Физическая география часть 19

Функции: каталитическая — все ферменты, ускоряющие процессы метаболизма в организме белковой природы; пластическая, регуляторная, сигнальная (рецепторы), транспортная, двига­тельная, защитная (антитела) и энергетическая (17,6 кДж).

Углеводы. или сахариды, — органические вещества с общей формулой Сп(Н20)га. Прос­тые углеводы называются моносахаридами [Сп(Н20)п]- В зависимости от, числа атомбв угле­рода в молекуле моносахариды называются трио – зами — 3 атома, тетрозами — 4, пентозами — б или гексозами — 6. Если в одной молекуле объ­единяются два моносахарида, такое соединение называют дисахаридом. Сложные углеводы, обра­зованные многими моносахаридами, называются полисахаридами. Мономером таких полисахари­дов, как крахмал, гликоген, целлюлоза, является глюкоза. Полисахариды представляют собой раз­ветвленные (как правило) регулярные полимеры, мономерами которых являются моносахариды.

Функции: пластическая, сигнальная (глико – протеид), резервная, энергетическая (17,6 кДж).

Жиры (липиды) представляют собой эфиры высокомолекулярных жирных кислот и трех­атомного спирта глицерина. Жиры не растворя­ются в воде, они гидрофобны. В клетках всегда есть и другие сложные гидрофобные жироподоб – ные вещества, называемые липоидами.

Н2С — О — Остаток жирной кислоты

I

НС — О — Остаток жирной кислоты

I

Рис. 1

Н2С — О — Остаток жирной кислоты

Функции: пластическая (мембраны клеток) — особое значение в этом отношении имеют фосфо- липиды, у которых к глицерину вместо одного из остатков жирных кислот, присоединена группи­ровка, содержащая фосфор, фосфолипиды обра­зуют двуслойную биологическую мембрану; рас­творитель (витамины А, Е, D), резервная, энерге­тическая (38,9 кДж).

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты — линейные нерегу­лярные биологические полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Никлеотиды — органические соединения, включающие азотистое основание (аденин, тимин, гуанин, цитозин или урацил), пентозу (рибозу или Дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. Полинуклеотидная цепь образуется благодаря соединению нуклеоти – дов за счет фосфодиэфирных связей, образую­щихся между пентозой одного и остатком фос­форной кислоты последующего нуклеотида.

ДНК

ДНК представляет собой двухцепочечный био­логический полимер, мономерами которого явля­ются нуклеотиды, содержащие одно из азотистых оснований (А, Т, Г или Ц), дезоксирибозу и оста­ток фосфорной кислоты. Полинуклеотидные цепи молекулы ДНК антипараллельны и соединены друг с другом водородными связями по принципу комплементарности. При этом против нуклеоти­да, содержащего азотистое основание А из одной цепи, всегда расположен нуклеотид, несущий азо­тистое основание Т из другой цепи, а против азо­тистого основания Г одной цепи — Ц из другой полинуклеотидной цепи (рис. 1).

7~| т p~q я |. . |—, — /1 я F-H т -i—i i— \ т « fSYl^—^ , i i—

Двойная спираль, открытая в 1953 г. Уотсо – ном и Криком, содержит шаг размером 3,4 нм, включающем 10 пар комплементарно связанных оснований (рис. 2).

Рис. 2

Функции ДНК: хранение наследственной ин­формации (генетический код — такая организа­ция структуры молекул ДНК и РНК, при которой последовательность нуклеотидов в них определяет порядок аминокислот в полипептидной цепи), пе­редача генетической информации из поколения в поколение (редупликация — молекул ДНК перед делением клеток, происходящая с абсолютной точностью), передача информации о структуре белков из ядра в цитоплазму (транскрипция, происходящая по принципу матричного синтеза молекулы и-РНК на одной из цепей ДНК).

РНК

РНК — одноцепочечный линейный нерегуляр­ный биологический полимер, мономерами кото­рого являются нуклеотиды, содержащие (аденин, урацил, гуанин или цитозин), рибозу и остаток фосфорной кислоты. и-РНК (информационная РНК) — комплементарная копия участка молеку­лы ДНК, несущая информацию о последователь­ности аминокислот в конкретной белковой моле­куле. р-РНК — рибосомальная РНК, входящая в состав рибосом, участвующих в биосинтезе белка. Т-РНК (транспортная РНК) — переносит опреде­ленные аминокислоты к месту синтеза белка в рибосомах. Генетические РНК — выполняют роль носителя наследственной информации у не­которых вирусов. Все виды РНК синтезируются в ядре на матрице — на одной из цепей ДНК.

Генетический код. Реализация наследственной информации

Генетический код — исторически сложив­шаяся организация молекул ДНК и РНК, при ко­торой последовательность нуклеотидов в них не­сет информацию о последовательности аминокис­лот в белковых молекулах. Свойства кода: три – плетность (кодон), неперекрываемость (кодоны следуют друг за другом), специфичность (один кодон может определять в полипептидной цепи только одну аминокислоту), универсальность (у всех живых организмов один и тот же кодон об­условливает включение в полипептид одну и ту же аминокислоту), избыточность (для боль­шинства аминокислот существует несколько ко – донов). Триплеты, не несущие информации об аминокислотах, являются — стоп триплетами, обозначающими место начала синтеза и-РНК.

Биосинтез белков. Реализация наследствен­ной информации. Транскрипиия — перевод ин­формации из последовательности кодонов ДНК в последовательность кодонов и-РНК; происходит путем матричного синтеза по принципу компле – ментарности и-РНК на одной из цепей ДНК. Трансляция — перевод информации из последова­тельности кодонов и-РНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи; осуществляет­ся путем подбора антикодонов Т-РНК к кодонам и-РНК. При этом, если антикодон комплемента­рен кодону, то аминокислота, принесенная такой Т-РНК, включается в полипептидную цепь. Тран­сляция осуществляется при участии рибосом, ко­торые последовательно делают кодоны и-РНК до­ступными для контакта с антикодонами Т-РНК.

днк (кодоны)	-гт-1— г т г III II III цац 1 1 1	—1——i— г г а 1» III II ц ц т 1 1 1	«1 т ч т т т II II II а а а 1 1 1	in ц г т III III II г ц а 1 1 1
И-РНК (кодоны)	г у г 1 1 1	г г а 1 1 1	У У У 1 1 1	ц г у
Т. РНК (антикодоны)	цац	ц Ч У 1__ 1—1	а а а 1_ 1_1	г ц а 1 1 1
Полипептид	Вал	Гли	Фен	Apr
			1

Рис. 3 Рис. 3. Этапы реализации наследственной инфор­мации при синтезе бедка: I — транскрипция, II — трансляция

Обмен веществ и превращения энергии в клетке

Обменные процессы обеспечивают постоянство внутренней среды организма — гомеостаз — не­пременное условие жизнедеятельности в непре­рывно меняющихся условиях существования. Со­вокупность реакций биологического синтеза на­зывается пластическим обменом’, из веществ, поступающих в клетку извне, образуются моле­кулы, подобные соединениям клетки, т. е. проис­ходит ассимиляция. Процессом, противополож­ным синтезу, является диссимиляция — сово­купность реакций расщепления. При расщепле­нии высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза — энергетический обмен. При расщеплении глюко­зы энергия выделяется поэтапно при участии ря­да ферментов согласно итоговому уравнению:

С6Н1206 + 602 -> 6Н20 + 6С02 + 2800 кДж.

Энергетический обмен подразделяют на три этапа. Первый этап — подготовительный. На этом этапе молекулы ди – и полисахаридов, жи­ров, белков распадаются на мелкие молекулы — глюкозу, глицерин и жирные кислоты, амино­кислоты; крупные молекулы нуклеиновых кис­лот — на нуклеотиды. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеи­вается в виде теплоты.

Второй этап — бескислородный, или непол­ный. Он называется также анаэробным (гликолизом) или брожением. Образующиеся на этом этапе вещества при участии ферментов под­вергаются дальнейшему расщеплению. Например, в мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молеку­лы пировиноградной кислоты (С3Н4О3), которые затем восстанавливаются в молочную кислоту (СзНбОз). В реакциях расщепления глюкозы уча­ствуют фосфорная кислота и АДФ. В суммарном виде это выглядит так:

С6Н1206 + 2Н3РО4 + 2АДФ -> -> 2С3Н603 + 2АТФ + 2НоО.

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение):

С6Н1206 + 2Н3РО4 + 2АДФ ->

-> 2С0Н5ОН + 2СО, + 2АТФ + 2НоО.

У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и т. д. Во всех случаях распад одной мо­лекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. В ходе бескислородного рас­щепления глюкозы в виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40% энергии, а остальная рассеивается в виде теплоты.

Третий этап — стадия аэробного дыхания, или кислородного расщепления. При доступе кислорода к клетке образовавшиеся во время предыдущего этапа вещества окисляются до ко­нечных продуктов — НоО и С02. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так:

2С3Н603 + 602 + З6Н3РО4 + 36АДФ -> -+ 6С02 + 6Н20 + 36Н20 + 36АТФ.

Однако значительное количество энергии об­разуется и при фотосинтезе.

Хемосинтез. Некоторые бактерии, лишенные хлорофилла, тоже способны к синтезу органиче­ских соединений, при этом они используют энергию химических реакций неорганических веществ. Преобразование энергии химических ре­акций в химическую энергию синтезируемых ор­ганических соединений называется хемосинтезом.

Фотосинтез — образование органических молекул из неорганических за счет использова­ния энергии солнечного света. Состоит из двух фаз — световой и темновой. В световой фазе кванты света — фотоны — взаимодействуют с молекулами хлорофилла, в результате чего эти молекулы на очень короткое время переходят в более богатое энергией «возбужденное» состояние. Избыточная энергия части возбужденных моле­кул преобразуется в теплоту или испускается в виде света. Другая ее часть передается ионам во­дорода Н+, всегда имеющимся в водном растворе.

Н20 Н+ + ОН».

Образовавшиеся атомы водорода (Н*) непрочно соединяются с органическими молекулами — пе­реносчиками водорода. Ионы гидроксила ОН» от­дают свои электроны другим молекулам и пре­вращаются в свободные радикалы ОН*. Радикалы ОН* взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуются вода и кислород:

40Н -> 02 + 2НоО.

Энергия света используется в световой фазе и для синтеза АТФ из АДФ и фосфата без участия кислорода: в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях тех же расте­ний с участием кислорода.

В комплексе химических реакций темновой фазы ключевое место занимает связывание С02. В этих реакциях участвуют молекулы АТФ, синте­зированные во время световой фазы, и атомы во­дорода, Ъб разевавшиеся в процессе фотолиза воды и связанные с молекулами-переносчиками:

6С02 + 24Н* -+ С6Н1206 + 6Н20.

Так энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органиче­ских соединений.

СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ

Клетка представляет собой структурно-функ­циональную единицу, а также единицу развития всех живых организмов. Выделяют два уровня клеточной организации: прокариотический и эу – кариотический. Прокариотические организмы очень просто устроены и не имеют ограниченного оболочкой ядра. На этом основании их выделяют в самостоятельное царство — Прокариот. Эука – риотические организмы содержат ограниченное оболочкой ядро.

Прокариотическая клетка

К прокариотам относят бактерии и сине – зеленые водоросли (цианеи). Наследственный ап­парат прокариот представлен одной кольцевой молекулой ДНК, не образующей связей с белками и содержащей по одной копии каждого гена — гаплоидные организмы. В цитоплазме имеется большое количество мелких рибосом; отсутствуют или слабо выражены внутренние мембраны. Фер­менты пластического обмена расположены диф – фузно. Аппарат Гольджи представлен отдельными пузырьками. Ферментные системы энергетиче­ского обмена упорядочено расположены на внут­ренней поверхности наружной цитоплазмати – ческой мембраны. Снаружи клетка окружена толстой клеточной стенкой. Многие прокариоты способны к спорообразованию в неблагоприятных условиях существования; при этом выделяется небольшой участок цитоплазмы, содержащий ДНК, и окружается толстой многослойной капсу­лой. Процессы метаболизма внутри споры прак­тически прекращаются. Попадая в благоприят­ные условия, спора преобразуется в активную клеточную форму. Размножение прокариот про­исходит простым делением надвое.

Эукариотическая клетка

В эукариотической клетке выделяют две основные части: ядро и цитоплазму.

Цитоплазма. В цитоплазме различают: цито – лимфу, органоиды и включения. Цитолимфа — жидкая фаза цитоплазмы, содержащая в раство­ренном состоянии продукты жизнедеятельности клеточных структур. Включения — структуры, являющиеся нерастворимыми продуктами жиз­недеятельности структур клетки (гранулы пиг­мента); могут выполнять роль резерва питатель­ных веществ (капли жира, глыбки гликогена, зерна крахмала). Органоиды (органеллы) подраз­деляют на мембранные и немембранные.

Мембранные органоиды: наружная цитоплаз – матическая мембрана (НЦМ), эндоплазматиче – ская сеть (ЭПС), аппарат Гольджи (АГ), лизосомы (Л), митохондрии (М) и пластиды (П).

В основе строения всех мембранных органои­дов лежит биологическая мембрана. Все мембра­ны’ имеют принципиально единый план строения и состоят из двойного слоя фосфолипидов, в ко­торый с различных сторон и на разную глубину погружены белковые молекулы. Мембраны орга­ноидов отличаются друг от друга лишь наборами входящих в них белков.

нцм — отделяет содержимое клетки от окру­жающей среды. С наружной стороны в НЦМ погру­жены многочисленные белки и гликопротеиды, яв­ляющиеся рецепторами клеточной поверхности и выполняющие роль объединения отдельных клеток в ткани у многоклеточных организмов; они образу­ют гликокаликс. Функции ЦНМ: избирательный активный транспорт веществ путем пино – и фагоци­тоза, диффузии через поры, при помощи ферментов переносчиков (полупроницаемость).

эпс — система каналов и полостей, образо­ванных мембранами, занимающая центральное положение в клетке вокруг ядра и составляющая 30—50% объема цитоплазмы. Различают гладкие и гранулярные мембраны ЭПС. На гладких мембранах идет биосинтез жиров и углеводов; на гранулярных мембранах происходит синтез белков. ЭПС является также внутриклеточной циркуляционной системой, связывающей отделы клетки.

аг — система крупных полостей (цистерн), канальцев и пузырьков, образованная гладкими мембранами. АГ тесно связан с каналами ЭПС; на его мембранах происходит образование более сложных органических соединений из веществ, синтезированных в ЭПС, а также концентрация и упаковка в мембранные пузырьки секрета. в АГ образуются лизосомы.

Л — небольшие овальные тельца диаметром около 0,4 мкм, окруженные мембраной. В лизо – сомах находится около 30 различных ферментов, способных расщеплять белки, нуклеиновые кис­лоты, полисахариды, липиды и другие вещества.

М — энергетические станции клетки. М образо­ваны двумя мембранами: наружной гладкой и внут­ренней, образующей выросты — кристы (рис. 4).

	.mwy a l\
1 1	к \ S—Л7 & /
i	1/
A

Рис. 4. Схема строения митохондрии: 1 — наружная мембрана; 2 — внутренняя мембрана; 3 — рибосомы; 4 — ДНК; б — кристы; 6 — включения; 7 — ферменты, обеспечивающие синтез АТФ

На внутренней поверхности внутренней мем­браны упорядочение располагаются ферменты, обеспечивающие синтез АТФ. Митохондрии со­держат кольцевую молекулу ДНК и осуществля­ют полуавтономный синтез белков.

Рис. 5. Схема строения пластиды: 1 — наружная мем­брана; 2 — внутренняя мембрана; 3 — тилакоид стромы; 4 — грана; 5 — тилакоид граны; 6 — ДНК; 7 — рибо­сомы; 8 — зерио крахмала; 9 — зериа хлорофилла в ти – лакоиде граиы (б)

Увеличение числа М происходит за счет их деле­ния, которому предшествует редупликация ДНК.

П — характерны для растительных клеток. Различают три вида П: амилопласты (лейко­пласты) — бесцветные, хлоропласты — зеленые и хромопласты — окрашенные в красный и оранжевый цвета. Все они имеют единый план отроения и могут переходить друг в друга.

П образованы двумя мембранами: наружной гладкой и внутренней, образующей выросты, или перегородки, — тилакоиды стромы. На них «монетными столбиками» расположены граны. Граны состоят из отдельных мембранных образо­ваний — тилакоидов граны. Тилакоиды граны представляют собой уплощенные мембранные пу­зырьки, внутри которых находятся молекулы хлорофилла. П содержат кольцевую молекулу ДНК, сходную с бактериальной хромосомой, и осуществляют полуавтономный синтез белков на находящихся в матриксе рибосомах. Увеличение числа П происходит за счет их деления, которому предшествует редупликация ДНК.

Немембранные органоиды: рибосомы (Р), клеточный центр (КЦ), жгутики и реснички (ЖиР) и цитоскелет.

Р представляют собой сферические частицы диаметром 15,0—35,0 нм, состоящие из двух субъединиц. Они содержат примерно равное ко­личество белков и РНК. Рибосомы образуются в ядре в зоне ядрышка. В цитоплазме они могут располагаться свободно или быть прикрепленны­ми к мембранам эндоплазматической сети. В за­висимости от типа синтезируемого белка рибосо­мы могут «работать» поодиночке или объеди­няться в комплексы — полирибосомы. В таких комплексах рибосомы связаны одной молекулой и-РНК.

КЦ состоит из двух телец цилиндрической формы, расположенных под прямым углом друг к другу — центриолей. Стенка центриоли состоит из 9 пучков, включающих по три микротрубочки диаметром ~ 24 нм. Центриоли относятся к само­воспроизводящимся органоидам цитоплазмы. От центриолей начинается рост веретена деления (ахроматинового веретена). Кроме этого, фермен­ты клеточного центра принимают активное уча­стие в процессе перемещения дочерних хромосом к разным полюсам клетки в анафазе митоза.

ЖиР. Это органоиды движения, характерные как для одноклеточных организмов (жгутиковые и инфузории), так и для клеток многоклеточных организмов (клетки некоторых эпителиев, спер – матозоиды). Жгутики и реснички имеют общий план строения (рис. 6). Большая часть органоида, обращенная в сторону окружающей среды, пред­ставляет собой цилиндр, стенку которого образу­ют 9 пар микротрубочек; в центре расположены две осевые микротрубочки. Эта часть полностью или на большем протяжении покрыта участком наружной цитоплазматической мембраны. В основании органоидов, в наружном слое цито­плазмы, расположено базалъное (основное) тель­це, в котором к каждой паре микротрубочек, обра­зующих наружную часть жгутика или реснички, прибавляется еще одна короткая микротрубочка. Таким образом, базалъное тельце оказывается обра­зованным из девяти триад микротрубочек и имеет сходство с центриолью. Движение жгутиков и рес­ничек обусловлено скольжением микротрубочек каждой пары друг относительно друга, при котором затрачивается большое количество энергии в виде АТФ.

функции: 1) хранения и воспроизведения генети­ческой информации и 2) регуляции процессов об­мена веществ, протекающих в клетке (рис. 7).

1 Рис. 7. Схема строения ядра: 1 — наружная мембрана; 2 — внутренняя мембрана ядерной оболочки; 3 — меж – мембраииое пространство; 4 — ядрышко; б — хроматин; б — каналы ЭПС; 7 — рибосомы; 8 — пора ядерной оболочки; область А представлена иа рисунке 8