Лекция. тема 2: Химический состав клетки

ТЕМА 2

Клетка – элементарная живая система.

Вид занятия: лекция (90 минут).

Цель занятия – Изучить органические и неорганические вещества клетки и их роль в обмене веществ и энергии.

План занятия:

1. Приветствие и контроль посещаемости

2. Проверочный тест по теме 1 «Строение клетки».

3. Ознакомление с теоретической частью.

• Химический состав клетки

• Обмен веществ и превращение энергии в клетке

4. Постановка задач на следующее занятие и задание на дом.

Ход занятия:

Химический состав клетки

Химический состав клеток растений и животных весьма сходен, что говорит о единстве их происхождения. В клетках обнаружено более 80 химических элементов, однако функциональная роль пока ещё известна не для всех. Все элементы клетки делят на три группы:

Макроэлементы, содержание которых составляет до 99% массы клетки. Это кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, натрий и магний.

Микроэлементы, на долю которых приходится менее 1% массы клетки. Это марганец, медь, цинк, кобальт, никель, иод, бром, фтор.

Ультрамикроэлементы, составляющие менее 0,01% массы клетки. Это золото, серебро, уран, селен и другие, функция которых еще не установлена.

Неорганические вещества

Вода (Н₂О).

Её содержание в разных клетках колеблется от 10% (в эмали зуба) до 85% (в нервных клетках) или до 90% (в клетках развивающегося зародыша). Количество воды в клетках зависит от характера обменных процессов: чем они интенсивнее, тем выше содержание воды.

Такое высокое содержание воды говорит о её важной роли.

Уникальные свойства воды определяются структурой её молекул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно¹ связан с двумя атомами водорода (рисунок ниже сплошные линии). Молекула воды полярна (диполь). Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, а отрицательные – у кислорода. Таким образом, отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной² связи (рисунок ниже пунктирные линии).

По прочности водородная связь примерно в 15 – 20 раз слабее ковалентной. Поэтому водородная связь легко разрывается (например, при испарении) и также легко образуется вновь. Таким образом, в жидкой воде молекулы подвижны.

Функции воды

1) дипольный характер молекулы воды позволяет ей формировать вокруг белков водную (сольватную) оболочку, препятствующую склеиванию их друг с другом. Такую воду называют связанной.

2) свободная вода является универсальным растворителем для многих органических и неорганических соединений.

3) вода является непосредственным участником многих химических реакций (например, гидролиз).

4) вода обладает большой теплоемкостью. Благодаря чему, предохраняет клетку и весь организм от резких изменений температуры.

5) вода активно участвует в регуляции осмотического давления в клетках. Проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор вещества называется осмосом, а давление, с которым растворитель (вода) проникает через мембрану, - осмотическим.

Минеральные соли.

Помимо воды из неорганических соединений в клетке содержатся различные соли. Находятся они в растворенном виде в форме катионов или анионов.

Разное количество ионов К⁺ и Na⁺ на внутренней и внешней поверхности клетки создает разность зарядов на мембране. Что, например, обуславливает передачу возбуждения по нервному волокну или мышце.

Ионы Са²⁺ и Mg²⁺ являются активаторами многих ферментов, и при их недостатке нарушаются жизненно важные процессы в клетке.

Соляная кислота (HCl – H⁺ Cl^-) создает кислую среду в желудке животных и человека и в специальных органах насекомоядных растений, ускоряя, тем самым, переваривание белков пищи.

Остатки фосфорной кислоты (H₃PO₄ – H⁺ H⁺ HPO₄^-), присоединяясь к ряду ферментных и иных белков клетки, изменяют их физиологическую активность.

Остатки серной кислоты (H₂SO₄ – H⁺ HSO₄^-), присоединяясь к нерастворимым в воде чужеродным веществам, придают им растворимость и способствуют, таким образом, выведению их из клеток и организмов.

Неорганические натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат важными составными частями минерального питания растений, их вносят в почву как удобрения для подкормки растений.

Неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. В частности, прочность и твердость костной ткани обеспечивается фосфатом кальция, а раковин моллюсков – карбонатом кальция.

Более подробное значение для клетки химических элементов приведено в таблице ниже.

Органические соединения

Составляют около 20 – 30 % массы живых клеток. К ним относятся биологические полимеры³ – белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также жиры, гормоны, пигменты, АТФ и др.

Белки.

Белки – это полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Все белки живых организмов построены из 20 аминокислот. Несмотря на это, разнообразие белковых молекул огромно.

Каждая аминокислота состоит как бы из двух частей (розовым и черным цветом).

Одна часть (розовым цветом) у всех аминокислот разная и называется радикалом. Другая часть (черным цветом) у всех аминокислот одинаковая. Это группировка . Которая в свою очередь состоит из аминогруппы
(–NH₂), обладающей основными свойствами, и находящейся рядом карбоксильной группы (–COOH), имеющей кислотные свойства.

Таким образом, аминокислоты являются амфотерными соединениями, обладающими одновременно свойствами и кислот, и оснований. Это явление позволяет им соединяться в длинные цепочки.

При этом устанавливаются прочные ковалентные связи между углеродом из кислотной группы и азотом из основной группы с выделением молекулы воды. Образовавшееся соединение аминокислот называется пептидом, а такую связь называют пептидной.

Белки живых организмов состоят из сотен и тысяч аминокислот, то есть представляют собой макромолекулы.

Уровни структурной организации белковой молекулы.

1) Различные свойства и функции белковых молекул определяются последовательностью соединения аминокислот. Эту последовательность называют первичной структурой молекулы белка. Первичная структура белковой молекулы обусловлена пептидными связями.

2) Вторичная структура белковой молекулы достигается путём её спирализации. Вторичная структура белковой молекулы обусловлена установлением между атомами соседних витков спирали водородных связей. Они очень слабые, но их многократное повторение обеспечивает довольно прочное соединение. Функци-онирование белков на этой стадии характерно для некоторых фибриллярных белков – коллаген, фибриноген, миозин, актин и др.

3) Многие белковые молекулы становятся функци-онально активными только после приобретения глобулярной (третичной) структуры. Она формируется путём многократного сворачивания белковой спирали в трёхмерное образование – глобулу (клубок). Она сворачивается причудливо, но для каждого белка вполне определенно и постоянно. Эта структура сшивается дисульфидными связями (– S– S–).

4) Некоторые белки для своего функционирования требуют еще большего уровня организации, при котором происходит объединение нескольких глобулярных единиц – четвертичная структура. Химические связи, её образующие, могут быть различные, чаще всего это слабые гидрофобные связи.

Утрата белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией. Причиной её могут быть различные химические (кислоты, щёлочи, спирт, соли тяжелых металлов и др.) и физические (высокие температура и давление, ионизирующее излучение и др.) факторы.

Если при таком воздействии не происходит нарушение первичной структуры молекулы белка, то при её возвращении в нормальные условия среды все остальные уровни структурной организации постепенно восстанавливаются, т.е. происходит ренатурация. При полной же денатурации белки безвозвратно теряют свои свойства и функции.

Функции белков.

Как строительный материал белки входят в состав всех клеточных мембран, гиалоплазмы, органоидов, ядерного сока, хромосом и ядрышек.

Некоторые бактерии и все растения способны синтезировать все аминокислоты, из которых строятся белки. Животные в процессе эволюции утратили способность осуществлять синтез десяти особенно сложных аминокислот, называемых незаменимыми. Они получают их в готовом виде с растительной и животной пищей.

Каталитическую (ферментативную) функцию выполняют белки-ферменты, в десятки и сотни тысяч раз ускоряющие течение биохимических реакций в клетках при нормальном давлении и температуре около 37 °С. Каждый фермент может катализировать только одну реакцию, т.е. действие ферментов строго специфично.

Транспортная функция белков заключается в том, что они способны присоединять различные вещества и переносить их из одного места клетки в другое, или организма, например кислорода (гемоглобин) и некоторых биологически активных веществ (гормонов). А также при участии в активном транспорте веществ через мембрану клетки.

Двигательная функция белков заключается в том, что все виды двигательных реакций клеток и организмов обеспечиваются специальными сократительными белками – актином и миозином. Их нити способны сокращаться с использованием энергии АТФ.

Защитная функция белков связана с выработкой лейкоцитами особых белковых веществ – антител в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов⁴. Помимо антител, растворенных в крови, имеются антитела на поверхности специальных клеток, которые «узнают» и захватывают чужеродные клетки. Это клеточный иммунитет. На этом свойстве в медицине основано использование различных вакцин.

Сигнальная (рецепторная) функция осуществляется белками благодаря способности молекул изменять свою структуру под влиянием многих химических и физических факторов, вследствие чего клетка или организм воспринимает эти изменения.

Регуляторная функция осуществляется гормонами, имеющими белковую природу (например, инсулин).

Энергетическая функция белков заключается в их способности быть источником энергии в клетке (как правило, при отсутствии других источников энергии). При полном ферментативном расщеплении 1г белка выделяется 17,6 кДж (4,1 ккал) энергии.

Углеводы.

Углеводами называют органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Общая формула углеводов C_n(H₂O)_m. Примером может служить самый распространённый углевод – глюкоза – С₆Н₁₂О₆ –

Глюкоза является простым сахаром. В её состав входит всего одна молекула сахара. Тысячи остатков молекул одинаковых сахаров, соединяясь между собой образуют полисахариды. В составе живых организмов имеется много разнообразных полисахаридов; у растений это крахмал, у животных – гликоген. Все они состоят из тысяч молекул глюкозы.

Углеводы выполняют три основные функции: строительную (структурную), энергетическую и запасающую.

Целлюлоза образует стенки растительных клеток; сложный полисахарид – хитин – наружный скелет членистоногих. Углеводы в соединении с белками (гликопротеиды) входят в состав костей, хрящей, сухожилий и связок. Углеводы выполняют роль основного источника энергии в клетке: при окислении 1г углеводов высвобождается 17,6 кДж (4,1 ккал) энергии. Гликоген откладывается в мышцах и клетках печени в качестве запасного питательного вещества.

Липиды (жиры) или липоиды.

Жиры представляют собой сложные эфиры высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина, а липоиды – жирных кислот с другими спиртами. Эти соединения не растворимы в воде (гидрофобные). Они могут растворяться в неполярных жидкостях – хлороформ, эфир, бензине, ацетоне, спирт. Липиды могут образовывать сложные комплексы с белками (липопротеиды), углеводами (гликолипиды), остатками фосфорной кислоты (фосфолипиды) и др.

Жиры выполняют строительную, энергетическую, запасающую и защитную функции.

Бимолекулярный слой липидов образует основу всех биологических мембран клеток. Липиды входят в состав оболочек нервных волокон. Жиры являются источником энергии: при полном расщеплении 1г жира высвобождается 38,9 кДж энергии. Они служат источником воды, выделяющейся при их окислении (например, горб у верблюда позволяет обходиться без воды до 10 – 12 дней). Из 1 кг жира высвобождается 1,1 кг воды. Жиры являются запасным источником энергии, накапливаясь в жировой ткани животных и в плодах и семенах растений. Они защищают органы от механических повреждений (например, почки окутаны мягким жировым «футляром»). У некоторых животных (киты, тюлени) подкожный жировой слой выполняет теплоизоляционную функцию.

Нуклеиновые кислоты.

В клетках имеется два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК).

Эти биополимеры состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. Мономеры-нуклеотиды ДНК и РНК сходны в основных чертах строения. Каждый нуклеотид состоит из трёх компонентов, соединенных прочными химическими связями.

Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат

1) пятиуглеродный сахар – дезоксирибозу,

2) одно из четырех азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин и тимин (А, Г, Ц, Т) и

3) остаток фосфорной кислоты.

Нуклеотиды, входящие в состав РНК, содержат

1) пятиуглеродный сахар – рибозу,

2) одно из четырех азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин и урацил (А, Г, Ц, У) и

3) остаток фосфорной кислоты.

Нуклеотиды соединяются между собой в длинные цепочки. Нуклеотиды ДНК (РНК) соединяются в цепочку путём образования ковалентных связей между дезоксирибозой (рибозой) одного и остатком фосфорной кислоты соседнего нуклеотида. Таким образом, остов такой цепи образуют регулярно чередующиеся остатки сахара и органических фосфатов, а боковые группы этой цепи образованы четырьмя типами, нерегулярно чередующимися азотистыми основаниями.

Молекула РНК в отличие от молекулы ДНК представлена одной нитью.

Две цепочки ДНК объединяются в одну молекулу водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями разных цепочек.

В силу определенной пространственной конфигурации между аденином и тимином устанавливается две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три. Вследствие этого нуклеотиды двух цепочек образуют пары: А – Т, Г – Ц. Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК называется комплиментарностью (дополнительностью – дополняющие друг друга).

Расположение четырёх типов нуклеотидов в цепях нуклеиновых кислот несёт важную информацию. Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК определяет порядок расположения аминокислот в линейных молекулах белков, т.е. их первичную структуру. Набор белков (ферментов, гормонов и др.) определяет свойства клетки и передают их в поколения потомков. Другими словами, ДНК является носителем наследственной информации. Молекулы ДНК в основном находятся в ядре клетки, однако небольшое их количество содержится в митохондриях и хлоропластах.

В клетках существуют три типа РНК: информационная, транспортная и рибосомальная.

Информационная РНК (и-РНК) представляет собой копию определенного участка ДНК (гена). Именно и-РНК строится комплиментарно одной из цепей ДНК. Молекулы и-РНК выполняют роль переносчиков генетической информации от ДНК к месту синтеза белка (в рибосомы) и непосредственно участвуют в сборке его молекул.

Транспортная РНК (т-РНК) подносит аминокислоты из цитоплазмы в рибосомы, своеобразные фабрики по производству белков.

Рибосомальная РНК (р-РНК) составляет основную массу цитоплазмы. Она входит в состав рибосом и обеспечивает определенное пространственное взаимодействие и-РНК и т-РНК.

Итак, нуклеиновые кислоты выполняют в клетке важнейшие биологические функции. В ДНК хранится наследственная информация о всех свойствах клетки и организма в целом. Различные виды РНК принимают участие в реализации наследственной информации через синтез белка.

Обмен веществ и превращение энергии в клетке

Постоянный обмен веществ с окружающей средой – один из основных признаков живых систем.

В клетках непрерывно идут процессы биосинтеза (ассимиляция, или пластический обмен). Т.е. при участии ферментов из простых органических соединений образуются сложные: из аминокислот – белки, из моносахаридов – полисахариды, из нуклеотидов – нуклеиновые кислоты и т.д. все процессы синтеза идут с поглощением энергии.

Примерно с такой же скоростью идет и расщепление сложных молекул, полученных с пищей, до более простых с выделением энергии (диссимиляция, или энергетический обмен).

Благодаря этим процессам сохраняется относительное постоянство состава клеток (гомеостаз). Синтезированные вещества используются для построения клеток и их органоидов и замены израсходованных или разрушенных молекул. При расщеплении высокомолекулярных соединений до более простых выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.

Совокупность реакций ассимиляции и диссимиляции, лежащих в лснове жизнедеятельности и обуславлявающих связь организма с окружающей средой, называется обменом веществ.

Для реакций обмена характерна высокая организованность и упорядоченность. Каждая реакция протекает с участием специфических белков-ферментов. Они располагаются в основном на мембранах органоидов и в гиалоплазме клеток в строго определенном порядке, что обеспечивает необходимую последовательность реакций. Благодаря ферментным системам реакции обмена идут быстро и эффективно в обычных условиях – при температуре тела и нормальном давлении.

Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны. Они являются противоположными сторонами единого процесса обмена веществ.

Реакции биосинтеза нуждаются в затрате энергии, которая поставляется в ходе реакций энергетического обмена. Для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный биосинтез ферментов и структур органоидов, которые в процессе жизнедеятельности постепенно разрушаются.

Процессы ассимиляции не всегда находятся в равновесии с процессами диссимиляции. Так, в растущем организме процессы ассимиляции преобладают над процессами диссимиляции, благодаря чему обеспечивается накопление веществ и рост организма. При интенсивной физической работе и в старости преобладают процессы диссимиляции. В первом случае это компенсируется усиленным питанием, а во втором происходит постепенное истощение и в конечном итоге гибель организма.

Энергетический обмен

Энергетический обмен – это совокупность реакций ферментативного расщепления сложных органических соединений, сопровождающаяся выделением энергии.

Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть аккумулируется (суммируется) в макроэргических связях АТФ и используется затем для обеспечения разнообразных процессов жизнедеятельности клетки: биосинтетических реакций, поступления веществ в клетку через циплазматическую мембрану, проведения импульсов нервными волокнами, сокращения мышц, выделения секретов железами и др.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ, аденозинотрифосфат) является обязательным компонентом любой живой клетки. АТФ – мононуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, пятиуглеродного моносахарида рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, которые соединены друг с другом высокоэнергетическими (макроэргическими) связями.

АТФ расщепляется под действием особых ферментов в процессе гидролиза – присоединения воды. При этом отщепляется молекула фосфорной кислоты и АТФ превращается в АДФ (аденозинодифосфат), а при последующем отщеплении фосфорной кислоты – в АМФ (аденозиномонофосфат). Отщепление одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением 40 кДж энергии. Обратный процесс превращения АМФ в АДФ и затем АДФ в АТФ происходит преимущественно в митохондриях путем присоединения молекул фосфорной кислоты с выделением воды и поглощением большего (более 40 кДж на каждый этап) количества энергии.

Выделяют три этапа энергетического обмена:

• Подготовительный,

• Бескислородный и

• Кислородный.

Подготовительный этап протекает в пищеварительном тракте животных и человека или в цитоплазме клеток всех живых существ.

На этом этапе крупные органические молекулы под действием ферментов расщепляются на мономеры. Распад веществ на этапе сопровождается выделением небольшого количества энергии, рассеивающейся в виде тепла.

Бескислородный (анаэробный) этап энергетического обмена протекает в цитоплазме клеток. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, подвергаются дальнейшему многоступенчатому расщеплению без участия кислорода. Например, при гликолизе (расщеплении глюкозы, происходящее в животных клетках) одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты (С₃Н₄О₃), которая в некоторых клетках, например мышечных, восстанавливается до молочной кислоты.

В клетках растительных организмов и некоторых дрожжевых грибков распад глюкозы идет путем спиртового брожения. При этом пировиноградная кислота, образовавшаяся в процессе гликолиза, декарбоксилируется с образованием уксусного альдегида, а затем восстанавливается до этилового спирта.

При гликолизе выделяется около 200 кДж энергии. Часть её (около 80 кДж энергии) идет на синтез двух молекул АТФ, а остальная (около 120 кДж энергии) рассеиваится в виде тепла. В ходе бескислородного этапа энергетического обмена распад одной молекулы глюкозы сопровождается синтезом двух молекул АТФ.

Суммарное уравнение этой реакции выглядит следующим образом:

С₆Н₁₂О₆ + 2 АДФ + 2 Н₃РО₄  2С₃Н₄О₃ + 2АТФ + 2Н₂О

У анаэробных организмов (некоторые бактерии, внутрикишечные паразиты) этот этап является конечным. Гликолиз протекает в некоторых тканях многоклеточных организмов, способных функционировать в анаэробных условиях, например в поперечнополосатых мышцах во время больших нагрузок.

Реакции гликолиза относительно неэффективны, так как конечные продукты содержат в себе ещё большое количество энергии.

Кислородный (аэробный) этап энергетического обмена имеет место только у анаэробных организмов. Он заключается в дальнейшем окислении молочной (или пировиноградной) кислоты до конечных продуктов – СО₂ и Н₂О. Этот этап протекает в митохондриях с участием ферментов и кислорода.

На первых стадиях кислородного этапа от молочной кислоты постепенно отщепляются протоны и электроны, накапливающиеся по разные стороны внутренней мембраны (кристы) митохондрии и создающие разность потенциалов. Когда она достигает критического значения, протоны, проходя по специальным каналам мембраны (в них находятся ферменты, синтезирующие АТФ) отдают свою энергию для присоединения остатка фосфорной кислоты к АМФ или АДФ. Этот процесс сопровождается выделением энергии, достаточной для синтеза 36 молекул АТФ (1440 кДж).

Уравнение кислородного этапа выглядит так:

2С₃Н₆О₃ +6О₂ + 36Н₃РО₄ + 36АДФ  36АТФ + 6СО₂ +42Н₂О

В итоге, в ходе первого и второго этапов энергетического обмена при расщеплении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

Суммарное уравнение анаэробного и аэробного этапов энергетического обмена выглядит следующим образом:

С₆Н₁₂О₆ +6О₂ + 38Н₃РО₄ + 38АДФ  38АТФ + 6СО₂ +44Н₂О

На это расходуется 1520 кДж (40кДж × 38), а всего выделяется 2800 кДж энергии. Около 55% энергии, высвобождаемой при расщеплении глюкозы, аккумулируется в молекулах АТФ, а 45% рассеивается в виде тепла. Основную роль в обеспечении клеток энергией играет кислородный этап.

Аналогичным образом в энергетический обмен могут вступать белки и жиры. При расщеплении аминокислот помимо диоксида углерода и воды образуются азотсодержащие продукты (аммиак, мочевина), которые выводятся из организма через выделительную систему.

Пластический обмен.

К пластическому обмену относится биосинтез белков, фотосинтез, синтез нуклеиновых кислот, жиров и углеводов.

Пластическим обменом называется совокупность реакций биологического синтеза, при котором из поступивших в клетку веществ образуются вещества, специфические для данной клетки.

Биосинтез белков.

Осуществляется во всех клетках про- и эукариотических организмов, это неотъемлемый признак живого.

Информация о первичной структуре белковой молекулы, от которой зависят все остальные структуры и свойства, закодирована последовательностью нуклеотидов в соответствующем участке ДНК – гене. Так как ДНК находится в ядре, а сборка белка происходит в цитоплазме (в рибосомах), то в клетке имеется посредник, который копирует и передает информацию о последовательности аминокислот в белке из ядра на рибосомы. Таким посредником является информационная РНК (и-РНК)⁵.

Первый этап синтеза белка. Специальный фермент (РНК-полимераза) расщепляет двойную цепочку ДНК, и на одной из её расплетенных цепей по принципу комплиментарности выстраиваются нуклеотиды и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (переписыванием). Синтезированная таким способом (матричный синтез) молекула и-РНК выходит в цитоплазму, и на один её конец нанизываются малые субъединицы рибосом.

Система записи генетической информации в ДНК (и-РНК) в виде определенной последовательности нуклеотидов называется генетическим кодом.

Свойства генетического кода:

• Триплетность – одной аминокислоте в полипептидной цепочке соответствуют три расположенных рядом нуклеотида молекулы ДНК (и-РНК), называется триплетом или кодоном;

• Универсальность – одинаковые кодоны кодируют одну и ту же аминокислоту у всех живых организмов;

• Неперекрываемость – один нуклеотид не может входить одновременно в состав нескольких кодонов (стоящих рядом);

• Избыточность – одну аминокислоту могут кодировать несколько различных триплетов.

Следующий этап в биосинтезе белка – перевод последовательности нуклеотидов в молекуле и-РНК в последовательность аминокислот в полипептидной цепочке – трансляция. Транспорные РНК (т-РНК) «приносят» аминокислоты в рибосому.

Молекула т-РНК имеет сложную конфигурацию. На некоторых участках её между комплиментарными нууклеотидами образуются водородные связи (на рисунке участки А, Б, В, Г), и молекула по форме становится похожей на лист клевера. На его верхушке находится триплет свободных нуклеотидов (на рисунке участок Е), которые по своему генетическому коду соответствуют определенной аминокислоте (он называется антикодоном), а «черешок» (основание) служит местом прикрепления этой аминокислоты (на рисунке участок Д) к молекуле т-РНК. Каждая т-РНК может переносить только свою аминокислоту, следовательно, их 20, как и аминокислот.

Т-РНК активируется специальными ферментами, после чего присоединяет свою аминокислоту и транспортирует её в рибосому. Внутри рибосомы в каждый момент времени помещается всего два кодона и-РНК. Если антикодон т-РНК является комплиментарным кодону и-РНК (который в данный момент находится внутри рибосомы), то происходит временное присоединение т-РНК с аминокислотой на своём «черешке» к кодону и-РНК. Ко второму кодону и-РНК также присоединяется другая т-РНК со своей аминокислотой. Аминокислоты внутри рибосомы располагаются у активного центра большой субъединицы рибосомы, и с помощью ферментов между ними устанавливается пептидная связь. Одновременно разрушается связь между аминокислотой и её т-РНК. Т-РНК уходит из рибосомы за следующей аминокислотой, а рибосома перемещается по и-РНК на один триплет ко второй т-РНК, и процесс передачи аминокислоты повторяется.

Так постепенно наращивается молекула полипептида, в которой аминокислоты располагаются в строгом соответствии с порядком кодирующих их триплетов (матричный синтез).

Чаще всего на одну и-РНК нанизываются сразу несколько рибосом (такие структуры называются полисомами); при этом синтезируется сразу несколько одинаковых белковых молекул.

Когда рибосома достигает противоположного конца и-РНК, После синтез белковая молекула завершён. Рибосома с образовавшимся белком сходит с и-РНК. Затем молекула белка отделяется от рибосомы и приобретает свойственную ей (вторичную, третичную и четвертичную) структуру. Белок поступает в ЭПС и поступает в тот участок клетки где она требуется, а рибосома вновь прикрепляется к и-РНК.

Фотосинтез.

Растительные клетки способны синтезировать органические вещества из простых неорганических соединений, используя для этого энергию солнечного излучения.

Зеленые растения способны при помощи пигмента хлорофилла, содержащегося в хлоропластах, преобразовывать световую энергию Солнца в энергию химических связей органических веществ. В частности, из энергетически бедных веществ СО₂ и Н₂О они синтезируют богатые энергией углеводы и выделяют кислород.

Синтез органических соединений, идущий за счет энергии солнечного излучения, называется фотосинтезом.

Фотосинтез выражается следующим суммарным уравнением:

6СО₂ +6Н₂О  С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Этот процесс протекает в две фазы: световую и темновую.

Световая фаза.

Процесс фотосинтеза начинается с момента освещения хлоропласта видимым светом. При поглощении молекулой хлорофилла кванта света один из её электронов переходит в «возбужденное» состояние и поднимается на более высокий энергетический уровень. Одновременно под действием света происходит фотолиз воды с образованием ионов Н⁺ и ОН^–. Возбужденный электрон присоединяется к иону водорода (Н⁺), восстанавливая его до атома (Н). Далее атомы водорода соединяются с никотинамидадениннуклеотидфосфатом (НАДФ) и восстанавливает его до НАДФ*Н₂. Ионы гидроксила, оставшись без противоионой Н⁺, отдают свои электроны и превращаются в свободные радикалы ОН, которые, взаимодействуя друг с другом, образуют воду и свободный кислород: 4ОН  Н₂О + О₂. Электроны гидроксильных групп возвращаются в молекулу хлорофилла на место возбужденных. В процессе переходов протоны и электроны накапливаются по разные стороны мембраны грана хлоропласта (протоны на внутренней, а электроны на наружной поверхности) и создают разность потенциалов. Когда разность потенциалов достигает критического уровня, протоны проходят по специальным каналам мембран, в которых находятся ферменты, синтезирующие АТФ⁶. Энергия протонов и электронов используется ферментами для присоединения остатка фосфорной кислоты к АМФ или АДФ.

Таким образом, в световую фазу фотосинтеза, которая протекает в гранах хлоропластов только на свету, происходят следующие процессы: фотолиз воды с выделением кислорода, восстановление НАДФ*Н₂ и синтез АТФ.

Темновая фаза.

Накопленная в световую фазу энергия в следующем этапе используется для синтеза моносахаридов из диоксида углеродов (поступает из воздуха чрез устьица) и водорода (отсоединяется от НАДФ*Н₂) путем сложных ферментативных реакций.

В дальнейшем могут образовываться ди-, полисахариды и другие органические соединения (аминокислоты, жирные кислоты и др.). Этот процесс не требует прямого участия света, поэтому его называют темновой фазой фотосинтеза. Он протекает в строме хлоропластов, как на свету, так и в темноте.

Значение фотосинтеза огромно. Это главный процесс, протекающий в биосфере. Энергия Солнца аккумулируется в химических связях органических соединений, которые идут на питание всех гетеротрофных организмов⁷. При этом атмосфера обогащается кислородом и очищается от избытка диоксида углерода.

Способность синтезировать органические вещества из неорганических свойственна также некоторым видам бактерий. Бактерии обладают специальным ферментным аппаратом, позволяющий им преобразовывать не солнечную энергию, а энергию химических реакций в энергию синтезируемых органических соединений. В частности энергию реакций окисления неорганических веществ. Этот процесс называют хемосинтезом.

ЗАДАНИЕ НА ДОМ

1. Постройте схему из предложенных понятий:

Обмен веществ, гликолиз, окисление, фотосинтез, энергетический обмен, выделение кислорода, пластический обмен, трансляция, образование АТФ, образование полипептида.

Или

2 балла

1 балл

3. Заполнить пропуски в тексте:

А) химические соединения, состоящие из _________ ___________, называются полимерами.

Б) К биополимерам относятся: 1 ________, 2 _________, 3 __________, 4 ____________.

В) Мономерами биополимеров являются:

Белков - ___________

Нуклеиновых кислот - ______________

Крахмала - ______________

Гликогена - _____________

Целлюлозы - ________________

1 балл

4. Заполнить пропуски в тексте:

А) В результате взаимодействия различных _________ и образования _____________ связей спирализованная молекула белка образует __________ структуру, которая, в свою очередь, зависит от ______________ структуры, белка, т.е. от _______________ аминокислот в молекуле пептида.

Субъединицы некоторых белков образуют __________ структуру. Примером такого белка является _______________.

Б) Биологические катализаторы называются _____________. Каждый ____________ катализирует лишь ____________ реакцию.

В ходе реакции ______________ не __________.

В) Защитные белки называются ___________. Они связываются с _________________ , попадающими в организм и называемыми __________ . среди тысяч разнообразных белков _____________ узнают только один ______________ и с ним реагируют. Такой механизм сопротивления возбудителям заболеваний называется _______________.

2 балла

5. Заполнить пропуски в тексте:

Углеводы состоят из атомов ____________ _____________ _________. На каждый атом ______ приходится _________ атома ________. Простейшими углеводами являются _____________, примерами которых можно назвать ____________ и __________.

Углевод, имеющий химическую формулу С₁₂Н₂₂О₁₁, называется ___________. Углеводы, состоящие из остатков многих моносахаридов, называются ___________________. К ним относятся крахмал, __________, ___________, ____________.

В растениях полисахариды распадаются до _______________. Этот процесс идет с ________________ энергии. Углеводы выполняют _______________ и ______________ функции. Углеводы отличаются различной растворимостью в воде.

1 балл

6. Заполнить пропуски в тексте:

А) В клетке имеется ____________ типа нуклеиновых кислот _______ и _______. Эти биополимеры состоят из ____________. Каждый ___________ состоит, в свою очередь, из (1,2,3,4?) компонентов, соединенных _____________ связями. В состав ДНК входят следующие азотистые основания ________________. В состав РНК – ____________________.

Б) две цепи молекулы ДНК обращены друг другу _____________. Цепи соединены ____________________, причем против нуклеотида А всегда стоит ______________, а против Ц – ____________. Этот принцип называется ___________________.

Порядок расположения _________________ в молекуле ____________ для каждого организма ____________ и генетически определяет последовательность ___________________ в _________________.

Таким образом, ДНК является ________________. ДНК локализуется в основном в ______________ клеток у эукариот и в ___________________ клеток у прокариот.

1 балл

7. Достройте вторую цепь участка ДНК:

– А – А – А – Т – Т – Ц – Ц – Г – Г – Г –

1 балл

8. Постройте и-РНК по участку цепи ДНК:

– Г – А – Ц – Г – А – Т – Г – Ц – Г – Г –

1 балл

9. Распределите процессы и конечные продукты реакции, имеющие место в клеточном дыхании и в фотосинтезе:

Крахмал, фотолиз воды, образование молочной кислоты, деполяризация митохондриальной мембраны, накопление ионов, диффузия углекислого газа в атмосферу, образование АТФ, перенос электронов и ионов Н⁺, образование воды, гликолиз.

2 балла

3 балла

Оценка 5 = 15 – 12 баллов

Оценка 4 = 11 – 9 баллов

Оценка 3 = 8 – 7 баллов

Оценка 2 = 6 и менее баллов

1 Ковалентной связью называется связывание атомов с помощью общих (поделенных между ними) электронных пар.

2 водородная связь — это слабое взаимодействие между частично положительно заряженным водородом и другим более электроотрицательным атомом, например, кислородом. Атомы водорода, участвующие в водородной связи, притягиваются к таким электроотрицательным атомам как O, N  или  F.

3 Полимер (от греч. «поли» - много) – многозвеньевая цепь, в которой звеном является какое-либо относительно простое вещество – мономер.

4 Такой механизм сопротивления заболеваниям называют иммунитетом.

5 Иногда обозначается как матричная РНК (м-РНК)

6 Смотреть процесс энергетического обмена кислородного этапа в митохондриях

7 Гетеротрофными называют организмы, не способные синтезировать органические вещества из неорганических и использующие в качестве источника пищи (источника энергии) готовые органические соединения.

Автотрофными называются организмы, способные создавать из неорганических веществ органические, служащие строительным материалом и источником энергии.