17. Дайте сравнительную характеристику строения и функций митохондрий и хлоропластов.
Рис. 6. Схемы строения митохондрий (а ) и хлоропластов (б )
Митохондрии (гр. митос
– нить и хондрион
– гранула) – внутриклеточные органоиды. Их оболочка состоит из двух
мембран. Наружная мембрана – гладкая, внутренняя образует выросты,
называемые кристами. Внутри митохондрии находится полужидкий матрикс,
который содержит РНК, ДНК, белки, липиды, углеводы, ферменты, АТФ и
другие вещества; в матриксе имеются также рибосомы. Размеры митохондрий
от 0,2–0,4 до 1–7 мкм. Количество зависит от вида клетки (например, в
клетке печени может быть 1000–2500 митохондрий). Митохондрии могут быть
спиральными, округлыми, вытянутыми, чашевидными и т.д.; митохондрии
могут менять форму (рис. 6, а
).
На внутренней мембране митохондрий находятся
дыхательные ферменты и ферменты синтеза АТФ. Благодаря этому митохондрии
обеспечивают клеточное дыхание и синтез АТФ.
Митохондрии могут сами синтезировать белки, т.к. в
них есть собственные ДНК, РНК и рибосомы. Размножаются митохондрии
делением надвое.
По своему строению митохондрии напоминают клетки
прокариот; в связи с этим предполагают, что они произошли от
внутриклеточных аэробных симбионтов. Митохондрии имеются в цитоплазме
клеток большинства растений и животных.
Хлоропласты относятся к пластидам – органоидам,
присущим только растительным клеткам. Это зеленые пластинки диаметром
3–4 мкм, имеющие овальную форму (рис. 6, б
). Хлоропласты, как и
митохондрии, имеют наружную и внутреннюю мембраны. Внутренняя мембрана
образует выросты – тилакоиды (ср. кристы у митохондрий). Тилакоиды
образуют стопки – граны, которые объединяются внутренней мембраной. В
одном хлоропласте может быть несколько десятков гран. В мембранах
тилакоидов находится хлорофилл, а в промежутках между гранами в матриксе
(строме) хлоропласта находятся рибосомы, РНК и ДНК (ср. состав матрикса
митохондрий). Рибосомы хлоропластов, как и рибосомы митохондрий,
синтезируют белки. Основная функция хлоропластов – обеспечение процесса
фотосинтеза: в мембранах тилакоидов световая фаза, а в строме
хлоропластов – темновая фаза фотосинтеза. В матриксе хлоропластов видны
гранулы первичного крахмала, синтезированного в процессе фотосинтеза из
глюкозы. Хлоропласты, как и митохондрии, размножаются делением. Таким
образом, в морфологической и функциональной организации митохондрий и
хлоропластов есть общие черты. Основная характеристика, объединяющая эти
органоиды, – наличие собственной генетической информации и синтез
собственных белков.
18. Раскройте особенности строения и функций эндоплазматической сети клетки.
Рис. 7. Схемы строения шероховатого (а ) и гладкого (б ) эндопламатического ретикулума
Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или эндоплазматический
ретикулум (ЭПР), – это сеть каналов, пронизывающих всю цитоплазму.
Стенки этих каналов образованы мембранами, контактирующими со всеми
органоидами клетки. ЭПС и органоиды вместе составляют единую
внутриклеточную систему, которая осуществляет обмен веществ и энергии в
клетке и обеспечивает внутриклеточный транспорт веществ. Различают
гладкую и гранулярную ЭПС. Гранулярная, или шероховатая. ЭПС состоит из
мембранных мешочков (цистерн), покрытых рибосомами, благодаря чему она
кажется шероховатой. Гладкая ЭПС может быть и лишена рибосом; ее
строение ближе к трубчатому типу. На рибосомах гранулярной сети
синтезируются белки, которые затем поступают внутрь каналов ЭПС, где и
приобретают третичную структуру. На мембранах гладкой ЭПС синтезируются
липиды и углеводы, которые также поступают внутрь каналов ЭПС (рис. 7).
ЭПС выполняет следующие функции: участвует в синтезе
органических веществ, транспортирует синтезированные вещества в аппарат
Гольджи, разделяет клетку на отсеки. Кроме того, в клетках печени ЭПС
участвует в обезвреживании ядовитых веществ, а в мышечных клетках играет
роль депо кальция, необходимого для мышечного сокращения.
ЭПС имеется во всех клетках, исключая бактериальные
клетки и эритроциты; она занимает от 30 до 50% объема клетки.
19. Опишите строение рибосомы. Какова роль рибосом в процессах обмена веществ?
Рибосомы – это субмикроскопические органоиды диаметром 15–35 нм, видны в электронный микроскоп. Присутствуют во всех клетках. В одной клетке может быть несколько тысяч рибосом. Рибосомы бывают ядерного, митохондрального и пластидного происхождения (см. ответы на вопросы 11 и 17). Бóльшая часть образуется в ядрышке ядра в виде субьединиц (большой и малой) и затем переходит в цитоплазму. Мембран нет. В состав рибосом входят рРНК и белки. На рибосомах идет синтез белков. Большая часть белков синтезируется на шероховатой ЭПС (см. ответ на вопрос 18); частично синтез белков идет на рибосомах, находящихся в цитоплазме в свободном состоянии. Группы из нескольких десятков рибосом образуют полисомы.
20. Какова биологическая роль комплекса Гольджи в жизнедеятельности клетки?
Комплекс Гольджи – это сложная сеть полостей,
трубочек и пузырьков вокруг ядра. Состоит из трех основных компонентов:
группы мембранных полостей, системы трубочек, отходящих от полостей, и
пузырьков на концах трубочек. Комплекс Гольджи выполняет следующие
функции: в полостях накапливаются вещества, которые синтезируются и
транспортируются по ЭПС; здесь они подвергаются химическим изменениям.
Модифицированные вещества упаковываются в мембранные пузырьки, которые
выбрасываются клеткой в виде секретов. Кроме того, пузырьки используются
клеткой в качестве лизосом (рис. 8).
Комплекс Гольджи был открыт в 1898 г. в нейронах.
21. Что представляют собой клеточные включения и каково их значение в процессах жизнедеятельности клетки? Какова биологическая роль лизосом в жизнедеятельности клетки?
Клеточные включения – это непостоянные структуры
клетки. К ним относятся капли и зерна белков, углеводов, жиров, а также
кристаллические включения (органические кристаллы, которые могут
образовывать в клетках белки, вирусы, соли щавелевой кислоты и т.д. и
неорганические кристаллы, образованные солями кальция). В отличие от
органоидов эти включения не имеют мембран или элементов цитоскелета и
периодически синтезируются и расходуются.
Капли жира используются как запасное вещество в связи
с его высокой энергоемкостью. Зерна углеводов (полисахаридов; в виде
крахмала у растений и в виде гликогена у животных и грибов) – как
источник энергии для образования АТФ; зерна белка – как источник
строительного материала, соли кальция – для обеспечения процесса
возбуждения, обмена веществ и т.д.
Лизосомы (греч. лизо
– растворять, сома
– тело) – это небольшие пузырьки диаметром порядка 1 мкм, ограниченные
мембраной и содержащие комплекс ферментов, который обеспечивает
расщепление жиров, углеводов и белков. Они участвуют в переваривании
частиц, попавших в клетку в результате эндоцитоза (см. ответ на вопрос
14) и в удалении отмирающих органов (например, хвоста у головастиков),
клеток и органоидов. При голодании лизосомы растворяют некоторые
органоиды, не убивая при этом клетку. Образование лизосом идет в
комплексе Гольджи (см. ответ на вопрос 20).
22. Какие неорганические соединения входят в состав клетки? Каково значение неорганических компонентов клетки в обеспечении процессов ее жизнедеятельности? В чем заключается биологическая роль воды в клетке?
К неорганическим соединениям клетки относятся вода и
различные соли.
Роль солей в организме заключается в обеспечении
трансмембранной разности потенциалов (вследствие разности концентраций
ионов калия и натрия внутри и вне клетки), буферных свойств (за счет
наличия в цитоплазме анионов фосфорной и угольной кислоты), в создании
осмотического давления клетки и т.д. В состав неорганических веществ
клетки входят микроэлементы (их доля составляет менее 0,1%). К ним
относятся: цинк, марганец и кобальт, которые входят в состав активных
центров ферментов; железо в составе гемоглобина; магний в составе
хлорофилла; йод в составе гормонов щитовидной железы и т.д.
В среднем в клетке содержится 80% воды; в клетках
эмбриона воды 95%, в клетках старых организмов – 60%, т.е. количество
воды зависит от интенсивности обмена веществ. Количество воды зависит
также от вида ткани: в нейронах ее 85%, в кости – 20%. При потере
организмом 20% воды наступает смерть. Вода определяет тургор (упругость)
тканей, создает среду для химических реакций, участвует в реакциях
гидролиза, в световой фазе фотосинтеза, в терморегуляции, является
хорошим растворителем. По типу взаимодействия с водой вещества делят на
гидрофильные, или полярные, – хорошо растворимые в воде, и гидрофобные,
или неполярные, – плохо растворимые в воде.
23. Охарактеризуйте строение и функции углеводов, входящих в состав клетки.
Углеводы – это органические соединения, в состав
которых входят водород, углерод и кислород. Они образуются из воды и
углекислого газа в процессе фотосинтеза в хлоропластах зеленых растений
(у бактерий – в процессе бактериального фотосинтеза или хемосинтеза).
Различают моносохариды (глюкоза, фруктоза, галактоза,
рибоза, дезоксирибоза), дисахариды (сахароза, мальтоза), полисахариды
(крахмал, клетчатка, гликоген, хитин).
Углеводы выполняют следующие функции: они являются
источником энергии (при распаде 1 г глюкозы освобождается 17,6 кДж
энергии), выполняют строительную функцию (целлюлозная оболочка в
растительных клетках, хитин в скелете насекомых и в клеточной стенке
грибов), входят в состав ДНК, РНК и АТФ в виде дезоксирибозы и рибозы.
Обычно в клетках животных содержится около 1% углеводов (в клетках
печени – до 5%), а в растительных клетках – до 90%.
24. Каковы строение и функции жирных кислот и липоидов, входящих в состав клетки.
Рис. 9. Пространственные модели жирных кислот
Рис. 10. Полициклическая структура некоторых стероидов
Жиры и липоиды относятся к группе неполярных
органических соединений, т.е. являются гидрофобными веществами. Жиры
– это триглицериды высших жирных кислот (рис. 9), липиды
– это
большой класс органических веществ с гидрофобными свойствами (например,
холестерин). К липидам относят фосфолипиды (в их молекуле один или два
остатка жирных кислот замещены группами, содержащими фосфор, а иногда
также азот) и стероиды (в основе их структуры лежит четыре углеродных
кольца, рис. 10).
Эти соединения выполняют энергетическую функцию (при
распаде 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии), структурную (фосфолипиды
являются основой биологических мембран), защитную (защита от ударов,
теплорегуляция, гидроизоляция).
25. Каковы особенности строения и функций белков, входящих в состав клетки?
Белки – это гетерополимеры, состоящие из 20 различных
мономеров – природных альфа-аминокислот. Белки – это нерегулярные
полимеры.
Общее строение аминокислоты может быть представлены
следующим образом: R-(H)C(NH 2
)-СООН.
Аминокислоты в белке связаны пептидной связью -N(H)-С(=О). Аминокислоты
разделяют на заменимые (синтезируются в самом организме) и незаменимые,
которые животный организм получает с пищей. Среди белков различают
протеины, состоящие только из аминокислот, и протеиды, дополнительно
содержащие небелковую часть (например, гемоглобин, который состоит из
белка глобина и гема – порфирина).
В строении молекулы белка различают несколько уровней
структурной организации (рис. 11). Первичная структура – это
последовательность аминокислотных остатков, соединенных пептидными
связями. Вторичная структура – как правило, это спиральная структура
(альфа-спираль), которая удерживается множеством водородных связей,
возникающих между находящимся близко друг от друга –С=О и –NH-группами.
Другой тип вторичной структуры – это бета-слой, или складчатый слой; это
две параллельные полипептидные цепи, связанные водородными связями,
перпендикулярными цепям. Третичная структура белковой молекулы – это
пространственная конфигурация, обычно напоминающая компактную глобулу;
она поддерживается ионными, водородными и дисульфидными (S–S) связями, а
также гидрофобными взаимодействиями. Четвертичная структура образуется
при взаимодействии нескольких субъединиц – глобул (например, молекула
гемоглобина состоит из четырех таких субъединиц). Утрата белковой
молекулой своей структуры называется денатурацией; она может быть
вызвана температурой, обезвоживанием, облучением и т.д. Если при
денатурации первичная структура не нарушается, то при восстановлении
нормальных условий полностью воссоздается структура белка.
Функции белков в клетке очень разнообразны. Они
играют роль катализаторов, т.е. ускоряют химические реакции в организме
(ферменты ускоряют реакции в десятки и сотни тысяч раз). Белки выполняют
также строительную функцию (входят в состав мембран и органоидов клетки,
а также в состав внеклеточных структур, например, коллаген в
соединительной ткани). Движение организмов обеспечивается специальными
белками (актином и миозином). Белки выполняют также транспортную функцию
(например, гемоглобин транспортирует О 2
).
Белки обеспечивают функции иммунной системы организма (антитела и
антигены), свертывание крови (фибриноген плазмы крови), т.е. выполняют
защитные функции. Они служат также одним из источников энергии (при
распаде 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии). Известны также
регуляторные функции белков, т.к. многие гормоны – это белки (например,
гормоны гипофиза, поджелудочной железы и т.д.). Кроме того, в организме
имеются еще и резервные белки, например, являющиеся источником питания
для развития плода.
26. Охарактеризуйте строение и биологическое значение АТФ. Почему АТФ называют основным источником энергии в клетке?
АТФ – это аденозинтрифосфат, нуклеотид, относящийся к группе нуклеиновых кислот. Концентрация АТФ в клетке мала (0,04%; в скелетных мышцах 0,5%). Молекула АТФ состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 12). При гидролизе остатка фосфорной кислоты выделяется энергия:
АТФ + H 2 O = АДФ + Н 3 РО 4 + 40 кДж/моль.
Связь между остатками фосфорной кислоты является макроэргической, при ее расщеплении выделяется примерно в 4 раза больше энергии, чем при расщеплении других связей. Энергия гидролиза АТФ используется клеткой в процессах биосинтеза и деления клетки, при движении, при производстве тепла, при проведении нервных импульсов и т.д. После гидролиза образовавшийся АДФ обычно с помощью белков-цитохромов быстро вновь фосфорилируется с образованием АТФ. АТФ образуется в митохондриях при дыхании, в хлоропластах – при фотосинтезе, а также в некоторых других внутриклеточных процессах. АТФ называют универсальным источником энергии, потому что энергетика клетки основана главным образом на процессах, в которых АТФ либо синтезируется, либо расходуется.
27. Раскройте взаимосвязь строения и функций ДНК и РНК и укажите черты их сходства и различия.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – это молекула, состоящая из двух спирально закрученных полинуклеотидных цепей (рис. 14). ДНК образует правую спираль, диаметром примерно 2 нм, длиной (в развернутом виде) до 0,1 мм и молекулярной массой до 6ґ 10-12 кДа. Структура ДНК была впервые определена Д.Уотсоном и Ф.Криком в 1953 г. Мономером ДНК является дезоксирибонуклеотид, состоящий из азотистого основания – аденина (А), цитозина (Ц), тимина (Т) или гуанина (Г), – пентозы (дезоксирибозы) и фосфата. Нуклеотиды соединяются в цепь за счет остатков фосфорной кислоты, расположенных между пентозами: в полинуклеотиде может быть до 30 000 нуклеотидов. Последовательность нуклеотидов одной цепи комплементарна (т.е. дополнительна) последовательности в другой цепи за счет водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями (по две водородные связи между А и Т и по три – между Г и Ц). В интерфазе перед делением клетки происходит репликация (редупликация) ДНК: ДНК раскручивается с одного конца, и на каждой цепи синтезируется новая комплементарная цепь; это ферментативный процесс, идущий с использованием энергии АТФ. ДНК содержится в основном в ядре (см. ответ на вопрос №11); к внеядерным формам ДНК относятся митохондриальная и пластидная ДНК (см. ответ на вопрос №17).
Рис. 13. Структурная схема РНК: а – сахарофосфатный остов; б – одиночная цепь
а – сахарофосфатный остов; б – комплементарные пары азотистых оснований;
в – двойная спираль
РНК (рибонуклеиновая кислота) – это молекула, состоящая из одной цепи нуклеотидов (рис. 13). Рибонуклеотид состоит из одного из четырех азотистых оснований, но вместо тимина (Т) в РНК входит урацил (У), а вместо дезоксирибозы – рибоза. В клетке имеются разные виды РНК: тРНК (транспортная – транспортирует аминокислоты к рибосомам), информационная РНК (иРНК, переносит информацию о последовательности аминокислот с ДНК на белок), рибосомальная РНК (входит в состав рибосом; см. ответ на вопрос N19), митохондриальная РНК и др.
28. Особенности строения нуклеиновых кислот.
ДНК и РНК – это полинуклеотиды, состоящие из
соответственно дезоксирибонуклеотидов и рибонуклеотидов (см. ответ на
вопрос 27). Молекула нуклеотида состоит из пентозы, азотистого основания
и остатка фосфорной кислоты. ДНК содержит дезоксирибозу, РНК – рибозу;
ДНК содержит азотистые основания А и Г (относятся к классу пуринов) и Ц
и Т (класс пиримидинов), а РНК вместо Т содержит У (см. ответ 27).
ДНК и РНК – это кислоты, т.к. они содержат остаток
фосфорной кислоты (–Н 2
РО 4
).
Сахар, азотистое основание и остаток фосфорной кислоты объединяются в
молекулу нуклеотида.
Два нуклеотида образуют динуклеотид, соединяясь путем
конденсации, в результате которой между фосфатной группой одного и
сахаром другого нуклеотида возникает фосфодиэфирный мостик. При синтезе
полинуклеотида этот процесс многократно повторяется. Неразветвленный
сахарофосфатный остов строится путем образования фосфодиэфирных мостиков
между 3- и 5-м атомами углерода остатков сахаров. Фосфодиэфирные мостики
образуются прочными ковалентными связями, что сообщает прочность и
стабильность всей полинуклеотидной цепи.
Нуклеиновые кислоты обладают первичной структурой
(нуклеотидная последовательность) и трехмерной структурой. ДНК состоит
из двух спирально закрученных полинуклеотидных цепей. Цепи направлены в
противоположные стороны: 3-конец одной цепи располагается напротив
5-конца другой. Находящиеся друг против друга азотистые основания двух
цепей связаны водородными связями (по две связи между А и Т и по три –
между Г и Ц). Основания, соединяющиеся друг с другом водородными
связями, называют комплементарными (см. также ответ на вопрос 27).
29. Опишите процесс биосинтеза белка. Каково биологическое значение данного процесса? Какую роль играет ДНК в процессе биосинтеза белка?
Белки синтезируют все клетки, кроме безъядерных.
Структура белка определяется ядерной ДНК. Информация о
последовательности аминокислот в одной полипептидной цепи находится в
участке ДНК, который называется ген. В ДНК заложена информация о
первичной структуре белка. Код ДНК един для всех организмов. Каждой
аминокислоте соответствует три нуклеотида, образующих триплет, или
кодон. Такое кодирование избыточно: возможны 64 комбинации триплетов,
тогда как аминокислот только 20. Существуют также управляющие триплеты,
например, обозначающие начало и конец гена.
Синтез белка начинается с транскрипции, т.е. синтеза
иРНК по матрице ДНК. Процесс идет с помощью фермента полимеразы по
принципу комплементарности и начинается с определенного участка ДНК.
Синтезированная иРНК поступает в цитоплазму на рибосомы, где и идет
синтез белка.
тРНК имеет структуру, похожую на лист клевера, и
обеспечивает перенос аминокислот к рибосомам. Каждая аминокислота
прикрепляется к акцепторному участку соответствующей тРНК,
расположенному на «черешке листа». Противоположный конец тРНК называется
антикодоном и несет информацию о триплете, соответствующем данной
аминокислоте. Существует более 20 видов тРНК.
Перенос информации с иРНК на белок во время его
синтеза называется трансляцией. Собранные в полисомы рибосомы двигаются
по иРНК; движение происходит последовательно, по триплетам. В месте
контакта рибосомы с иРНК работает фермент, собирающий белок из
аминокислот, доставляемых к рибосомам тРНК. При этом происходит
сравнение кодона иРНК с антикодоном тРНК; если они комплементарны,
фермент (синтетаза) «сшивает» аминокислоты, а рибосома продвигается
вперед на один кодон.
Синтез одной молекулы белка обычно идет 1–2 мин (один
шаг занимает 0,2 с).
Биосинтез белка – это цепь реакций, в которых
используется энергия АТФ. Во всех реакциях синтеза белка участвуют
ферменты.
Биосинтез белка – это матричный синтез. Матрицей
является ДНК в синтезе РНК и ДНК или РНК в синтезе белка.
30. Раскройте роль ферментов в регуляции процессов жизнедеятельности, в биосинтезе белка.
а – простой фермент; б – двухкомпонентный фермент; в – аллостерический фермент (А – активный центр, S-субстрат, R – регулятор, или аллостерический центр); 1 – каталитический участок; 2 – контактные участки; 3 – кофактор
Ферменты (лат. закваска) – это биологические
катализаторы белковой природы. Они могут состоять только из белка или
включать в себя небелковое соединение – витамины или ион металла.
Ферменты участвуют как в процессах ассимиляции, так и диссимиляции.
Действуют они в строго определенной последовательности. Ферменты
специфичны для каждого вещества и ускоряют только определенные реакции.
Но встречаются ферменты, которые катализируют несколько реакций.
Активный центр фермента – это небольшой участок
фермента, на котором идет данная реакция (рис. 15).
Физиологическая роль ферментов заключается в том, что
при их отсутствии или недостаточной активности резко замедляются
процессы обмена веществ; в присутствии ферментов реакции могут
ускоряться в 1011
раз. Процесс биосинтеза белка – это тоже ферментативный процесс (см.
ответ на вопрос 29).
31. Дайте сравнительную характеристику автотрофных и гетеротрофных организмов.
32. Каково значение процессов обмена веществ в функционировании клетки, организма, биосферы?
Обмен веществ и энергии – важнейшая функция живого
организма (см. также ответ на вопрос 7). В процессе обмена организм
получает вещества, необходимые для построения и обновления структурных
элементов клеток и тканей, и энергию для обеспечения всех жизненных
процессов.
Совокупность всех реакций биосинтеза,
сопровождающихся, как правило, поглощением энергии, называется
ассимиляцией (пластическим обменом), а всех реакций распада,
сопровождающихся, как правило, выделением энергии – диссимиляцией
(энергетическим обменом). Совокупность всех реакций ассимиляции и
диссимиляции называется метаболизмом.
Обмен веществ осуществляется на клеточном, тканевом,
органном и организменном уровнях. Нарушения обмена веществ сказываются
на всех процессах жизнедеятельности организма и могут привести к его
гибели.
Биосфера – это геологическая оболочка Земли,
населенная живыми организмами. Биосфера – открытая система; подобно
живым организмам биосфера получает энергию извне. В биосфере постоянно
осуществляется обмен веществ. В биосфере идут биогеохимические процессы,
в которых участвуют организмы-продуценты и организмы-редуценты.
Безостановочный процесс закономерного циклического перераспределения
вещества и энергии в биосфере называют большим кругом биотического
обмена. Нарушения этого процесса приводят к нарушению гомеостаза
биосферы и в конечном счете могут привести к ее гибели.
33. В каких структурных единицах клетки протекают процессы кислородного окисления? Каков их химизм и энергетический эффект?
Стадия кислородного окисления энергетического обмена
происходит в митохондриях, на внутренних мембранах которых находятся
дыхательные ферменты (см. также ответ на вопрос 17). На этой стадии из
одной молекулы молочной кислоты получается 18 молекул АТФ, а в сумме из
одной молекулы глюкозы при гликолизе (бескислородный этап, который идет
за счет ферментов в растворимой части цитоплазмы клетки) и аэробном
окислении образуется 38 молекул АТФ.
КПД окислительного фосфорилирования составляет 55%.
34. Раскройте сущность и биологическое значение процесса фотосинтеза.
Фотосинтез – это процесс синтеза органических веществ
из неорганических за счет энергии света.
Фотосинтез в растительных клетках идет в хлоропластах
(см. также ответ на вопрос 17).
Суммарная формула:
6СО 2 + 6Н 2 О = С 6 H 12 О 6 + 6О 2 .
Световая фаза фотосинтеза идет только на свету: квант
света выбивает электрон из молекулы хлорофилла, лежащей во внутренней
мембране тилакоида; выбитый электрон либо возвращается обратно, либо
попадает на цепь окисляющих друг друга ферментов. Цепь ферментов
передает электрон на внешнюю сторону мембраны тилакоида к переносчику
электронов. Мембрана заряжается отрицательно с наружной стороны.
Положительно заряженная молекула хлорофилла, лежащая
в центре мембраны, окисляет ферменты, содержащие ионы марганца, лежащие
на внутренней стороне мембраны. Эти ферменты участвуют в реакциях
фотолиза воды, в результате которых образуются ионы Н+;
протоны выбрасываются на внутреннюю поверхность мембраны тилакоида и на
этой поверхности появляется положительный заряд. Когда разность
потенциалов на мембране тилакоидов достигает 200 мВ, через канал
АТФ-синтетазы начинают проскакивать протоны, при этом синтезируется АТФ.
Во время темновой фазы фотосинтеза из СО 2
и атомарного водорода, связанного с переносчиками, синтезируется глюкоза
за счет энергии АТФ.
СО 2
связывается с помощью фермента рибулезодифосфаткарбоксилазы с
рибулезо-1,5-дифосфатом, который превращается после этого в
трехуглеродный сахар.
Синтез глюкозы идет в матриксе тилакоидов на
ферментных системах. Суммарная реакция темновой стадии:
6СО 2 + 24Н = С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О.
35. Дайте сравнительную характеристику процессов дыхания и фотосинтеза.
Дыхание у растений – это процесс, при котором происходит главным образом окисление углеводов с освобождением энергии, необходимой для жизнедеятельности. Этот процесс идет в митохондриях (см. ответы на вопросы 17 и 33). При дыхании у аэробных организмов поглощается О 2 и выделяется СО 2 . Суммарная реакция процесса аэробного дыхания:
С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6H 2 0 + энергия.
Выделяющаяся при окислении молекулы глюкозы энергия
идет на синтез АТФ (см. также ответ на вопрос 33).
При фотосинтезе идет процесс образования органических
веществ с использованием энергии света (см. ответ на вопрос 34). При
этом О 2
выделяется в атмосферу, а СО 2
поглощается; энергия запасается в химических связях органических
веществ, прежде всего углеводов.
Фотосинтез и дыхание у растений – это две стороны
обмена веществ (ассимиляции и диссимиляции).
36. В чем отличие фотосинтеза от хемосинтеза и каково значение этих процессов для эволюции?
Суть процесса фотосинтеза заключается в синтезе органических веществ из СО 2 и H 2 О с использованием энергии света, а суть процесса хемосинтеза – в синтезе органических веществ из неорганических за счет энергии химических реакций, протекающих при окислении неорганических веществ. При фотосинтезе в атмосферу выделяется О 2 ; первыми фотосинтезируюшими организмами были цианобактерии (синезеленые водоросли), благодаря деятельности которых атмосфера Земли начала насыщаться О 2 , что создало условия для существования всех аэробных организмов. При хемосинтезе О 2 в атмосферу не выделяется, т.к. хемотрофы (бактерии нитрификаторы, серобактеры, железобактеры и т.д.) в качестве источника водорода используют не воду, a H 2 S или молекулярный водород. Если бы на Земле существовали только бактерии-хемотрофы, то аэробные организмы жить не смогли бы (см. также ответы на вопросы 31 и 34).
37. Каковы сущность процесса митоза и его биологическое значение? Дайте краткую характеристику процессам, происходящим в разные фазы митоза.
Митоз (греч. миос
– нить) – основной способ
деления клеток. В животных клетках он длится 30–60 мин, в растительных –
2–3 ч.
Митоз состоит из четырех фаз: профазы, метафазы,
анафазы и телофазы (рис. 16). Профаза – 1-я фаза деления, во время
которой двухроматидные хромосомы спирализуются и становятся заметными.
Ядрышки и ядерная оболочка распадаются, образуется нить веретена
деления. Метафаза – фаза скопления хромосом на экваторе клетки; нити
веретена деления идут от полюсов и присоединяются к центромерам
хромосом. К каждой хромосоме подходит две нити, идущие от двух полюсов.
Анафаза – фаза расхождения хромосом, во время которой центромеры
делятся, а однохроматидые хромосомы растаскиваются нитями веретена к
полюсам клетки. Это самая короткая фаза митоза. Телофаза – фаза
окончания деления, когда происходит деспирализация хромосом, формируется
ядрышко, восстанавливается ядерная оболочка, на экваторе закладывается
перегородка (в растительных клетках) или возникает перетяжка (в животных
клетках). Нити веретена исчезают.
Перед началом митоза, во время интерфазы, происходит
подготовка клетки к делению (см. ответ на вопрос 11).
В результате митоза из одной диплоидной клетки,
имеющей двухроматидные хромосомы и удвоенное количество ДНК (2n4с; в
этой формуле n – число хромосом, с – число хроматид), образуются две
дочерние клетки с однохроматидными хромосомами и одинарным количеством
ДНК (2n2с). Так делятся соматические клетки (клетки тела).
Значение митоза состоит в точной передаче
наследственной информации дочерним клеткам, увеличении числа клеток в
организме, а также в обеспечении процесса бесполого размножения
организмов и регенерации.
38. Каковы функциональные и цитологические отличия соматических и половых клеток?
Соматические клетки образуют органы и ткани организма
животных и растений; сами соматические клетки образуются в результате
митоза и имеют диплоидный набор хромосом (2n); в каждой соматической
клетке содержится по два гена в паре гомологичных хромосом, определяющих
альтернативные признаки (аллельные гены).
Половые клетки (гаметы) образуются в результате
мейоза (редукционного деления; см. также ответы на вопросы 41 и 42) и
имеют гаплоидный набор хромосом (n). В каждой гамете содержится по
одному гену из каждой пары гомологичных хромосом. При слиянии гамет
образуется зигота.
39. Докажите, в чем эволюционное преимущество разделения полов.
Разделение полов лежит в основе полового размножения.
При половом размножении потомство получается в результате слияния
генетического материала гаплоидных ядер. Эти ядра содержатся в
гаплоидных гаметах, при слиянии которых образуется диплоидная зигота. Из
зиготы в процессе развития получается зрелый организм.
Половое размножение имеет очень большое эволюционное
преимущество по сравнению с бесполым. Это обусловлено тем, что генотип
потомков возникает путем комбинации генов, принадлежащих обоим
родителям. В результате повышаются возможности адаптации организма к
условиям окружающей среды.
40. Каковы цитологические основы определения пола?
У подавляющего большинства раздельнополых животных
пол развивающейся из яйцеклетки особи определяют гены. Это называется
генотипическим определением пола. В диплоидном организме имеется два
гомологичных набора аутосом и в большинстве случаев одна пара половых
хромосом. В аутосомном наборе обоих полов отцовские и материнские
хромосомы морфологически и функционально равноценны, тогда как между
половыми хромосомами, как правило, имеются морфологические и во всех
случаях функциональные различия. Та хромосома, которая представлена у
одного из полов в двойном числе, называется X-хромосомой. Она
противопоставляется Y-хромосоме, которая имеется в одном экземпляре.
Пол, содержащий в своих клетках две Х-хромосомы,
называется гомогаметным, а содержащий и Х-, и Y-хромосомы –
гетерогаметным.
У всех млекопитающих, многих рыб, некоторых амфибий и
насекомых гомогаметный пол женский, а гетерогаметный – мужской. Однако у
птиц, рептилий, хвостатых амфибий и некоторых насекомых (бабочки)
женский пол гетерогаметный, а мужской – гомогаметный. У некоторых
насекомых встречается генотип Х0 вследствие исчезновения Y-хромосомы.
При этом у гетерогаметного пола образуется два сорта гамет: с
Х-хромосомой и без нее.
41. Опишите основные фазы мейотического деления и раскройте его биологическое значение.
Мейоз (греч. мейозис – уменьшение) – способ деления диплоидных клеток с образованием из одной материнской диплоидной клетки четырех дочерних гаплоидных клеток. Мейоз состоит из двух последовательных делений ядра и короткой интерфазы между ними (рис. 17).
Рис.18. Схематическое изображение последовательных стадий мейоза. А. Лептонема, предшествующая коньюгации хромосом. Б. Начало коньюгации на стадии зигонемы. В. Пахинема. Г. Диплонема. Д. Метафаза I. Е. Анафаза I. Ж. Телофаза I. 3. Интерфаза между двумя делениями мейоза. И. Профаза II. К. Метафаза II. Л. Телофаза II. Для простоты на схеме изображена только одна пара гомологов.
Первое деление состоит из профазы I, метафазы I,
анафазы I и телофазы I. В профазе I парные хромосомы, каждая из которых
состоит из двух хроматид, подходят друг к другу (этот процесс называется
конъюгацией гомологичных хромосом), перекрещиваются (кроссинговер),
образуя мостики (хиазмы), затем обмениваются участками. При
кроссинговере осуществляется перекомбинация генов. После кроссинговера
хромосомы разъединяются.
В метафазе I парные хромосомы располагаются по
экватору клетки; к каждой из хромосом прикрепляются нити веретена
деления. В анафазе I к полюсам клетки расходятся двухроматидные
хромосомы; при этом число хромосом у каждого полюса становится вдвое
меньше, чем в материнской клетке. Затем наступает телофаза I –
образуются две клетки с гаплоидным числом двухроматидных хромосом;
поэтому первое деление мейоза называют редукционным. После телофазы I
следует короткая интерфаза (в некоторых случаях телофаза I и интерфаза
отсутствуют). В интерфазе между двумя делениями мейоза удвоения хромосом
не происходит, т.к. каждая хромосома уже состоит из двух хроматид.
Второе деление мейоза отличается от митоза только
тем, что его проходят клетки с гаплоидным набором хромосом; во втором
делении иногда отсутствует профаза II. В метафазе II двухроматидные
хромосомы располагаются по экватору; процесс идет сразу в двух дочерних
клетках. В анафазе II к полюсам отходят уже однохроматидные хромосомы. В
телофазе II в четырех дочерних клетках формируются ядра и перегородки (в
растительных клетках) или перетяжки (в животных клетках). В результате
второго деления мейоза образуются четыре клетки с гаплоидным набором
хромосом (1n1c); второе деление называют эквационным (уравнительным)
(рис. 18). Это – гаметы у животных и человека или споры у растений.
Значение мейоза состоит в том, что создается гаплоидный набор
хромосом и условия для наследственной изменчивости за счет кроссинговера
и вероятностного расхождения хромосом
Продолжение следует
Рибосомы: строение и функции
Определение 1
Замечание 1
Основной функцией рибосом является синтез белка.
Субъединицы рибосом образуются в ядрышке и потом сквозь ядерные поры отдельно друг от друга поступают в цитоплазму.
Их количество в цитоплазме зависит от синтетической активности клетки и может составлять от сотни до тысяч на одну клетку. Наибольшее количество рибосом может быть в клетках, которые синтезируют протеины. Есть они также в митохондриальном матриксе и хлоропластах.
Рибосомы различных организмов – от бактерий до млекопитающих – характеризуются подобной структурой и составом, хотя клетки прокариот имеют рибосомы меньшего размера и в большем количестве.
Каждая субъединица состоит из нескольких разновидностей молекул рРНК и десятков разновидностей белков приблизительно в одинаковой пропорции.
Маленькая и большая субъединицы находятся в цитоплазме одиночно до тех пор, пока не будут задействованы в процессе биосинтеза белка. Они объединяются друг с другом и молекулой иРНК в случае необходимости синтеза и снова распадаются, когда процесс окончен.
Молекулы иРНК, которые были синтезированы в ядре, попадают в цитоплазму к рибосомам. Из цитозоля молекулы тРНК поставляют аминокислоты к рибосомам, где с участием ферментов и АТФ синтезируются белки.
Если с молекулой иРНК соединяются несколько рибосом, то образуются полисомы , которые содержат от 5 до 70 рибосом.
Пластиды: хлоропласты
Пластиды – характерные только для растительных клеток органоиды, отсутствующие в клетках животных, грибов, бактерий и цианобактерий.
Клетки высших растений содержат 10-200 пластид. Их размер от 3 до 10 мкм. Большинство из них имеют форму двояковыпуклой линзы, но иногда могут быть в форме пластинок, палочек, зёрен и чешуек.
В зависимости от присутствующего в пластиде пигмента пигмента эти органоиды делят на группы:
- хлоропласты (гр. сhloros – зелёный) – зелёного цвета,
- хромопласты – жёлтого, оранжевого и красноватого цвета,
- лейкопласты – бесцветные пластиды.
Замечание 2
По мере развития растения пластиды одного типа способны преобразоваться в пластиды другого типа. Такое явление широко распространено в природе: изменение окраски листьев, меняется окраска плодов в процессе созревания.
Большинство водорослей вместо пластид имеют хроматофоры (обычно в клетке он один, имеет значительные размеры, имеет форму спиральной ленты, чаши, сетки или звёздчатой пластинки).
Пластиды имеют достаточно сложное внутреннее строение.
Хлоропласты имеют свои ДНК, РНК, рибосомы, включения: зёрна крахмала, капли жира. Снаружи хлоропласты ограничены двойной мембраной, внутреннее пространство заполнено стромой – полужидким веществом), которое содержит граны - особенные, свойственные лишь хлоропластам структуры.
Граны представлены пакетами плоских круглых мешочков (тилакоидов ), которые сложены как столбик монет перпендикулярно широкой поверхности хлоропласта. Тилакоиды соседних гран между собой соединяются в единую взаимосвязанную систему мембранными каналами (межмембранными ламелами).
В толще и на поверхности гран в определённом порядке расположен хлорофилл .
Хлоропласты имеют разное количество гран.
Пример 1
В хлоропластах клеток шпината содержится по 40-60 гран.
Хлоропласты не прикреплены в определённых местах цитоплазмы, а могут изменять своё положение или пассивно, или активно перемещаются ориентировано к свету (фототаксис ).
Особенно чётко активное движение хлоропластов наблюдается при значительном повышении одностороннего освещения. В таком случае хлоропласты скопляются у боковых стенок клетки, а к ориентируются ребром. При слабом освещении хлоропласты ориентируются к свету более широкой стороной и располагаются вдоль стенки клетки, обращённой к свету. При средней силе освещения хлоропласты занимают срединное положение. Таким образом достигаются наиболее благоприятные условия для процесса фотосинтеза.
Благодаря сложной внутренней пространственной организации структурных элементов хлоропласты способны эффективно поглощать и использовать лучистую энергию, а также происходит разграничение во времени и пространстве многочисленных и разнообразных реакций, составляющих процесс фотосинтеза. Реакции этого процесса, зависимые от света, происходят лишь в тилакоидах, а биохимические (темновые) реакции – в строме хлоропласта.
Замечание 3
Молекула хлорофилла очень подобна молекуле гемоглобина и отличается в основном тем, что в центре молекулы гемоглобина расположен атом железа, а не атом магния, как у хлорофилла.
В природе существует четыре типа хлорофилла: a, b, c, d.
Хлорофиллы a и b содержатся в хлоропластах высших растений и зелёных водорослей, диатомовые водоросли содержат хлорофиллы a и c, красные – a и d . Хлорофиллы a и b изучены лучше других (впервые их выделил в начале ХХ столетия российский учёный М.С. Цвет).
Кроме них существует четыре вида бактериохлорофиллов – зелёных пигментов зелёных и пурпурных бактерий: a, b, c, d.
Большинство бактерий, способных к фотосинтезу, содержат бактериохлорофилл а , некоторые – бактериохлорофилл b, зелёные бактерии – c и d.
Хлорофилл достаточно эффективно поглощает лучистую энергию и передаёт её другим молекулам. Благодаря этому хлорофилл – единственное вещество на Земле, способное обеспечивать процесс фотосинтеза.
Пластидам, как и митохондриям, свойственна в определённой степени автономность внутри клетки. Они способны размножаться в основном путём деления.
Наряду с фотосинтезом в хлоропластах происходит синтез других веществ, таких как белки, липиды, некоторые витамины.
Благодаря наличию в пластидах ДНК, они играют определённую роль в передаче признаков по наследству (цитоплазматическая наследственность ).
Митохондрии – энергетические центры клетки
В цитоплазме большинства животных и растительных клеток содержатся достаточно большие овальные органеллы (0,2 – 7 мкм), покрытые двумя мембранами.
Митохондрии называют силовыми станциями клеток, потому что их основная функция – синтез АТФ. Митохондрии превращают энергию химических связей органических веществ на энергию фосфатных связей молекулы АТФ, которая является универсальным источником энергии осуществления для всех процессов жизнедеятельности клетки и целого организма. АТФ, синтезированная в митохондриях, свободно выходит в цитоплазму и дальше идёт к ядру и органеллам клетки, где используется её химическая энергия.
Митохондрии содержатся почти во всех эукариотических клетках, за исключением анаэробных простейших и эритроцитов. Они расположены в цитоплазме хаотично, но чаще их можно определить возле ядра или в местах с высокой потребностью в энергии.
Пример 2
В мышечных волокнах митохондрии расположены между миофибриллами.
Эти органеллы могут изменять свою структуру и форму, а также двигаться внутри клетки.
Количество органелл может изменяться от десятков до нескольких тысяч в зависимости от активности клетки.
Пример 3
В одной клетке печени млекопитающих содержится более 1000 митохондрий.
Структура митохондрий в некоторой мере отличается у различных типов клеток и тканей, но все митохондрии имеют принципиально одинаковое строение.
Образуются митохондрии путём деления. Во время деления клетки они более-менее равномерно распределяются между дочерними клетками.
Внешняя мембрана гладкая, не образует никаких складок и выростов, легко проницаема для многих органических молекул. Содержит ферменты, которые превращают вещества на реакционно способные субстраты. Участвует в образовании межмембранного пространства.
Внутренняя мембрана плохо проницаема для большинства веществ. Образует много выпячиваний внутрь матрикса – крист . Количество крист в митохондриях разных клеток неодинакова. Их может быть от нескольких десятков до нескольких сотен, причём особенно много их в митохондриях клеток, которые активно функционируют (мышечные). Содержит белки, которые участвуют в трёх важнейших процессах:
- ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции дыхательной цепи и транспорта электронов;
- специфические транспортные белки, участвующие в образовании катионов водорода в межмембранном пространстве;
- ферментативный комплекс АТФ-синтетазы, который синтезирует АТФ.
Матрикс – внутреннее пространство митохондрии, ограниченное внутренней мембраной. Он содержит сотни различных ферментов, которые участвуют в разрушении органических веществ вплоть до углекислого газа и воды. При этом освобождается энергия химических связей между атомами молекул, которая в дальнейшем превращается на энергию макроэргических связей в молекуле АТФ. В матриксе также есть рибосомы и молекулы митохондриальной ДНК.
Замечание 4
Благодаря ДНК и рибосомам самих митохондрий обеспечивается синтез белков, необходимых самой органелле, и которые в цитоплазме не образуются.
1. Распределите органоиды на три группы: одномембранные, двумембранные и немембранные.
Рибосомы, лизосомы, пластиды, комплекс Гольджи, вакуоли, клеточный центр, митохондрии, эндоплазматическая сеть.
Одномембранные: лизосомы, комплекс Гольджи, вакуоли, эндоплазматическая сеть.
Двумембранные: пластиды, митохондрии.
Немембранные: рибосомы, клеточный центр.
2. Как устроены митохондрии? Какую функцию они выполняют?
Митохондрии могут иметь вид округлых телец, палочек, нитей. Это двумембранные органоиды. Наружная мембрана гладкая, она отделяет содержимое митохондрии от гиалоплазмы и отличается высокой проницаемостью для различных веществ. Внутренняя мембрана менее проницаема, она образует кристы – многочисленные складки, направленные внутрь митохондрий. За счёт крист площадь поверхности внутренней мембраны существенно увеличивается. Внутренняя мембрана митохондрий содержит ферменты, участвующие в процессе клеточного дыхания и обеспечивающие синтез АТФ. Между наружной и внутренней мембранами имеется межмембранное пространство.
Внутреннее пространство митохондрий заполнено гелеобразным матриксом. В нём содержатся различные белки, в том числе ферменты, аминокислоты, кольцевые молекулы ДНК, все типы РНК и другие вещества, а также рибосомы.
Функция митохондрий – синтез АТФ за счёт энергии, высвобождающейся в процессе клеточного дыхания при окислении органических соединений. Начальные этапы окисления веществ в митохондриях происходят в матриксе, а последующие – на внутренней мембране. Таким образом, митохондрии являются «энергетическими станциями» клетки.
3. Какие типы пластид вам известны? Чем они различаются? Почему осенью листья меняют окраску с зелёной на жёлтую, красную, оранжевую?
Основные типы пластид – хлоропласты, лейкопласты и хромопласты.
Хлоропласты имеют зелёную окраску т.к. содержат основные фотосинтетические пигменты – хлорофиллы. Также в хлоропластах содержатся оранжевые, жёлтые или красные каротиноиды. Обычно хлоропласты имеют форму двояковыпуклой линзы. Хорошо развита внутренняя мембранная система, тилакоиды собраны в стопки – граны. Главная функция хлоропластов – осуществление фотосинтеза.
Лейкопласты – бесцветные пластиды. Они не имеют гран и не содержат пигментов. В лейкопластах откладываются запасные питательные вещества – крахмал, белки, жиры.
Хромопласты имеют оранжевый, жёлтый или красный цвет, что связано с содержанием в них каротиноидов. Форма хромопластов разнообразная – дисковидная, серповидная, ромбическая, пирамидальная и т.п. В этих пластидах отсутствует внутренняя мембранная система. Хромопласты обусловливают яркую окраску зрелых плодов (например, томатов, рябины, шиповника) и некоторых других органов растений (например, корнеплодов моркови).
При старении листьев растений в хлоропластах происходит разрушение хлорофилла, внутренней мембранной системы, и они превращаются в хромопласты. Поэтому осенью листья меняют окраску с зелёной на жёлтую, красную, оранжевую.
4. Охарактеризуйте строение и функции хлоропластов.
Хлоропласты – зелёные пластиды, их цвет обусловлен наличием основных фотосинтетических пигментов – хлорофиллов. Хлоропласты содержат также вспомогательные пигменты – оранжевые, жёлтые или красные каротиноиды.
Чаще всего хлоропласты имеют форму двояковыпуклой линзы. Это двумембранные органоиды, между наружной и внутренней мембранами есть межмембранное пространство. Наружная мембрана ровная, а внутренняя образует впячивания, которые превращаются в замкнутые дисковидные образования – тилакоиды. Стопки лежащих друг над другом тилакоидов называются гранами.
В мембранах тилакоидов расположены фотосинтетические пигменты, а также ферменты, которые участвуют в преобразовании энергии света. Внутренняя среда хлоропласта – строма. В ней содержатся кольцевые молекулы ДНК, все типы РНК, рибосомы, запасные вещества (липиды, зёрна крахмала) и различные белки, в том числе ферменты, участвующие в фиксации углекислого газа.
Основная функция хлоропластов – осуществление фотосинтеза. Кроме того, в них происходит синтез АТФ, некоторых липидов и белков.
5. Клетки летательных мышц насекомых содержат по нескольку тысяч митохондрий. С чем это связано?
Главная функция митохондрий – синтез АТФ, т.е. митохондрии являются "энергетическими станциями" клетки. Для работы летательных мышц необходимо большое количество энергии, поэтому каждая клетка содержит несколько тысяч митохондрий.
6. Сравните хлоропласты и митохондрии. Выявите черты их сходства и различия.
Сходство:
● Двумембранные органоиды. Наружная мембрана ровная, а внутренняя образует многочисленные впячивания, служащие для увеличения площади поверхности. Между мембранами имеется межмембранное пространство.
● Имеют собственные кольцевые молекулы ДНК, все типы РНК и рибосомы.
● Способны к росту и размножению путём деления.
● В них осуществляется синтез АТФ.
Различия:
● Впячивания внутренней мембраны митохондрий (кристы) имеют вид складок или гребней, а впячивания внутренней мембраны хлоропластов образуют замкнутые дисковидные структуры (тилакоиды), собранные в стопки (граны).
● Митохондрии содержат ферменты, участвующие в процессе клеточного дыхания. Внутренняя мембрана хлоропластов содержит фотосинтетические пигменты и ферменты, участвующие в преобразовании энергии света.
● Основная функция митохондрий – синтез АТФ. Основная функция хлоропластов – осуществление фотосинтеза.
И (или) другие существенные признаки.
7. Докажите на конкретных примерах справедливость утверждения: «Клетка представляет собой целостную систему, все компоненты которой находятся в тесной взаимосвязи друг с другом».
Структурные компоненты клетки (ядро, поверхностный аппарат, гиалоплазма, цитоскелет, органоиды) относительно обособлены друг от друга, и каждый из них выполняет специфические функции. Тем не менее, все клеточные компоненты тесно взаимосвязаны, и клетка представляет собой единое целое.
Наследственная информация клетки хранится в ядре, а реализуется на рибосомах в виде конкретных белков. Структурные компоненты рибосом (субъединицы) формируются в ядре. Некоторые рибосомы находятся в свободном состоянии в гиалоплазме, другие же прикрепляются к мембранам ЭПС и ядра. Вещества, синтезированные на мембранах ЭПС, поступают для хранения и модификации в комплекс Гольджи. От цистерн комплекса Гольджи отшнуровываются экзоцитозные пузырьки и лизосомы. Из пузыревидных расширений ЭПС и пузырьков комплекса Гольджи формируются вакуоли. Цитоплазматическая мембрана участвует в отборе веществ, необходимых клетке. Некоторые из них могут быть использованы только после предварительного расщепления с помощью лизосом. Часть полученных веществ служит источником энергии для клетки, подвергаясь расщеплению в гиалоплазме, а затем – в митохондриях. Другие вещества используются в качестве материала для синтеза более сложных соединений. Эти процессы протекают в различных частях клетки – в гиалоплазме, ЭПС, комплексе Гольджи, на рибосомах, а энергию, необходимую для всех процессов биосинтеза, поставляют митохондрии (в виде АТФ). Внутриклеточный транспорт частиц и органоидов обеспечивают микротрубочки, сборку которых инициирует клеточный центр. Гиалоплазма объединяет все внутриклеточные структуры, обеспечивая их различные взаимодействия.
И (или) другие примеры, иллюстрирующие взаимосвязь структурных компонентов клетки.
8. В чём заключается относительная автономность митохондрий и хлоропластов в клетке? Чем она обусловлена?
Относительная автономность митохондрий и хлоропластов обусловлена наличием собственного генетического аппарата (молекул ДНК) и системы биосинтеза белка (рибосом и всех типов РНК). Поэтому митохондрии и хлоропласты самостоятельно синтезируют ряд белков (в том числе ферментов), необходимых для их функционирования. В отличие от других органоидов, митохондрии и хлоропласты способны к размножению путём деления. Однако эти органоиды не являются полностью автономными, т.к. в целом их состояние и функционирование контролируется ядром клетки.
9. В чём проявляется взаимосвязь и взаимозависимость митохондрий и рибосом?
С одной стороны, на рибосомах происходит синтез белков из аминокислот, а энергию, необходимую для осуществления этого процесса, поставляют митохондрии в виде АТФ. Кроме того, митохондрии имеют собственные рибосомы, их рРНК кодируется митохондриальной ДНК и сборка субъединиц осуществляется непосредственно в матриксе митохондрий. С другой стороны, все белки, входящие в состав митохондрий и необходимые для функционирования этих органоидов, синтезируются на рибосомах.
Задания с выбором 3-х верных ответов из 6-и.
1. Клетки каких организмов не могут поглощать крупные частицы пищи путем фагоцитоза?
2) цветковых растений
4) бактерий
5) лейкоцитов человека
6) инфузорий
2. Плотная оболочка отсутствует в клетках тела
1) бактерий
2) млекопитающих
3) земноводных
6) растений
3. Цитоплазма выполняет в клетке ряд функций:
1) является внутренней средой клетки
2) осуществляет связь между ядром и органоидами
3) выполняет роль матрицы для синтеза углеводов
4) служит местом расположения ядра и органоидов
5) осуществляет передачу наследственной информации
6) служит местом расположения хромосом в клетках эукариот
4. Каково строение и функции рибосом?
1) участвуют в реакциях окисления
2) осуществляют синтез белка
3) отграничены от цитоплазмы мембраной
4) состоят из 2-х субъединиц
5) располагаются в цитоплазме и на мембранах ЭПС
6) размещаются в комплексе Гольджи
5. Какие функции выполняет ЭПС в растительной клетке?
1) участвует в сборке белка из аминокислот
2) обеспечивает транспорт веществ
3) образует первичные лизосомы
4) участвует в фотосинтезе
5) синтезирует некоторые углеводы и липиды
6) осуществляет связь с комплексом Гольджи
6. Каково строение и функции митохондрий?
1) расщепляют биополимеры до мономеров
2) характеризуются анаэробным способом получения энергии
4) имеют ферментативные комплексы, расположенные на кристах
5) окисляют органические вещества с образованием АТФ
6) имеют наружную и внутреннюю мембраны
7. Чем митохондрии отличаются от хлоропластов?
1) в них происходит синтез молекул АТФ
2) в них окисляются органические вещества до углекислого газа и воды
3) синтез АТФ идет с использованием энергии света
4) энергия, освобождаемая при окислении органических веществ, используется на синтез АТФ
5) поверхность внутренней мембраны увеличивается за счет складок
6) поверхность мембран увеличивается за счет образования гран
8. Какие общие свойства характерны для митохондрий и хлоропластов?
1) не делятся в течение жизни клетки
2) имеют собственный генетический материал
3) являются одномембранными
5) имеют двойную мембрану
6) участвуют в синтезе АТФ
9. В каких структурах клетки эукариот расположены молекулы ДНК?
1) цитоплазма
3) митохондрии
4) рибосомы
5) хлоропласты
6) лизосомы
10. Какие функции выполняет в клетке ядро?
1) обеспечивает поступление веществ в клетку
2) служит местом локализации хромосом
3) с помощью молекул-посредников участвует в синтезе белка
4) участвует в процессе фотосинтеза
5) в нем органические вещества окисляются до неорганических
6) участвует в образовании хроматид
11. Какие процессы жизнедеятельности происходят в ядре клетки?
1) образование веретена деления
2) формирование лизосом
3) удвоение ДНК
4) синтез иРНК
5) образование митохондрий
6) формирование субъединиц рибосом
12. Основные функции ядра
1) синтез ДНК
2) окисление органических веществ
3) синтез молекул РНК
4) поглощение клеткой веществ из окружающей среды
5) образование органических веществ из неорганических
6) образование большой и малой единиц рибосом
13. Каковы особенности строения и функции ядра?
оболочка состоит из одной мембраны с порами
в ядре происходит синтез ядерных белков
в ядрышках синтезируются субъединицы рибосом
размеры ядра – около 10 мкм
ядерная оболочка входит в единую мембранную систему клетки
в ядре происходит синтез АТФ
14. Клетки каких организмов имеют клеточную стенку?
1) животные
2) растения
3) человек
6) бактерии
15. Укажите одномембранные органоиды клетки
рибосомы
лизосомы
пластиды
комплекс Гольджи
митохондрии
16. Укажите немембранные органоиды клетки
рибосомы
лизосомы
комплекс Гольджи
цитоскелет
клеточный центр
Задания на установление соответствия.
17. Установите соответствие между характеристикой органоида клетки и его видом.
ХАРАКТЕРИСТИКА ОРГАНОИД
А) система канальцев, пронизывающих цитоплазму 1) комплекс
Б) система уплощенных мембранных цилиндров и пузырьков Гольджи
В) обеспечивает накопление веществ в клетке 2) ЭПС
Г) на мембранах могут размещаться рибосомы
Д) участвует в формировании лизосом
Е) обеспечивает перемещение органических веществ в клетке
18. Установите соответствие между характеристикой органоида клетки и его видом.
ХАРАКТЕРИСТИКА ОРГАНОИД
А) состоит из полостей с пузырьками на концах 1) ЭПС
Б) состоит из системы канальцев 2) комплекс Гольджи
В) участвует в биосинтезе белка
Г) участвует в образовании лизосом
Д) участвует в обновлении и росте мембран
Е) осуществляет транспорт веществ
19. Установите соответствие между строением и функцией клетки и органоидом, для которого они характерны.
СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ОРГАНОИДЫ
А) расщепляют органические вещества до мономеров 1) лизосомы
Б) окисляют органические вещества до СО 2 и Н 2 О 2) митохондрии
В) отграничены от цитоплазмы одной мембраной
Г) отграничены от цитоплазмы двумя мембранами
20. Установите соответствие между признаком и органоидом клетки, для которого он характерен
ПРИЗНАК ОРГАНОИД
А) состоит из двух субъединиц 1) лизосома
Б) имеет мембрану 2) рибосома
В) обеспечивает синтез белков
Г) расщепляет липиды
Д) размещается преимущественно на мембране ЭПС
Е) превращает полимеры в мономеры
21. Установите соответствие между функцией и органоидом, для которого она характерны.
ФУНКЦИИ ОРГАНОИДЫ
А) накапливает воду 1) вакуоль
Б) содержит кольцевую ДНК 2) хлоропласт
В) обеспечивает синтез веществ
Г) содержит клеточный сок
Д) поглощает энергию света
Е) синтезирует АТФ
22. Установите соответствие между строением, функцией и органоидом, для которого они характерны
СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ОРГАНОИД
А) состоит из 9-и триплетов микротрубочек 1) центриоль
Б) содержит 9 пар микротрубочек и 2 непарные в центре 2) жгутик эукариот
В) покрыт мембраной
Г) отсутствует у высших растений
Д) отвечает за образование цитоскелета
Е) имеет в основании базальное тельце
Задание на определение последовательности
23. Определите последовательность оседания частей и органоидов клетки в процессе центрифугирования, с учетом их плотности и массы.
1) рибосомы
3) лизосомы
Жизнь как биологический процесс едина во всей биосфере, и она существует на основании фундаментальных принципов. А потому разные формы жизни, а также различные структурные компоненты представителей биологических видов, имеют значительные сходства. Отчасти они обеспечиваются общностью происхождения или выполнением похожих функций. В данном контексте следует детально разобрать, в чем проявляется сходство митохондрий и хлоропластов, хотя с первого взгляда эти клеточные органеллы имеют мало общего.
Митохондрии
Митохондриями называются двухмембранные клеточные структуры, ответственные за энергообеспечение ядра и органелл. Их находят в растений, грибов и животных. Они отвечают за то есть конечное усваивание кислорода, из чего в результате биохимического превращения извлекается энергия для синтеза макроэргов. Достигается это путем передачи заряда через мембрану митохондрий и ферментативное окисление глюкозы.
Хлоропласты
Хлоропластами называются клеточные органеллы растений, некоторых фотосинтезирующих бактерий и протистов. Это клеточные двухмембранные структуры, в которых синтезируется глюкоза благодаря использованию энергии солнечного света. Этот процесс достигается передачей энергии фотона и протеканием ферментативных реакций, связанных с передачей заряда через мембрану. Результатом фотосинтеза является утилизация углекислого газа, синтез глюкозы и высвобождение молекулярного кислорода.
Сходство митохондрий и хлоропластов
Хлоропласты и митохондрии являются клеточными органеллами с двумя мембранами. Первым слоем они ограждаются от цитоплазмы клетки, а второй формирует многочисленные складки, на которых протекают процессы передачи зарядов. Принцип их работы схож, однако направлен в разные стороны. У митохондрий происходит ферментативное с использованием кислорода, а в качестве продуктов реакции выступает углекислый газ. В результате превращения также синтезируется энергия.
В хлоропластах наблюдается обратный процесс — синтез глюкозы и высвобождение кислорода из углекислого газа с расходом энергии света. Это принципиальное различие между данными органеллами, но отличается лишь направление процесса. Его электрохимия практически идентична, хотя для этого используются разные посредники.
Также можно детально рассмотреть, в чем проявляется сходство митохондрий и хлоропластов. Оно заключается в автономности органелл, так как они имеют даже свою молекулу ДНК, хранящую коды структурных белков и ферментов. В обеих органеллах имеется свой автономный аппарат биосинтеза белка, потому хлоропласты и митохондрии способны самостоятельно обеспечивать себя необходимыми ферментами и восстанавливать свою структуру.
Резюме
Главное сходство митохондрий и хлоропластов — их автономия внутри клетки. Отделившись от цитоплазмы двойной мембраной и имея свой собственный комплекс ферментов биосинтеза, они ни в чем не зависят от клетки. Также они имеют свой собственный набор генов, а потому могут считаться отдельным живым организмом. Существует филогенетическая теория, что на ранних этапах развития одноклеточной жизни митохондрии и хлоропласты были простейшими прокариотами.
Она гласит, что в определенный период произошло их поглощение другой клеткой. Из-за наличия отдельной мембраны они не были расщеплены, став донором энергии для «хозяина». В ходе эволюции за счет обмена генами у доядерных организмов произошло встраивание ДНК хлоропластов и митохондрий в геном клетки-хозяина. С этого момента клетка сама была способна осуществить сборку этих органелл, если они не были переданы ей в ходе митоза.