Химическая организация клетки.

Химическая организация клетки.
Содержание химических элементов в клетки.
1) Макроэлементы – О2, С, Н2, N.
2) Микроэлементы – Са, К, I, и т.д.
Неорганические вещества в клетке.
1. Н2О.
2. Соли.
Органические вещества в клетке.
Углеводы.
Углеводы – это группа природных соединений общая формула которых Сm(Н2О)n.
Виды углеводов.
Моносахариды
Дисахариды
Полисахариды
Глюкоза, рибоза, фруктоза.
Сахароза, лактоза, марктоза.
Крахмал, клетчатка, глюкаген.
Функции углеводов:
1. Структурная.
2. Строительная.
Липиды.
Липиды – это природные органич-е соединения сост из жиров и жироподобных веществ.
Функции липидов: регуляторная.
Белки.
Белки – это высоко-молекулярные органические вещества состоящие из аминокислот.
Функции белков.
1.
2.
3.
4.
5.
Структурная.
Ферметативная.
Приктическая.
Регуляторная.
Гормональная.
Структура белка.
Структура
Первичная
Характеристика структуры
Это последовательное соединение
аминокислот.
Это нить закрученная в спираль.
Это нить аминокислот образованных в клубок и
выполняющая свои функции.
Состоит из нескольких молекул белков
третичной структуры, выполняющие нужные
функции.
Вторичная
Третичная
Четвертичная
Свойства белков:
1. Денатурация – разрушение структуры белка.
2. Ренатурация – восстановление структуры белка.
Нуклеиновые кислоты.
Это высоко молекулярные органические соединения состоящие из нуклеотидов.
Виды нуклеиновых кислот:
ДНК – структура ДНК: 2 цыпочки которые связаны азотистыми основаниями.
РНК – структура РНК: 1 цыпочка имеет азотистое основание.
Виды РНК.
иРНК
Находится в цитоплазме,
перенесенный ген берет
информацию от ДНК к
рибосоме.
тРНК
Транспорт аминокислот к
биосинтезу белка.
рРНК
Учет в биосинтезе белка
находиться в рибосоме.
Сравнительные признаки ДНК и РНК.
Сравнительные признаки
Нуклеотиды
Азотистое основание
Кол-во полинуклеотидных
цепей
Локализация в клетке
ДНК
Дезоксирибоза + основание +
Н3РО4
Пурины (аденин, гуанин).
Пиримидины (цитозин, тимин).
2
Ядро, митохондрия.
РНК
Рибоза + основание + (РО4)3
Пурины (аденин, гуанин).
Пиримидины (цитозин,
урацил).
1
ЭПС, рибосомы свободно
располагаются в цитоплазме.
Функции нуклеиновых кислот: направлены на хранение и передачу наследственной
информации.
Строение и функции клетки.
Цитология – это наука изучающая строение и функции клеток.
Существуют 2 типа клеток:
1. Прокариоты – это клетка не имеющие четко оформленного ядра. Одноклеточные
организмы, бактерии.
2. Эукариоты – это клетка имеющая четко оформленное ядро. Некоторые одноклеточные и
многоклеточные.
Сравнительная характеристика
эукариот и прокариот.
Органоиды клетки
Клеточная стенка
Цитоплазматическая
мембрана
Стопки мембран
Хромосомы
Мезосомы
Вакуоль
Жгутики
Рибосомы
Лизосомы
Митохондрии
Плазмодесмы
Аппарат Гольджи
Центриоли
Полирибосомы
Хлоропласты
Впячивания наружной
цитоплазматической
мембраны
Ядро
Ядрышко
ЭПС
Жировые включения
Шероховатая ЭПС
Гладкая ЭПС
Прокариот
+
+
Эукариот растений
+
+
Эукариот животных
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Строение и функции органоидов
клетки.
Органоиды
Плазматическая мембрана
строение
- Состоят из клетчатки.
- Наружный слой
(гликокаликс) очень тонкий
и эластичный. Состоит из
полисахаридов и белков.
Цитоплазма
85% состоит из воды, на 10% из белков; липидов, углеводов,
нуклеиновых кислот и
минеральных соединений (5%)
Полость в цитоплазме,
ограниченной мембраной и
заполнена жидкостью.
Ядро окружено двойной
мембраной, пронизанной
порами, посредством которых
оно тесно связанно с каналами
ЭПС и цитоплазмой, ДНК,
ядрышко, ядерный сок.
Небольшие тельца
палочковидной формы,
ограниченной 2 мембранами.
Состоит из рибосом, ДНК.
Мелкие овальные
образования, ограниченной
мембранами.
РНК и белка.
Диктиос ограничивающий
мембраной.
Разветвленная сеть каналов и
полостей в цитоплазме клетки,
образованная мембраной.
Вакуоль
Ядро
Митохондрии
Лизосомы
Рибосомы
Комплекс Гольджи
ЭПС
Функции
- Этот слой служит каркасом
клетки и выполняет
защитную функцию.
- Ограничивает внутреннюю
среду клетки от внешней и
поддерживает эти различия
Связи между органоидами.
Хранение питательных
веществ.
- Хранение и воспроизведение
генетической информации,
-Регуляция процессов обмена
веществ, протекающих в
клетке. Клетка утратившая
ядро, не может существовать.
Синтез АТФ.
Внутриклеточное
переваривание пищевых
веществ.
Синтез белка.
Синтез полисахаридов и
белков.
Синтез белков, жировой и
углеродный обмен.
Ядрышко
Округлое темноокрашенное тельце в ядре;
место образования
рибосом; формируется
вокруг участка ДНК, где
закодирована структура
рибосомальных РНК
Формируются рибосомы.
Цитоплазматическая
мембрана не органической
клетки и ее части
Пластиды:
Белки и слой липидов.
Защитная, осуществляет связь
с внешней и внутренней
средой.
Синтез
1) Лейкопласты
2) Хромопласты
Располагаются в различных
частях растений.
Бесцветные пластинки.
Цветные пластинки.
3) Хлоропласты
Реснички
Жгутики
Центриоль
Зеленые пластинки, имеющие
хлорофилл.
Микротрубочки
Микротрубочки
Целиндер из микротрубочек.
Синтез
Передвижение
Передвижение
Формирование
цитоплазматических
микротрубочек.
Мембранные органоиды – имеющие 1 или 2 мембраны. Например: ЭПС, лизосомы.
Не мембранные органоиды – не имеющие мембраны. Например: рибосомы, центриоль.
Обмен веществ и превращение
энергии в клетке.
Внутренний обмен
Химические превращения веществ в клетке.
Внешний обмен
Поглощение и выделение веществ в клетке-у,
окружающую среду.
Пластический обмен (ассимиляция) – это
реакция биологического синтеза,
образованного из простого вещества с
поглощением энергии.
Аминокислота – белок - поглощение энергии.
Моносахарид – дисахарид – поглощение
энергии.
Энергетический обмен – это реакция
расщепление сложных веществ до простых с
выделением энергии.
Белок- аминокислота- выделение энергии.
Дисахарид – моносахарид – выделение
энергии.
Пластический обмен.
Биосинтез белка – это много ступенчатый процесс в котором участвует:
1. Ядро рибосомы.
2. Цитоплазма.
3. ДНК.
4. иРНК, тРНК.
5. АТФ.
Нуклеотиды в ДНК связаны комплементарность – это образование водородных связей между
N-ми основаниями.
А=Т
Г≡Ц
≡ - водородные связи.
Информация в ДНК – 3 нуклеотида (триплет или кодон) о последовательности аминокислот в
белке.
Этапы биосинтеза.
Транскрипция. Синтез белка протекает на рибосомах, а информация о
структуре белка зашифрована в ДНК, расположенной в ядре. Как же информация
из ядра поступает в цитоплазму к рибосомам? Передача информации
осуществляется с помощью и-РНК, которые синтезируются на одной из цепей
участка молекулы ДНК – гена – и в точности повторяют его структуру.
Чтобы понять, каким образом состав и последовательность расположения
нуклеотидов в гене могут быть «переписаны» на и-РНК, вспомним принцип
комплементарности, на основании которого построена двухспиральная молекула
ДНК. Этот принцип действу и при синтезе и-РНК. Как это происходит, поясняет
рисунок 81. Против каждого нуклеотида одной из цепей ДНК встает
комплементарный нуклеотид и-РНК. (Напомним, что в РНК вместо нуклеотида с
азотистым основанием Т присутствует нуклеотид с азотистым основанием У.)
Таким образом, против Гднк встает Црнк, против Цднк – Грнк, против Аднк –
Урнк, против Тднк – Арнк. В результате образующаяся цепочка и-РНК
представляет собой точную копию второй цепи.
Рис. 81. Схема синтеза и-РНК
Таким путем информация, содержащаяся в гене, как бы переписывается на иРНК. Этот процесс называется транскрипцией (лат. «транскрипцио» –
переписывание). Затем молекулы и-РНК направляются к месту синтеза белка, т. е.
к рибосомам. Туда же из цитоплазмы поступают аминокислоты, из которых
строится белок. В цитоплазме клеток всегда имеются аминокислоты,
образующиеся в результате расщепления белков пищи.
Транспортные РНК. Каждая аминокислота попадает в рибосому в
сопровождении специализированной транспортной РНК (т-РНК). Так как в
построении природных белков участвуют 20 разных аминокислот, то, очевидно,
существуют не менее 20 разных т-РНК. Известно, что в ряде мест цепочки т-РНК
имеются 4-7 последовательных нуклеотидных звеньев, комплементарных друг
другу. На рисунке 82 эти участки обозначены буквами А, Б, В, Г. В этих участках
между комплементарными нуклеотидами образуются водородные связи. В
результате возникает сложная петлистая структура, похожая по форме на листок
клевера. У его верхушки (на рисунке обозначена буквой Е) расположен триплет
нуклеотидов, который по генетическому коду соответствует определенной
аминокислоте. Этот триплет называют кодовым триплетом. У ножки «листка
клевера» (на рисунке буква Д) находится участок, связывающий аминокислоту.
Рис. 82. Схема т-РНК
Нуклеотидный состав кодовых триплетов т-РНК комплементарен нуклеотидному
составу триплетов и-РНК. Так, кодовый триплет аланиновой т-РНК ЦГА (в и-РНК
ему комплементарен триплет ГЦУ), кодовый триплет валиновой т-РНК – ЦАА (в
и-РНК ему комплементарен триплет ГУУ; проверьте по таблице генетического
кода). У т-РНК, изображенной на рисунке 82, кодовый триплет УУУ. Этот триплет
соответствует аминокислоте лизину – лизиновая т-РНК. Она присоединяет и
транспортирует в рибосому аминокислоту лизин.
В таблице приведен состав триплетов, которыми закодированы все 26
аминокислот (названия аминокислот сокращены). Так как при синтезе
полипептидной цепи информация считывается с и-РНК, то назван состав
триплетов нуклеотидов и-РНК (в скобках – комплементарные основания ДНК).
Генетический код
Пользоваться таблицей просто. Первый нуклеотид в треплете берется из левого
вертикального ряда, второй из верхнего горизонтального и третий – из правого
вертикального. Там, где пересекутся линии, идущие от всех трех нуклеотидов, и
находится искомая аминокислота. Допустим, нужно узнать, о какой аминокислоте
несет информацию триплет УГГ в и-РНК. Слева по вертикали берем У, сверху – Г,
справа по вертикали – Г. Линии пересекаются на «Три», т. е. триптофан. В ДНК
эта аминокислота закодирована триплетом АЦЦ.
Энергетический обмен в клеткею
Первый этап — подготовительный. В желудочно-кишечном тракте многоклеточных
организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных —
ферментами лизосом. На первом этапе происходит расщепление белков до аминокислот,
жиров до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов, нуклеиновых
кислот до нуклеотидов. Этот процесс называют пищеварением.
Второй этап — бескислородный (гликолиз). Происходит в цитоплазме клеток. Главным
источником энергии в клетке является глюкоза. Ее бескислородное расщепление
называют анаэробным гликолизом. Он состоит из ряда последовательных реакций по
превращению глюкозы в лактат. Его присутствие в мышцах хорошо известно уставшим
спортсменам.
В ходе гликолиза образуется большое количество энергии, часть которой рассеивается в
виде тепла, а часть используется на синтез АТФ.
Суммарное уравнение реакций гликолиза выглядит следующим образом:
Молекула С3Н4О3 — пировиноградная кислота, или пируват, может восстанавливаться до
этилового спирта при спиртовом брожении у дрожжей или в клетке растений, а может
превращаться в лактат, как это происходит у некоторых бактерий или в мышцах
животных.
СН3СОСООН + НАДН -> С3Н6O3 + НАД + лактат.
Третий этап — кислородный, состоящий из цикла Кребса и окислительного
фосфорилирования. Он стал возможным после накопления в атмосфере достаточного
количества молекулярного кислорода. Происходит в митохондриях клеток.
Рис. 13. Схема синтеза АТФ в митохондриях
Пировиноградная кислота (ПВК), попав в митохондрии, взаимодействует с коферментом
А (КоА). В результате образуется ацетилкофермент А, который включается в цикл Кребса,
названный по имени нобелевского лауреата Ганса Кребса.
Суммарная реакция гликолиза и цикла Кребса:
C6H12O6 + 6Н2O 6СO2 + 4АТФ + 8НАДН2 + 2НАДФН2 + + 2ФАДН2.
Большая часть энергии сберегается в переносчиках электронов — НАД и ФАД. Энергия
молекул-переносчиков используется в следующей стадии — стадии окислительного
фосфорилирования.
Окислительное фосфорилирование (клеточное дыхание) происходит на внутренних
мембранах митохондрий, в которые встроены молекулы — переносчики электронов. В
ходе »той стадии освобождается большая часть метаболической энергии. Молекулыпереносчики транспортируют электроны к молекулярному кислороду. Часть энергии
рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.
АТФ образуется в результате работы протонной помпы, протаскивающей протоны
Н+ через канал АТФ-азы на внутреннюю поверхность мембраны. Протоны,
взаимодействуя с кислородом, образуют воду, а энергия протонов используется для
фосфорилирования АДФ в АТФ.
Реакции в дыхательной цепи:
НАД(Ф)Н2+ O2 НАД(Ф) + Н2O + ЗАТФ;
ФАДН2 + O2 -> ФАД + Н2O = 2АТФ.
Суммарная реакция энергетического обмена:
С6Н12О6 + 6O2 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.
Жизненный цикл клетки.
Согласно клеточной теории, новые клетки возникают только путем деления предыдущих
материнских клеток. Хромосомы, в которых содержатся молекулы ДНК, играют важную роль в
процессах клеточного деления, поскольку обеспечивают передачу генетической информации
от одного поколения к другому.
Поэтому очень важно, чтобы дочерние клетки получили одинаковое количество генетического
материала, и вполне естественно, что перед делением клетки происходит удвоение
генетического материала, то есть молекулы ДНК (рис. 1).
Что же такое клеточный цикл? Жизненный цикл клетки – последовательность событий,
происходящих от момента образования данной клетки до ее деления на дочерние клетки.
Согласно другому определению, клеточный цикл – жизнь клетки от момента ее появления в
результате деления материнской клетки и до ее собственного деления или гибели.
В течение клеточного цикла клетка растет и видоизменяется так, чтобы успешно выполнять
свои функции в многоклеточном организме. Этот процесс носит название дифференцировки.
Затем клетка успешно выполняет свои функции в течение определенного промежутка
времени, после чего приступает к делению.
Понятно, что все клетки многоклеточного организма не могут делиться бесконечно, иначе все
существа, в том числе и человек, были бы бессмертными.
Рис. 1. Фрагмент молекулы ДНК
Этого не происходит, потому что в ДНК имеются «гены смерти», которые активируются при
определенных условиях. Они синтезируют определенные белки-ферменты, разрушающие
структуры клетки, её органеллы. В результате, клетка сжимается и погибает.
Такая запрограммированная клеточная смерть носит название апоптоза. Но в период от
момента появления клетки и до апоптоза, клетка проходит множество делений.
2. Этапы клеточного цикла
Клеточный цикл состоит из 3-х главных стадий:
1.
Интерфаза – период интенсивного роста и биосинтеза определенных веществ.
2.
Митоз, или кариокинез (деление ядра).
3.
Цитокинез (деление цитоплазмы).
Давайте более подробно охарактеризуем стадии клеточного цикла. Итак, первая – это
интерфаза. Интерфаза – наиболее продолжительная фаза, период интенсивного синтеза и
роста. В клетке синтезируется много веществ, необходимых для ее роста и осуществления
всех свойственных ей функций. Во время интерфазы происходит репликация ДНК.
Митоз – процесс деления ядра, при котором хроматиды отделяются друг от друга и
перераспределяются в виде хромосом между дочерними клетками.
Цитокинез – процесс разделения цитоплазмы между двумя дочерними клетками. Обычно под
названием митоз цитологии объединяют стадию 2 и 3, то есть деление клетки (кариокинез), и
деление цитоплазмы (цитокинез).
4. Процесс удвоения ДНК
Прежде чем перейти к описанию способов деления клетки, рассмотрим процесс удвоения
ДНК, который приводит к образованию двух хроматид. Этот процесс происходит в
синтетическом периоде. Удвоение молекулы ДНК называют репликацией или редупликацией
(рис. 3).
Рис. 3. Процесс репликации (редупликации) ДНК (синтетический период интерфазы). Фермент
хеликаза (зеленый) расплетает двойную спираль ДНК, а ДНК-полимеразы (голубой и
оранжевый) достраивают комплементарные нуклеотиды.
Во время репликации часть молекулы материнской ДНК расплетается на две нити с помощью
специального фермента – хеликазы. Причем это достигается разрывом водородных связей
между комплементарными азотистыми основаниями (А-Т и Г-Ц). Далее к каждому нуклеотиду
разошедшихся нитей ДНК фермент ДНК полимеразы подстраивает комплементарный ему
нуклеотид.
Так образуются две двухцепочечные молекулы ДНК, в состав каждой из которой входит одна
цепочка материнской молекулы и одна новая дочерняя цепочка. Эти две молекулы ДНК
абсолютно идентичны.
Расплести для репликации всю большую молекулу ДНК одновременно невозможно. Поэтому
репликация начинается в отдельных участках молекулы ДНК, образуются короткие
фрагменты, которые затем сшиваются в длинную нить при помощи определенных ферментов.
Продолжительность клеточного цикла зависит от типа клетки и от внешних факторов, таких
как температура, наличие кислорода, наличие питательных веществ. Например,
бактериальные клетки в благоприятных условиях делятся каждые 20 минут, клетки эпителия
кишечника каждые 8–10 часов, а клетки кончиков корней лука делятся каждые 20 часов. А
некоторые клетки нервной системы не делятся никогда.