и сперматоциты. Эти клетки образуются в интерфазе. На этой стадии начинается мейоз.

3. Созревание — происходят в два последавательных деления- редукционное и эквационное. В результате 1 деления мейоза образуется овоциты второго порядка и сперватоциты, после 2 деления мейоза из сперматоцитов образуется 4 спермотиды.

Из овоцитов второго порядка образуется 1 крупная яйцеклетка и 3 редукционных тельца. Это связано с тем, что вся энергия и питательные вещества идут на формирование 1 крупной гаметы и на оставшиеся 3 клетки не хватает сил для образования.

Поэтому 3 редукционных тельца в коде размножения расщепляются

4. Формирование — на этой стадии сперматиды т е сформировавшиеся до конца половые клетки растут, развиваются, преобретают жгутик и форму взрослой половой клетки. Из сперматид получаются сперматозоиды.

Сперматозоиды образованы головкой, шейкой и хвостиком.

Яйцеклетка похожа на соматическую клетку, только имеет более крупные размеры и дополнительные оболочки.

Оплодотворение

Это процесс слияния половых клеток в результате которого образуется зигота- это первая клетка нового организма

Типы:

1. Наружное- при этом типе оплодотворения самка откладывает игру, а самец поливает ее семенной жидкость. Этот тип происходит только в водной среде. Не требуется специальных половых структур, вырабатывается большое кол-во наследственного материала и выживаемость потомства минимальна.

2.Внутреннее- при этом типе мужские половые клетки помещаются в половые пути самки. Для этого типа необходимы специальные половые структуры. Вырабатывается меньше наследственного материала. Выживаемость потомства повышается. Как только мужские половые клетки попадают в половые пути самки, они целенаправлено движутся к яйцеклетке , когда 1 из сперматозоидов проникает в яйцеклетку, оболочки ее уплотняются и она становится не досигаемой для других сперматозоидов. Это необходимо для поддержания диплоидности организмов.

Двойное оплодотворение

Характерно только для покрыто семянных растений. В тычинках первичные мужские половые клетки делятся путем мейоза, образуя 4 мкироспоры, каждая микроспора еще раз делится на 2 клетки( вегетативную и генеративную)

Эти клетки покрываются двойной оболочкой, образуя пыльцевое зерно

В пестике из первичной женской клетки путем мейоза формируется 1 мегаспора и 3 клетки отмирают. Получившаяся мегаспора еще делится на 2 клетки, 1 занимает центральное место в завизи, а 2 опускается вниз

Пыльцевое зерно попадает на рыльцо пестика, вегетативная клетка прорастает, образуя пыльцевую трубку до завизи. По этой трубке спускается генеративная клетка , причем она делится на 2 спермия. 1 спермий оплодотворяет центральную клетку из которой формируется эндосперм.

2 спермий оплодотворяет вторую клетку из которой развивается зародыш.

Онтогенез

Это индивидуальное развитие зиготы( организма) до его смерти. Термин был установлен в 1866 г Эрнестом Геккелем

У млекопитающих отногенез регулируется нервной и эндокринной системой

Типы:

1. Личиночное- при этом типе выходя из яйцевых оболочек организм какой-то период находится на стадии личинки, затем подвергается метаморфозу( превращение во взрослую особь)

2. Яйцекладный- при этом типе развития организм долгое время находится в яйцевых оболочках и здесь отсутствует личиночная стадия

3. Внутриутробное- здесь развитие организма протекает внутри материнского организма

Периоды онтогенеза:

1. Эмбриональный( внутриутробный) от зачатия до рождения

2. Постэмбриональный- от рождения о смерти

Эмбриональный период

3 стадии развития

1. Дробление

Начинается спустя несколько часов после оплодотворения. Здесь зигота начинает делиться митотически на 2 клетки( бластомеры) Эти клетки не расходятся и не растут. Затем эти клетки снова делятся и образуют 4 клетки так продолжается до тех пор пока не образуется 32 клетки, пока не сформируется морула- это зародыш, состоящий из 32х мелких клеток напоминающий ягоду малину и размером такая как зигота.

Эта морула спускается по яйцеводу в полость матки и инплонтируется в ее стенку. Это происходит спустя 6 часов после оплодотворения.

Затем клетки морулы продолжают делиться и образуется бластула- это зародыш, состоящий из нескольких сотен клеток, расположенных в 1 слой, Бластула имеет полость и размер ее такой же как у зиготы

2. Гаструляция

Содержит бластулу и гаструлу

+Бластула продолжает делиться и на одном конце деление клеток идет более интенсивно . Это приводит к впячиванию этих клеток во внутрь бластулы т е образуется гаструла

+Гаструла- это двуслойный зародыш имеющий первичный рот который у млекопитающих и высших организмов в ходе развития превращается в анальное отверстие. А истинный рот формируется с другого конца. Полость гаструлы является первичной клеткой.

Наружний слой клеток-это эКтодерма(1 зародышевый лист)

Внутренний слой клеток это эНтодерма( 2 зар лист)

Затем между эКтодермой и эНтодермой симметрично с двух концов от первичного рта формируется 3 зародышевый лист( мезодерма)

3.Органогенез

На этой стадии формируется нейрула, на спинной части зародыша наружний слой клеток формирует желобок, который смыкается и формирует нервную трубку. Параллельно с этим процессом из эНтодермы образуется кишечная трубка. А из мезодермы формируется хорда. Из эКтодермы формируется нервная система и органы чувств, также похробный эпителий и его производные ( волосы, ногти)

эНтодерма -образует пищеварительную систему и пищеварительные железы, дыхательную систему, щитовидную железу.

4. Мезодерма

Образуется опорно двигательный аппарат, кровеносная, выделительная,половая системы.

Постэмбриональный период

Постэмбриональное развитие может идти двумя путями:

Прямым и непрямым: с полным и неполным превращением

Прямое развитие- характерно для птиц, рыб, млекопитающих, человека. Новая особь рождаясь выходя из яйцевых оболочек похожа на взрослую особь , но небольших размеров, с другими пропорциями, с недоразвитой нервной и половой системой, а также могут отличаться покровы.

Во время постэмбрионального развития доразвиваются нервная и половая системы. Изменяется покров и организм подвергается обучению и воспитанию.

Непрямое развитие- при этом типе в постэмбриональном развитии присутсвует стадия личинки. Личинка мало похожа или вовсе не похожа на взрослую особь. Она интенсивно растет, развивается и употребляет много пищи.

+ При этом типе непрямого развития организм выходя из яйца проходит стадию личинки, которая превратится в куколку и личинка полностью разрушится до органических соединений из которых будет строиться новый организм.Из куколки выходит взрослая особь( имаго)

яйцо-личинка-куколка-имаго

+ С неполным превращением развитие идет амфибий и некторых насекомых

Здесь отсутствует куколка и метаморфоз происходит в течении стадии личинки.

Яйцо-личинка-взрослая особь

26.Положение человека с системе животного мира.

Антропология-это наука о происхождении и эволюции человека.

Методы антропологии:

1.Полеантологические-выявление причин гоминизации

2.Анатомоморфологические-установление сходства и различия между особями, популяциями и расами

3. Группа антропометрических-это изменение тела:

+Соматометрия-измеряет живого человека( вес,рост,объем мышц)

+Остеометрия- измерение костей скелета

+Кранометрия- измерение черепа