Организация потока вещества и энергии в клетке
Оценка 4.7

Организация потока вещества и энергии в клетке

Оценка 4.7
docx
31.12.2020
Организация потока вещества и энергии в клетке
Организация потока вещества и энергии в клетк1.docx

 ОРГАНИЗАЦИЯ ПОТОКА ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ

 

     Клетка представляет собой основную структурно‒функциональную и генетическую единицу живого. В ней (в ядре и цитоплазме) сосредоточена вся генетическая информация любого организма. Поэтому, прежде чем изучать непосредственно генетику, необходимо ознакомиться с основами строения и функционирования клетки.

     1. Клеточная теория.

     В 1665 г. Р. Гук, рассматривая под микроскопом срез пробки дерева, обнаруживая пустые ячейки, которые он назвал «клетками». Он видел только оболочки растительных клеток, и длительное время оболочка считалась основным структурным компонентом клетки. В 1825 г. Я. Пуркине описал протоплазму клеток, а в 1831 г. Р. Броун – ядро. М. Шлейден пришел к заключению, что растительные организмы состоят из клеток, и каждая клетка содержит ядро.

     1.1. Используя накопившиеся к этому времени данные, Т. Шванн в 1839 г. сформулировал основные положения клеточной теории:

1)    Клетка является основной структурной единицей растений и животных;

2)    Процесс образования клеток обусловливает рост, развитие и дифференцировку организмов.

     В 1858 г. Р. Вирхов – основоположник патологической анатомии – дополнил клеточную теорию важным положением, что клетка может происходить только от клетки (Omnis cellula e cellula) в результате ее деления. Он установил, что в основе всех заболеваний лежит изменения структуры и функции клеток.

     1.2. Современная клеточная теория включает следующие положения:

1)    Клетка – основная структурно‒функциональная и генетическая единица живых организмов, наименьшая единица живого;

2)    Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов по строению, химическому составу и важнейшим проявлениям процессов жизнедеятельности;

3)    Каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;

4)    Клетки многоклеточных организмов специализированы: они выполняют разные функции и образуют ткани;

5)    Клетка является открытой системой, через которую проходят и преобразуются потоки вещества, энергии и информации.

     2. Строение и функции цитоплазматической мембраны.

     Клетка представляет собой открытую саморегулирующуюся систему, через которую постоянно идет поток вещества, энергии и информации. Эти потоки принимает специальный аппарат клетки, в который входит:

1)    Надмембранный компонент – гликокаликс;

2)    Элементарная биологическая мембрана или их комплекс;

3)    Подмембранный опорно‒сократительный комплекс гиалоплазмы;

4)    Анаболическая и катаболическая системы.

     Основной компонент этого аппарата – элементарная мембрана.

     Клетка содержит различные типы мембран, но принцип их строения одинаков.

     2.1. Первые представления о структуре элементарной мембраны были даны Н. Даусоном и Р. Даниеллем (1943).Они описали «бутербродную» (сэндвич) модель мембраны. По их представлениям основу ее составляют два слоя липидных молекул, расположенных гидрофобными концами друг к другу, а гидрофильными – наружу. Поверх билипидного слоя располагаются сплошные слои белковых молекул. Однако эта модель не позволяет объяснить многие свойства и функции мембраны.

     2.2. В 1972 году С. Сингером и Г. Николсоном была предложена жидкостно‒мозаичная модель строения элементарной мембраны. Согласно этой модели ее основу также составляет билипидный слой, но белки по отношению к этому слою располагаются по‒разному. Часть белковых молекул лежит на поверхности липидных слоев (периферические белки), часть пронизывает один слой липидов (полуинтегральные белки), а часть пронизывает оба слоя липидов (интегральные белки). Липидный слой находится в жидкой фазе («липидное море»). На наружной поверхности мембран имеется рецепторный аппарат – гликокаликс, образованный разветвленными молекулами гликопротеинов, «узнающий», определенные вещества и структуры.

     2.3. Свойства мембран: 1) пластичность, 2) полупроницаемость, 3) способность самозамыкаться.

     2.4. Функции мембран: 1) структурная – мембрана как структурный компонент входит в состав большинства органоидов (мембранный принцип структуры органоидов); 2) барьерная и регуляторная – поддерживает постоянство химического состава и регулирует все обменные процессы (реакции обмена веществ протекают на мембранах); 3) защитная; 4) рецепторная.

     3. Транспорт веществ в клетку.

     Плазмолемма включает комплекс элементарных мембран: 1‒3 у животной клетки, до 8 – у растительной. Через плазмолемму происходит поступление веществ в клетку. Механизмы мембранного транспорта различны.

     Пассивный транспорт идет по градиенту концентрации  и не требует затрат энергии. Это может быть фильтрация или диффузия (вода и мелкие молекулы), поступление через поры, путем растворения в липидах и облегченная диффузия посредством белков‒переносчиков – пермеаз (аминокислоты, сахара, жирные кислоты).

     Активный транспорт идет против градиента концентрации, с затратой энергии. Для него необходимо наличие специальных ионных каналов, ферментов и АТФ. Так работает натрий‒калиевый насос. Концентрация калия в клетке выше, чем в околоклеточном пространстве, и, тем не менее, ионы калия поступают в клетку.

     Цитоз связан с обратимыми изменениями архитектоники мембраны. Эндоцитоз – захват мембраной клетки макромолекул и частиц. Мембрана образует выпячивания, которые окружают частицу и замыкаются вокруг нее. Таким образом, частица оказывается в цитоплазме в составе эндосомы. Мембрана может захватывать твердые частицы (фагоцитоз) или капли жидкости (пиноцитоз). Выделение из клетки веществ, заключенных в мембрану, называется экзоцитозом.

     Поступившие в клетку вещества могут использоваться:

1)    В анаболической системе – для синтеза соединений, необходимых самой клетке или секретируемых ею;

2)    В катаболической системе – как источник энергии.

     Анаболическая система осуществляет реакции пластического обмена, или ассимиляции; катаболическая система – реакция энергетического обмена, или диссимиляции. Эти системы связаны неразрывно как ассимиляция и диссимиляция. Все процессы жизнедеятельности клетки немыслимы без участия АТФ, синтез которой в свою очередь невозможен без ферментов, образуемых в анаболической системе. В такой же тесной связи находятся потоки веществ и энергии в клетке, так как гетеротрофные клетки способны использовать только энергию, заключенную в сложных органических соединениях.

     4. Анаболическая система клетки.

     К анаболической системе клетки относятся: рибосомы, эндоплазматическая сеть и комплекс Гольджи.

     4.1. Рибосомы представляют собой сферические тельца диаметром 15‒35 нм, которые состоят из двух субъединиц: малой и большой. Располагаются они либо свободно в цитоплазме, либо на наружной поверхности мембран эндоплазматической сети и на наружной ядерной мембране. Они на 40% состоят из рибосомальной РНК (р‒РНК) и на 60% ‒ из белков. Субъединицы рибосом образуются в ядрышке. Информация о структуре р‒РНК и белках рибосом закодирована в «ядрышковых организаторах» ‒ участках молекулы ДНК в области вторичных перетяжек спутничных хромосом. Рибосомы содержат некоторые органоиды клетки (митохондрии, хлоропласты), способные синтезировать специфичные белки. Функции рибосом: принимают непосредственное участие в синтезе белка.

     4.2. Эндоплазматическая сеть (ЭПС) представлена каналами, пронизывающими всю цитоплазму клетки, соединяющимися с перинуклиарным пространством и с полостями комплекса Гольджи. Стенки каналов образованы элементарной мембраной. Если на наружной поверхности мембран каналов располагаются рибосомы, ЭПС называется гранулярной, если рибосом на мембранах нет – агранулярной. Функции ЭПС: 1) биосинтез белков (гранулярная ЭПС), жиров и углеводов (агранулярная ЭПС); 2) компартментализация цитоплазмы клетки (разделение на отсеки); 3) участие в образовании мембран; 4) образование пероксисом; 5) транспортировка всех веществ в клетке.

     4.3. Комплекс Гольджи представлен системой диктиосом. Каждая диктиосома – это стопка из 1‒15 элементарных мембран, образующих замкнутые каналы, толщиной 20‒40 нм, расширяющиеся на концах в цистерны. От цистерн отделяются пузырьки, которые образуют лизосомы и вакуоли. Функции комплекса Гольджи: 1) сортировка и упаковка синтезированных в ЭПС веществ; 2) образование комплексных соединений (гликопротеинов, липопротеинов и др.); 3) образование лизосом и глиоксисом; 4) секреция веществ; 5) участие в образовании клеточной стенки (при митозе).  

     5. Катаболическая система клетки.

     К катаболической системе клетки относятся: лизосомы, микротельца (пероксисомы, глиоксисомы) и митохондрии.

     5.1. Первичные лизосомы образуются в комплексе Гольджи. Они представляют собой мелкие (0,2‒1 мкм) округлые тельца, покрытые элементарной мембраной и содержащие до 30‒ти различных гидролитических ферментов. При поступлении в цитоплазму эндосом происходит их слияние с первичными лизосомами, ферменты которых активируются и образуют фагосомы (вторичные лизосомы), в них расщепляются сложные органические соединения до более простых (белков до аминокислот и т.д.). Вторичные лизосомы, в которых не завершен процесс переваривания, называются остаточными тельцами. В перексисомах окисляются аминокислоты с образованием перекиси водорода (Н2О2), которая участвует во многих обменных реакциях, в том числе и в неспецифической защите клетки от паразитов. Пероксисомы образуются эндоплазматической сетью. В глиоксисомах жиры превращаются в углеводы. Они образуются в комплексе Гольджи.

     5.2. Митохондрия имеет две мембраны – наружную и внутреннюю. Внутренняя мембрана образует впячивания в полость митохондрии, которые называются кристами. На кристах митохондрий расположены сферические тельца на ножках – АТФ‒сомы. Между кристами находится внутренний матрикс, который содержит автономную систему биосинтеза белка (кольцевые молекулы ДНК и рибосомы). Наружный матрикс находится между наружной и внутренней мембранами. Основные функции митохондрий: синтез АТФ, специфических белков и стероидных гормонов.

     5.3. Энергетический обмен, или диссимиляции, включает три этапа:

      I.            Подготовительный;

   II.            Бескислородный (анаэробный, гликолиз);

III.            Кислородный.

     Первичным источником энергии на Земле является Солнце. Его световая энергия аккумулируется зелеными растениями в процессе фотосинтеза в химических связях сложных органических соединений. Гетеротрофные организмы способны усваивать только этот вид энергии.

     Подготовительный этап протекает в пищеварительной системе организмов и в лизосомах клеток и заключается в том, что сложные органические соединения расщепляются до более простых: белки до аминокислот, полисахариды до моносахаридов, жиры до глицерина и жирных кислот. Высвобождающаяся энергия рассеивается в виде тепла.

     Анаэробный этап протекает в цитоплазме клеток. При гликолизе моносахариды, аминокислоты и жирные кислоты распадаются до пировиноградной или молочной кислот. При анаэробном расщеплении 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. В гликолизе участвует 10 ферментов цитоплазмы.

     Анаэробный этап энергетического обмена протекает в митохондриях.

     Образовавшаяся в процессе гликолиза пировиноградная кислота, соединяется с коферментом А и в таком виде (Ацетил КоА) поступает в матрикс митохондрий. Митохондрии содержат 3 группы ферментов: цикла Кребса (внутренний матрикс), тканевого дыхания (кристы) и окислительного фосфолирования (АТФ‒сомы). Ацетил Ко А поступает в цикл Кребса, ферменты которого (дегидрогеназы) постепенно отщепляют от его молекулы атомы водорода, образуя в итоге диоксид углерода. Диоксид углерода выделяется из митохондрии. Атомы водорода на протоны и электроны, которые поступают в систему ферментов тканевого дыхания, где в процессе перехода в электронтранспортной цепи (электронный каскад) накапливаются по разные стороны мембран (протоны – на наружной, а электроны – на внутренней поверхности). При достижении критического потенциала (около 200 мВ) протоны проходят через специальные каналы АТФ‒сомах, содержащие ферменты окислительного фосфорилирования. В этот момент электроны отдают свою энергию для присоединения остатков фосфорной кислоты к АМФ с образованием АДФ и к АДФ с образованием АТФ. Электроны, отдавшие энергию, соединяются с протонами, образуя атомы водорода. Водород, соединяясь с кислородом, образует воду. Таким образом, конечным акцептором электронов является кислород.

     При аэробном расщеплении одной молекулы глюкозы образуется 36 молекул АТФ и две молекулы – при анаэробном, всего 38 молекул АТФ. Коэффициент полезного действия митохондрий достигает 60%.

     Энергия синтезированной в процессе энергетического обмена АТФ используется:

1)    Для биосинтеза веществ (до 50%);

2)    Для транспортировки веществ (30‒40%);

3)    Для механической работы (сокращения мышц);

4)    Для деления клеток;

5)    Рассеивается в виде тепла.

 

РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

 

Задача 1.

В результате мутации клетка перестала реагировать на инсулин, хотя все ферменты для углеводного обмена в ней синтезировались. Какую функцию выполнял белок, кодируемый данным геном до мутации?

Решение. Данный белок входил в состав цитоплазматической мембраны и являлся рецептором для инсулина.

 

Задача 2.

Некоторые митохондрии по форме и размерам похожи на лизосомы. Есть ли отличия в ферментах этих органоидов?

Решение. Есть, в митохондриях находятся окислительные ферменты, а в лизосомах – литические.

 

Задача 3.

Участвуют ли митохондрии в биосинтезе белков клетки?

Решение. Нет; митохондрии, имея собственные рибосомы, синтезируют только митохондриальные белки.

 

Задача 4.

Взрослый человек не растет. Обязательно ли он должен получать с пищей белки или их можно заменить равноценным по калорийности количеством углеводов и жиров?

Решение. Белки содержат незаменимые аминокислоты. Их поступление с пищей необходимо, так как в организме из них синтезируются белки. Синтез белков – это процесс, составляющий молекулярную основу самообновления. Самообновление происходит в любом возрасте, поэтому взрослый человек должен употреблять белковую пищу.

 

Задача 5.

Желток содержит в своем составе липиды. При дроблении зиготы запасы желтка постепенно расходуются. Для каких процессов могут быть использованы входящие в состав желтка липиды?

Решение. Для энергетического обмена и для образования цитоплазматических мембран бластомеров.

 

Задача 6.

Какими свойствами мембраны можно объяснить ее участие в эндоцитозе?

Решение. Свойствами пластичности и способностью к самозамыканию.

 

 


 

ОРГАНИЗАЦИЯ ПОТОКА ВЕЩЕСТВА И

ОРГАНИЗАЦИЯ ПОТОКА ВЕЩЕСТВА И

Клетка содержит различные типы мембран, но принцип их строения одинаков

Клетка содержит различные типы мембран, но принцип их строения одинаков

Мембрана может захватывать твердые частицы (фагоцитоз) или капли жидкости (пиноцитоз)

Мембрана может захватывать твердые частицы (фагоцитоз) или капли жидкости (пиноцитоз)

ЭПС веществ; 2) образование комплексных соединений (гликопротеинов, липопротеинов и др

ЭПС веществ; 2) образование комплексных соединений (гликопротеинов, липопротеинов и др

АТФ. В гликолизе участвует 10 ферментов цитоплазмы

АТФ. В гликолизе участвует 10 ферментов цитоплазмы

Решение. Есть, в митохондриях находятся окислительные ферменты, а в лизосомах – литические

Решение. Есть, в митохондриях находятся окислительные ферменты, а в лизосомах – литические
Скачать файл