Организация наследственного материала.
Цитология
Учебное пособие
Владикавказ, 2013
Рецензенты:
Зав. кафедрой гистологии и эмбриологии лечебного факультета РНИМУ им. Н.И. Пирогова, д.м.н., профессор В.В. Глинкина
Профессор кафедры зоологии биологического факультета ФГБОУ ВПО СОГУ им К.Л.Хетагурова д.б.н. А.Л.Калабеков.
Л.В. Бибаева, Г.А. Дзахова, А.А. Кониева, А.Л. Цуциева, Д.А. Еналдиева. Пособие по цитологии: Учебное пособие. – Владикавказ, 2013. - 127 с.
Учебное пособие содержит основную информацию по цитологии, а также разнообразные задачи по цитологии и молекулярной генетике. Для типичных задач каждого раздела приведены подробные решения. Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям высшего образования: «Лечебное дело»; «Педиатрия»; «Стоматология»; «Медико-профилактическое дело»; «Фармация».
Содержание.
| Содержание. | ||
| Введение. | ||
| Клеточная теория | ||
| Строение клетки | 5-19 | |
| Типы клеточной организации | 19-22 | |
| Химический состав клетки | 23-27 | |
| Обмен веществ в клетке | 28-29 | |
| Фотосинтез | 29-30 | |
| Задачи с примерами решения | 30-34 | |
| Организация наследственного материала | 34-40,41-42 | |
| Редупликация ДНК | 40-41 | |
| Генетический код и его свойства | 43-44 | |
| Биосинтез белка | 44-50 | |
| Генные мутации | 50-52 | |
| Задачи с примерами решения | 53-72 | |
| Хромосомный уровень организации наследственного материала | 72-75 | |
| Геномный уровень организации наследственного материала | 75-80 | |
| Воспроизведение на клеточном уровне. Митотический цикл. | 80-84 | |
| Размножение. | 85-86 | |
| Строение и функции гамет | 86-87 | |
| Гаметогенез | 87-89 | |
| Мейоз | 89-91 | |
| Задачи с примерами решения | 91-92 | |
| Тестовые задания | 93-113 | |
| Эталоны ответов | 114-118 | |
| Словарь биологических терминов | 118-122 | |
| Рекомендуемая литература | 122-123 |
Введение.
Развитие учения о клетке тесно связано с изобретением микроскопа (от греческого «микрос» – небольшой, «скопео» - рассматриваю). Первый микроскоп был сконструирован в 1610 г. Галилеем и представлял собой сочетание линз в свинцовой трубке.
Для изучения биологических объектов микроскоп впервые применил Р. Гук. В 1665 г. он изучил строение пробки, других растительных тканей и ввел термин «клетка». Р. Гук сделал первую попытку подсчитать количество клеток в определенном объеме пробки. Он сформулировал представление о клетке как о ячейке, полностью замкнутой со всех сторон, и установил факт широкого распространения клеточного строения растительных тканей. Эти два основных вывода определили направление дальнейших исследований в данной области.
 | ||
| Р. Гук. | ||
 |  |  |
| Р. Вирхов | Т. Шванн | М. Шлейден |
| http://www.proshkolu.ru/user/ksmsweta2/file/2923869/ |
К 19-му веку возникла необходимость обобщить и систематизировать накопленные знания, и в 1839 г. немецким исследователем, зоологом Т. Шванном в соавторстве с ботаником М. Шлейденом была сформулирована клеточная теория.
С точки зрения современных представлений основные положения клеточной теории формулируются следующим образом:
· Клетка является элементарной структурной, функциональной и генетической единицей всего живого;
· Клетки всех живых организмов имеют сходное строение и химический состав;
· Новые клетки образуются только путем деления исходной материнской клетки (1855г, Р.Вирхов);
· Многоклеточный организм – не механическая сумма клеток, а единое целое, интегрированное в систему тканей и органов, связанных гуморальной и нервной системами.
Таким образом, клеткапредставляет собой обособленную, наименьшую по размерам структуру, которой присуща вся совокупность свойств жизни и которая может в подходящих условиях окружающей среды поддерживать эти свойства в самой себе, а также передавать их в ряду поколений. Вне клетки не существует настоящей жизни, поэтому в природе планеты ей принадлежит роль элементарной структурной, функциональной и генетической единицы.
Строение клетки.
Клетка, как правило, имеет три составные части:
ü Клеточную оболочку, отграничивающую ее от окружающей среды;
ü Цитоплазму, представляющую собой коллоидную систему, в которой расположены органоиды и включения;
ü Ядро (кроме клеток прокариот), в котором содержится наследственный материал.
Оболочка клетки выполняет защитную функцию, осуществляет обмен веществ с внешней средой и взаимодействие с соседними клетками (в многоклеточных организмах).
Оболочка клеток имеет сложное строение. Она состоит из наружного углеводного слоя и расположенной под ним плазматической мембраны (плазмалеммы). Животные и растительные клетки различаются по строению их наружного слоя. У растений, а также у бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов на поверхности клеток расположена плотная клеточная стенка. У большинства растений она состоит из клетчатки, у грибов – из хитина, у бактерий – из муреина. Наружный слой поверхности клеток животных - гликокаликс - в отличие от клеточных стенок растений очень тонкий, эластичный, состоит из олигосахаридов, связанных с белками и липидами плазматической мембраны.
Плазматическая мембрана.
Мембрана образована двойным слоем фосфолипидов (гидрофобные хвосты молекул фосфолипидов обращены внутрь, а гидрофильные головки - наружу) и погруженными в него на различную глубину белками(РИС 1). Некоторые белки пронизывают мембрану насквозь, контактируя при этом как с наружной, так и с внутренней средой клетки (трансмембранные белки).
Мембранные белки могут выполнять различные функции:
Ø Транспорт веществ
Ø Катализ реакций, ассоциированных с мембраной
Ø Поддержание структуры мембран
Ø Получение и преобразование сигналов из окружающей среды.
Наиболее важным свойством мембран является их избирательная проницаемость.
Рис 1.
 |
| http://zapartoj.my1.ru/ |
Существуют различные механизмы транспорта веществ через мембрану.
1) Простая диффузия: переход ионов и мелких молекул через мембрану по градиенту концентрации без затрат энергии. Гидрофильные молекулы могут диффундировать по ионным каналам, образованным трансмембранными белками, а гидрофильные – через билипидный слой мембраны.
2) Осмос: переход через мембрану растворителя (воды) по градиенту концентрации без затрат энергии.
3) Облегченная диффузия: происходит с участием белков-переносчиков по градиенту концентрации без затрат энергии. Белки соединяются с транспортируемыми молекулами и увеличивают скорость диффузии.
4) Активный транспорт: перемещение веществ против градиента концентрации с помощью транспортных белков с затратой энергии АТФ. Так, например, поступают в клетку ионы кальция, магния, аминокислоты, моносахариды и др.
5) Фагоцитоз: поступление в клетку крупных твердых частиц; идет с затратой энергии. Мембрана окружает частицу, края ее смыкаются и частица поступает в цитоплазму в мембранном пузырьке.
6) Пиноцитоз: поступление в клетку крупных капелек жидкости. Происходит аналогично фагоцитозу. И фагоцитоз, и пиноцитоз возможны только в животной клетке, не имеющей клеточной стенки.
Цитоплазма.
Цитоплазма — обязательная часть клетки, заключенная между плазматической мембраной и ядром. Цитоплазма объединяет все клеточные структуры и способствует их взаимодействию друг с другом. В цитоплазме располагаются ядро и органоиды клетки, а также клеточные включения. Основу цитоплазмы составляет ее матрикс, или гиалоплазма. Состав матрикса весьма сложен, а консистенция приближается к гелю. Гель – это структурированная коллоидная система с жидкой дисперсной средой, которая под воздействием внешних или внутренних факторов может менять свое агрегатное состояние и переходить в более жидкую фазу - золь.
Одно из основных свойств цитоплазмы эукариотической клетки - способность к движению (циклоз).
В цитоплазме осуществляются все процессы клеточного метаболизма, кроме синтеза нуклеиновых кислот, происходящего в ядре. Под контролем ядра цитоплазма способна к росту и воспроизведению, при частичном удалении она полностью регенерирует. Цитоплазма, как правило, не способна к длительному автономному существованию.
Химический состав цитоплазмы непрерывно изменяется под влиянием протекающих в ней реакций обмена. Содержание воды в цитоплазме колеблется от 70 до 90%, белков - от 10 до 20%, липидов – от 2 до 3%, углеводов — 1-2%, минеральных солей — 1%.
Органоиды и включения.
Органоиды – постоянные, жизненно важные составные части клеток. Они могут быть построены из мембран (эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, митохондрии, пластиды и др.) или имеют немембранное строение (рибосомы, клеточный центр, микротрубочки и др.) Органоиды специального значения встречаются лишь в некоторых клетках и связаны с выполнением специфических функций.
Органоиды клетки
 |  |
| Органоиды общего значения | Органоиды специального значения |
| · Немембранные: ü Рибосомы ü Клеточный центр · Двумембранные: ü Митохондрии ü Пластиды · Одномембранные: · ЭПС · Комплекс Гольджи · Лизосомы | · Пищеварительные вакуоли · Порошица · Жгутики · Реснички · Трихоцисты · Сократительная вакуоль · Цитостом · Цитофарингс · Псевдоподии |
Включения – непостоянные структуры цитоплазмы, которые в отличие от органоидов то возникают, то исчезают в процессе жизнедеятельности клетки. Обычно они представляют собой продукты обмена веществ (пигменты, белковые гранулы в секреторных клетках) или запасные питательные вещества (глыбки гликогена, зерна крахмала, капли жира).
Рибосомы были обнаружены только под электронным микроскопом. Они имеют размеры 15-20 нм, состоят из двух соединенных вместе сферических телец (субъединиц) и содержат РНК и белки(рис 2). Часть рибосом связана с мембранами эндоплазматической сети, а часть свободно располагается в цитоплазме. Обычно они объединены в группы, насчитывающие несколько десятков рибосом, которые называются полирибосомами, или полисомами. В рибосомах осуществляется биосинтез белка. Особенно богаты рибосомами клетки быстрорастущих тканей.
Рис-2
Эндоплазматическая сеть (ЭПС). Под электронным микроскопом было установлено, что в цитоплазме всех клеток животных и растений имеются сложные системы мембран, часто располагающиеся параллельно друг другу. Эти системы мембран получили название эндоплазматической сети(рис-3). Мембраны имеют липидно-белковую природу и по структуре подобны наружной мембране клетки; толщина их составляет около 6—8 нм. Мембраны ограничивают очень разветвленную взаимосвязанную систему канальцев, соединяющую различные участки клетки. Диаметр полостей канальцев — 25-30 нм. Некоторые из них соединяют наружную мембрану клетки с ядром. Эндоплазматические мембраны бывают двух типов: гладкие и шероховатые (гранулярные). Стенки последних несут на себе огромное количество рибосом. На гладкой происходит синтез липидов и углеводов, на шероховатой – синтез белков.
Эндоплазматическая сеть увеличивает внутреннюю поверхность клеток, что необходимо для процессов обмена, принимает активное участие в биосинтезе белков, жиров и углеводов; участвует в транспортировке химических веществ в различные участки клетки.
Рис-3
Митохондрии – это органоиды, хорошо видимые в оптический микроскоп в виде палочек, зерен, нитей размером от 0,5 до 5,0 мкм(рис-4). Они содержатся во всех клетках, за исключением бактерий и сине-зеленых водорослей. Количество митохондрий в клетках различно: от одной (у некоторых водорослей) до тысячи (в клетках печени). Установлено, что под влиянием определенных условий (например, при голодании) число их может уменьшаться. Митохондрии размножаются в цитоплазме путем деления, а также могут возникать заново путем преобразования мембран эндоплазматической сети.
Под электронным микроскопом было обнаружено, что митохондрии покрыты двумя мембранами, а внутри имеется полость, в которую от внутренней мембраны вдаются пластинки—гребни (кристы), увеличивающие внутреннюю поверхность. У разных митохондрий число крист и их расположение неодинаково. Внутренняя полость митохондрий заполнена полужидким веществом (матриксом), содержащим РНК, ДНК и мелкие рибосомы, что позволяет синтезировать собственные белки, а также объясняет явление цитоплазматической наследственности. На поверхности крист располагается большое количество ферментов, обусловливающих сложные биохимические реакции. Важной функцией митохондрий являются окислительно-восстановительные процессы, при которых происходит расщепление углеводов, аминокислот и других органических соединений. В результате этого выделяется энергия, которая преобразуется в энергию фосфатных связей в аденозинтрифосфорной кислоте — АТФ. Накопление АТФ делает митохондрии своеобразными аккумуляторами энергии клетки.
Рис-4
Комплекс Гольджи представляет собой стопку уплощенных мембранных цистерн с пузырьками на концах(рис 5). Величина мелких пузырьков — 20-30 нм, крупных - до 2 тыс. нм. Основная функция комплекса Гольджи – накопление, компактизация, сортировка и выведение веществ, синтезированныx клеткой. Эти вещества транспортируются по каналам эндоплазматической сети и накапливаются в пузырьках комплекса Гольджи. Отсюда они либо выводятся из клетки во внешнюю среду, либо используются в процессе жизнедеятельности клетки. В комплексе также может происходить концентрация веществ, поступивших в клетку извне (например, красителей) и подлежащих удалению. Кроме того, комплекс Гольджи участвует в синтезе тех химических соединений, из которых строится клеточная мембрана. В комплексе Гольджи образуются лизосомы.
Рис-5
Пластиды—органоиды, характерные для клеток растений. В клетках высших растений находится обычно от 10 до 200 пластид размером 3-10 мкм, чаще всего имеющих форму двояковыпуклой линзы(рис-6). У водорослей пластиды, называемые хроматофорами, очень разнообразны по форме и величине. Они могут иметь звездчатую, лентовидную, сетчатую и другие формы.
Различают бесцветные пластиды — лейкопласты и окрашенные — хлоропласты (зеленого цвета) и хромопласты (желтого, красного и других цветов) . Эти виды пластид до известной степени способны превращаться друг в друга: лейкопласты при накоплении хлорофилла переходят в хлоропласты, а последние при появлении красных, бурых и других пигментов - в хромопласты.
Внутреннее строение пластид очень сложно. В хлоропластах есть свои рибосомы, ДНК, РНК, включения жира, зерна крахмала. Снаружи хлоропласты покрыты двумя мембранами, а в их полужидкую строму (основное вещество) погружены мелкие тельца – граны. Граны (размером около 1 мкм) представляют собой пакеты круглых плоских мешочков (тилакоидов), сложенных подобно столбику монет. Тилакоиды соседних гран соединены между собой мембранными каналами, образуя единую систему. Число гран в хлоропластах различно. Например, в клетках шпината каждый хлоропласт содержит 40—60 гран. Хлоропласты внутри клетки могут двигаться пассивно, увлекаемые током цитоплазмы, либо активно перемещаться с места на место. Если свет очень интенсивен, они поворачиваются ребром к ярким лучам солнца. При слабом освещении хлоропласты перемещаются к стенкам клетки, обращенным к свету, и поворачиваются к нему своей большой поверхностью. Этим достигаются наиболее благоприятные для процесса фотосинтеза условия освещения.
В гранах содержится зеленый пигмент – хлорофилл. Молекула хлорофилла сходна по строению с молекулой гемоглобина и отличается главным образом тем, что расположенный в центре молекулы гемоглобина ион железа заменен в хлорофилле на ион магния. Хлорофилл обладает способностью эффективно поглощать солнечную энергию и передавать ее другим молекулам, что обеспечивает процесс фотосинтеза. Пластидам, так же как и митохондриям, свойственна до некоторой степени автономность внутри клетки, т.к. эти органоиды содержат собственный аппарат биосинтеза белка и размножаются путем деления.
Благодаря содержанию ДНК пластиды играют определенную роль в цитоплазматической наследственности у растений.
Рис-6
Лизосомы (греч. лизис — растворение) — мелкие органоиды, диаметром около 1 мкм, хорошо различимые только в электронный микроскоп. Они покрыты плотной мембраной и содержат до 40 различных ферментов, способных расщепляют белки, жиры и углеводы(рис-7). Количество лизосом в клетках различно. Особенно много их (до нескольких сотен) в клетках, способных к фагоцитозу. Функция лизосом заключается в переваривании веществ, попавших в клетку при фагоцитозе или пиноцитозе, а также в разрушении отдельных органоидов или всей клетки при ее гибели. Это происходит в результате разрушения оболочки лизосом и освобождения заключенных в ней ферментов. В некоторых случаях ферменты лизосом участвуют в разрушении межклеточного вещества, а также целых органов. Например, под действием ферментов лизосом осуществляется рассасывание хвоста у головастиков лягушки в процессе метаморфоза.
Клеточный центр — органоид, характерный для клеток животных и низших растений. Он находится обычно около ядра или в геометрическом центре клетки и состоит из двух палочковидных телец — центриолей размером около 0,3-1 мкм(рис8). Под электронным микроскопом установлено, что центриоль представляет собой цилиндр, стенки которого построены девятью триплетами микротрубочек. В середине цилиндра находится полость, заполненная однородной массой. Пара центриолей окружена более светлой зоной — центросферой.
Клеточный центр играет важную роль в формировании веретена деления и в перемещении хромосом во время деления клетки. С ним связана способность некоторых клеток к активному движению. Это доказывается тем, что в основании жгутиков или ресничек подвижных клеток (например, сперматозоидов) находятся структуры, подобные клеточному центру. Кроме того, в неделящейся клетке центриоли участвуют в образовании свободных микротрубочек.
Рис-8
Микротрубочки –тонкие трубочки диаметром около 24 нм, их стенки образованы спирально расположенными глобулярными субъединицами белка тубулина. Входят в состав жгутиков, ресничек, образуют веретено деления. Свободные микротрубочки формируют цитоскелет, выполняя опорную функцию, а также участвуют в перемещении по цитоплазме органоидов и других внутриклеточных структур.
Ядро.
Ядро отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой. В его состав входят ядерный сок, ядрышко и хроматин(рис-9).
Ядерная оболочка – двумембранная структура, пронизанная порами, которая отделяет содержимое ядра от цитоплазмы. Число пор может меняться в зависимости от активности внутриклеточных процессов.
Ядерный сок(нуклеоплазма)– полужидкое вещество, содержащее ферменты, структурные белки рибосом, белки-гистоны, нуклеотиды, аминокислоты, РНК, углеводы, минеральные соли. Служит средой для протекания химических реакций, обеспечивает связь ядерных структур.
Ядрышко –плотное округлое тельце, погруженное в ядерный сок. Их функция – образование субъединиц рибосом.
Хроматин -форма существования наследственногоматериала в неделящейся клетке. Он представляет собой деспирализованные хромосомы. Функция хроматина – хранение, воспроизведение и передача наследственной информации.
Рис-9
Типы клеточной организации.
Во всем многообразии органического мира можно выделить две резко отличные группы - неклеточные и клеточные формы жизни.
К неклеточным формам относятся вирусы (рис.10) и фаги (рис.11).
Рис-10
Рис-11
Неклеточные формы жизни проявляют жизнедеятельность только в стадии внутриклеточного паразитизма. Вирусы имеют очень мелкие размеры, поэтому долгое время их не удавалось обнаружить. Зрелые вирусные частицы состоят из белковой оболочки (капсида) и генетического материала, представленного нуклеиновой кислотой. Существуют ДНК-содержащие и РНК-содержащие вирусы. Все вирусы являются внутриклеточными паразитами и осуществляют паразитизм на генетическом уровне. В клетку попадает ДНК или РНК вируса, реплицируется и использует рибосомы клетки хозяина для синтеза специфических вирусных белков. Далее происходит самосборка вирусных частиц, а клетка хозяина погибает.
Описаны сотни вирусов, вызывающих заболевания у растений, животных и человека. К числу вирусных заболеваний относятся бешенство, оспа, грипп, корь, энцефалит, герпес, СПИД, гепатит и др.
Вирусы открыты в 1882 году русским ученым Д.И. Ивановским.
Происхождение вирусов. Предполагают, что они представляют собой фрагменты клеток, сохранившие лишь наследственный аппарат и защитную белковую капсулу в связи с переходом к паразитическому образу жизни.
Типы клеточной организации.
Основную массу живых существ составляют организмы, обладающие клеточным строением. Их, в свою очередь, делят на две категории: не имеющие ядра - доядерные (прокариоты)(рис12) и обладающие ядром - ядерные (эукариоты)(рис13).
Основные отличия про- и эукариот заключаются в следующем:
| Признак | ПРОКАРИОТЫ | ЭУКАРИОТЫ |
| Размеры | от 0.5 до 5 мкм. | около 40 мкм, но может быть значительно больше, например, яйцеклетки, поперечнополосатые мышечные волокна. |
| Метаболизм | Анаэробы или аэробы | Аэробы |
| Строение | · Органоиды немногочисленны, нет сложно устроенных мембранных органоидов (ЭПС, митохондрий, комплекса Гольджи и т.д.), функцию мембранных органоидов выполняют различные выросты плазматической мембраны - мезосомы, тилакоиды. · Есть рибосомы, но они мельче по размерам, чем рибосомы эукариотических клеток. · Имеется плотная клеточная стенка, основной компонент которой – муреин. · Отсутствует цитоскелет, нет движения цитоплазмы. | · Немембранные органоиды (рибосомы, клеточный центр и др.) · Двумембранные (митохондрии, пластиды) · Одномембранные (ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы и др.) · Имеется клеточная стенка у растений (из целлюлозы), у грибов (из хитина). У животных клеточная стенка отсутствует, мембрана покрыта тонким слоем гликокаликса. · Есть цитоскелет и движение цитоплазмы. |
| Наследственный Материал | · Представлен одной кольцевой молекулой ДНК (нуклеоид), лишенной гистоновых белков и расположенной прямо в цитоплазме. Ядрышко отсутствует. · РНК и белки синтезируются в одном компартменте (в цитоплазме). | · Хромосомы линейной формы, состоят из ДНК в комплексе с гистоновыми и негистоновыми белками и РНК. Есть одно или несколько ядрышек. · Синтез и созревание иРНК происходит в ядре, а синтез белков - в цитоплазме. |
| Размножение | Прямое деление клеток надвое. | Митоз или мейоз. |
| Представители | Бактерии, цианобактерии (сине-зеленые водоросли). | Растения, животные, грибы. |
Прокариота
Рис-12
 Рис-13 Растительная клетка |
 Животная клетка |
 |
Химический состав клетки.
| Химический состав клетки в % на сырую массу | |||
| Неорганические вещества | Органические вещества | ||
| Вода 60-90% | Минеральные соли 1,0-1,5% | Малые биологические молекулы | Биологические полимеры |
| · аминокислоты, · глицерин, · азотистые основания и т.д. | · белки; · нуклеиновые кислоты; · полисахариды; · липиды; · гормоны; · АТФ и др. |
| Элементы | Содержание в организме в % | Биологическое значение |
| органогены О, С, Н, N | Около 95% | Входят в состав всех органических веществ клетки |
| макроэлементы Фосфор Р | 1,0% | Входит в состав нуклеиновых кислот, ферментов, костной ткани и эмали зубов |
| Кальций Са | 2,5% | У растений входит в состав оболочки клетки, у животных - в состав костей и зубов, ионы кальция активизируют свертываемость крови. |
| микроэлементы Сера S | 1-0,01% 0,25% | Входит в состав белков, витаминов и ферментов |
| Калий К | 0,25% | Обуславливает проведение нервных импульсов, активатор ферментов белкового синтеза, роста растений |
| Хлор Cl | 0,2% | Является компонентом желудочного сока в составе соляной кислоты, активизирует пищеварительные ферменты |
| Натрий Na | 0,1% | Обеспечивает проведение нервных импульсов, поддерживает осмотическое давление, стимулирует синтез гормонов. |
| Магний Mg | 0,07% | Входит в состав молекулы хлорофилла, содержится в костях и зубах, активизирует синтез ДНК, энергетический обмен. |
| Йод I | 0,1% | Входит в состав гормона щитовидной железы - тироксина, влияет на обмен веществ |
| Железо Fe | 0,01% | Входит в состав гемоглобина, миоглобина, активатор ферментов, участвует в синтезе хлорофилла. |
| ультрамикроэлементы Медь Cu | Менее 0,01% | Участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, катализирует внутриклеточные окислительные процессы |
| Марганец Mn | Повышает урожайность растений, активизирует процесс фотосинтеза, влияет на процессы кроветворения | |
| Бор B | Влияет на ростовые процессы растений | |
| Фтор F | Входит в состав эмали зубов |
Органические вещества
| Вещества | Строение и свойства | Функции |
| Липиды | Жиры - сложные эфиры высших жирных кислот и глицерина. В состав фосфолипидов входит дополнительно остаток Н3Р04. Обладают гидрофобными или гидрофильно-гидрофобными свойствами, высокой энергоемкостью | · Структурная — образуют билипидный слой всех мембранных структур; · энергетическая; · терморегуляторная; · защитная; · гормональная (кортикостероиды, половые гормоны); компоненты витаминов Д, Е; · источник воды в организме; · запасное питательное вещество. |
| (жиры и жиропо- добные вещества) | ||
| Углеводы | Хорошо растворимы в воде, сладкие на вкус. Пентозы — рибоза, дезоксирибоза. Гексозы — глюкоза, фруктоза, галактоза | ·Энергетическая ·Компоненты ДНК, РНК, АТФ |
| Моносахариды: (триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы) | ||
| Олигосахариды: | Растворимы в воде, сладкие на вкус. Сахароза, мальтоза (солодовый сахар) | Энергетическая |
| Полисахариды: крахмал, гликоген, целлюлоза | Плохо растворимы или нерастворимы в воде, не сладкие. Гомополисахариды: крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин. Гетерополисахариды: муреин, пектин, гепарин. | ·Структурная — компонент клеточной оболочки. ·Запасные питательные вещества |
| Белки | Биополимеры. Мономерами служат 20 видов аминокислот. Первичная структура -последователь- ность аминокислот в полипептидной цепи. Связи пептидные: —СО—NН—. Вторичная структура — α-спираль, связи - водородные. Третичная структура - пространственная конфигурация α-спирали (глобула). Связи — ионные, ковалентные, гидрофобные, водородные. Четвертичная структура характерна не для всех белков. Соединение нескольких полипептидных цепей с третичной структурой в единую структуру. В воде плохо растворимы. Действие высоких температур, концентрированных кислот и щелочей, солей тяжелых металлов вызывает денатурацию — нарушение структуры белка. | ·Ферментативная (биокатализаторы). ·Структурная — входят в состав мембранных структур, рибосом. ·Двигательная (сократительные белки мышц). ·Транспортная (гемоглобин). ·Защитная (антитела). ·Регуляторная (гормоны, например инсулин) ·Энергетическая ·Запасные питательные вещества |
| Нуклеиновые кислоты: ДНК — дезокси- рибонуклеиновая кислота РНК-рибонуклеиновая кислота | Биополимеры. Состоят из нуклеотидов. Состав нуклеотида: · дезоксирибоза или рибоза. · азотистое основание — аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил. · остаток Н3Р04. Комплементарность азотистых оснований А=Т; А=У; Г=Ц | · Образуют хромосомы. · Хранение, передача и реализация наследственной информации · Биосинтез РНК, белков. ДНК содержится в ядре, митохондриях, пластидах |
Обмен веществ в клетке
Обмен веществ и энергии (метаболизм) - совокупность реакций синтеза и распада, связанных с выделением или поглощением энергии.
Обмен веществ
| Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) | Пластический обмен (анаболизм, ассимиляция) |
| Реакции распада и окисления органических веществ, связанные с выделением энергии и синтезом молекул АТФ | Совокупность реакций синтеза органических веществ, сопровождающихся поглощением энергии за счет распада молекул АТФ. Примеры реакций: фотосинтез, биосинтез белка, синтез нуклеиновых кислот, синтез жиров, синтез углеводов. |
Универсальным хранителем и переносчиком энергии в живом организме является молекула АТФ (аденозинтрифосфорная кислота – мононуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями).
 |
| http://cendomzn.ucoz.ru/index/0-7918 |
Гидролиз макроэргических связей молекулы АТФ, сопровождаемый отщеплением одного или двух остатков фосфорной кислоты, приводит к выделению 40 кДж энергии.
| Этапы энергетического обмена | |
| I - подготовительный этап — расщепление полимеров до мономеров. Процесс протекает в пищеварительном тракте или цитоплазме клеток (в лизосомах). Вся энергия рассеивается в виде тепла. | Белки + Н2О → аминокислоты + Q Жиры + Н2О → глицерин + жирные кислоты + Q Полисахариды + Н2О →глюкоза + Q (крахмал, гликоген) |
| II этап. Гликолиз — бескислородный этап, протекает в цитоплазме. Часть энергии запасается в виде АТФ. | С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3Р04 + → глюкоза →2С3Н403 + 2АТФ+ 2Н20 пировиноградная кислота пировиноградная кислота |
| III - кислородный этап, протекает в митохондриях. Энергия химических связей окисляемых веществ преобразуется в энергию АТФ. | 2С3Н403 + 36АДФ + 36Н3РО4 →6С02 + 36АТФ+ 12Н20 |
| Суммарное уравнение: | С6Н1206 + 602 + 6Н20 + 38АДФ + 38Н3Р04 →6СО2+12Н20 + 38АТФ 38АТФ |
| Анаэробное дыхание Синтез АТФ при отсутствии или недостатке кислорода, путем расщепления питательных веществ. Осуществляют многие виды бактерий, микроскопические грибы и простейшие. | Молочнокислое брожение: С6Н1206 + 2АДФ + 2Н3РО4 → 2С3Н603 + 2АТФ Спиртовое брожение: С6Н1206 + 2АДФ + 2Н3Р04 →2С2Н5ОН +2АТФ + 2С02 |
Фотосинтез.
Фотосинтез - сложный процесс преобразования энергии солнечного света в энергию химических связей АТФ и последующий синтез глюкозы из СО2 и Н2О.
Суммарное уравнение фотосинтеза:
6 СО2 + 6Н2О = С6Н12О6+6О 2
Фотосинтез включает 3 основных этапа:
1) Захват кванта света, возбуждение е- хлорофилла и преобразование электромагнитной энергии в химическую - синтез АТФ
2) Фотолиз воды: Н2О=1/2 О2 + 2Н+ +2е-
3) Синтез глюкозы из СО2 и Н+ при участии АТФ
При этом первые 2 этапа происходят на мембранах тилакоидов хлоропластов(рис14) на свету (световая фаза фотосинтеза), а синтез глюкозы – в строме (темновая фаза).
Рис-14
Примеры решения задач:
Задача:
В диссимиляцию вступило 10 молекул глюкозы. Определите количество АТФ после гликолиза, после кислородного этапа и суммарный эффект диссимиляции.
Решение:
1) Т.к. в ходе гликолиза из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы ПВК и 2АТФ, следовательно, синтезируется 20 АТФ.
2) после кислородного этапа диссимиляции образуется 36 молекул АТФ (при распаде 1 молекулы глюкозы), следовательно, синтезируется 360 АТФ.
3) Суммарный эффект диссимиляции равен 360+20=380 АТФ.
Задача:
Какова масса кислорода, образовавшегося при фотосинтезе, если в результате этого процесса образовалось 45 грамм глюкозы? (молекулярная масса кислоро