Обмен веществ. Энергетический обмен
Примерное время выполнения задания – 2 минуты
Уровень сложности - повышенный
Максимальный балл за выполнение задания – 1 балл
Задание № 5 рассчитано на проверку знаний обучающихся по теме «Клетка как биологическая система. Строение клетки, метаболизм. Жизненный цикл клетки».
Задание № 5 содержит два списка элементов, между которыми нужно установить соответствие: к каждому пункту первого столбца (обозначен буквой)следует подобрать соответствующий пункт из второго столбца (обозначен цифрой). В ответе надо записать получившуюся последовательность цифр.
| Перед выполнением предложенных заданий повторите: |
Исходя из основных положений современной клеточной теории, мы знаем, что:
· Клетка является универсальной структурной и функциональной единицей живого;
· Все клетки имеют сходное строение, химический состав и общие принципы жизнедеятельности.
· Клетки образуются только при делении предшествующих им клеток.
· Клетки способны к самостоятельной жизнедеятельности, но в многоклеточных организмах они взаимодействуют между собой как единая система.
Именно благодаря деятельности клеток в многоклеточных организмах осуществляется обмен веществ и энергии, рост и размножение.
Внешне клетки могут отличаться, тем не менее, принципы построения всех клеток едины.
Каждая клетка отделена от окружающей среды наружной плазматической мембраной. Ещё её называют цитоплазматической мембраной.
|
|
|
Клеточная мембрана хранит все содержимое клетки, отделяя её от внешней среды. Также определяет, какие вещества могут входить и выходить из клетки.
Наружная мембрана состоит из двух слоёв молекул жироподобных веществ ─ липидов. Этот слой называют билипидным.
Каждая молекула липида имеет гидрофильную головку и гидрофобный хвост.
В мембранах молекулы липидов располагаются головками наружу, а хвостами внутрь (друг к другу). Благодаря двойному липидному слою содержимое клеток не растекается. Обеспечивая барьерную функцию билипидный слой препятствует проникновению в клетку опасных для неё веществ.
В состав цитоплазматической мембраны входят также углеводы и белки.
Назначение и расположение белков достаточно разнообразно. Одни белки находятся на внешней стороне мембраны, их называют периферическими (внешними) белками. Другие частично проникают внутрь билипидного слоя — это полуинтегральные(погруженные белки). Третьи пронизывают всю мембрану насквозь, их называют интегральнымибелками.
Белки цитоплазматической мембраны выполняют разные функции. Одни белки являются рецепторами. Они воспринимают все раздражения. Другие белки являются ферментами. Они обеспечивают все процессы, которые происходят в клетке. Третьи белки образуют каналы (их называют белковыми каналами). Они осуществляют транспорт ионов в клетку и из неё.
|
|
|
Центром управления клеткой является ядро. Обычно эукариотические клетки содержат только одно ядро. Однако в биологии как всегда есть исключения. Есть клетки, которые имеют несколько ядер. Например, у одноклеточной инфузории-туфельки имеется два ядра: малое и большое.
А в клетках поперечно-полосатых мышц множество ядер.
Чаще всего ядро имеет шаровидную форму и отделено от цитоплазмы оболочкой, которая состоит из двух мембран. Внутренняя мембрана гладкая, а наружная переходит в каналы эндоплазматической сети.
Двумембранная ядерная оболочка имеет поры, по которым из ядра в цитоплазму выходят субъединицы рибосом. А из цитоплазмы в ядро проникают ферменты, молекулы АТФ и неорганические ионы.
Внутреннее содержимое ядра называется кариоплазмой. В кариоплазме располагаются ядрышки и хроматин.
Ядрышко ― это немембраннаявнутриядерная органелла, которая представляет собой комплекс белков и предшественников рибосомных субъединиц.Основная функция ядрышка — это синтез РНК и белков, из которых формируются особые органоиды — рибосомы, которые осуществляют синтез белков.
|
|
|
Внутреннюю среду клетки составляет цитоплазма. Цитоплазма — это общее название всего, что находится внутри клетки.
Цитоплазма включает ядро, мембранные и немембранные органеллы, а также различные включения.
Органеллы, или органоиды, — это постоянные компоненты клетки, которые жизненно необходимые для её существования.
Органеллы делятся на мембранные (одномембранные или двумембранные) и немембранные.
К одномембранным относят эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, а также цитоплазматическую мембрану.
К двумембранным — митохондрии, пластиды, клеточное ядро.
Немембранные включают в себя рибосомы и клеточный центр.
Отдельно рассматривается цитоскелет — это обязательная, но постоянно меняющаяся структура клетки.
Также в цитоплазму входят включения — это необязательные компоненты клетки, которые появляются и исчезают в зависимости от интенсивности и характера обмена веществ в клетке, а также от условий существования организма.
Органеллы и включения находятся во взвешенном состоянии в цитоплазме, которая состоит из гиалоплазмы.
|
|
|
Гиалоплазма представляет собой однородную сложную коллоидную систему. Основу её составляет вода (70-90 %). В ней много белков, углеводов, ферментов, нуклеиновых кислот и других веществ.
В гиалоплазме протекают процессы обмена веществ в клетке, через неё проходит взаимодействие ядра и органоидов. Так же в гиалоплазме осуществляется биосинтез белка, откладывается гликоген, жировые включения и накапливается АТФ.
Цитоплазма постоянно перемещается внутри клетки. Это перемещение называется цитоплазматическим потоком — циклозом.
В перемещении клеточных компонентов и движении самой клетки участвует опорно-двигательная система клетки — цитоскелет.
Цитоскелет состоит из промежуточных филаментов, микротрубочек и микрофиламентов.
Микротрубочки — это белковые внутриклеточные структуры. Они представляют собой полые цилиндры.
Микротрубочки нельзя назвать статичными структурами, так как они разбираются и возникают в том месте, где они необходимы на данный момент. Сборка микротрубочек из тубулина происходит в клеточном центре.
Часто микротрубочки располагаются таким образом, чтобы противодействовать растяжению и сжатию клетки.
Кроме механической функции микротрубочки выполняют и транспортную функцию, участвуя в переносе по цитоплазме различных веществ. Они служат как бы «рельсами», по которым перемещаются моторные белки.
Помимо транспортной функции, микротрубочки формируют центральную структуру ресничек и жгутиков — аксонему. Типичнаяаксонема содержит 9 пар микротрубочек по периферии и две полных микротрубочки в центре.
Из микротрубочек состоят также центриоли, которые в делящихся клетках принимают участие в формировании веретена деления. Веретено деления, обеспечивает расхождение хромосом к полюсам клетки при митозе и мейозе.
Клеточный центр (или центросома) — это центр организации микротрубочек, который обеспечивает их образование и рост. Клеточный центр играет важную роль в образовании цитоскелета и делении клетки.
Он образован двумя центриолями, которые представлены цилиндрами, расположенными перпендикулярно друг другу.
Стенка каждой центриоли состоит из 9 триплетов микротрубочек. Триплеты центриоли соединены между собой.
В собранном виде они направляются в различные участки цитоплазмы, где и выполняют свои функции.
Рибосомы.
Это органоиды, которые необходимы клетке для синтеза белка.
Рибосомы состоят из двух субъединиц — большой и малой. В их состав входит примерно равное (по массе) количество рибосомальной РНК и белка.
Субъединицы рибосомы формируются в области ядрышек ядра. А затем через ядерные поры выходят в цитоплазму.
В цитоплазме рибосомы находят матричные РНК, которые несут информацию с ДНК.
Рибосома имеет 2 функциональных участка аминоацильный (акцепторный) и пептидильный (донорный).
Рибосомы могут свободно перемещаться в цитоплазме. Либо прикрепляться к эндоплазматической сети.
Эндоплазматическая сеть или эндоплазматический ретикулум, как её ещё называют, словно запутанный ветвистый лабиринт пронизывает всю цитоплазму.
Часть эндоплазматической сети гладкая (агранулярная). Здесь на гладких участках образуются углеводы, липиды, накапливаются ионы кальция. Эти вещества переносятся внутрь трубочек ретикулума и по ним транспортируются к местам накопления или использования в биохимических реакциях.
Большая же часть сети шероховатая (гранулярная). Шероховатость придают эндоплазматической сети рибосомы. Здесь происходит биосинтез белков.
От эндоплазматической сети белки в виде пузырьков — везикул ― отпочковываются, доставляются по микротрубочкам к комплексу Гольджи, и сливаются с ним.
Здесь, в полостях комплекса, молекулы белка дозревают. В итоге от Гольджи отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки.
Затем, окружённые мембраной, они направляются к различным участкам клетки, туда, где они необходимы, или выводятся наружу.
Из пузырьков комплекса Гольджи, которые содержат ферменты, формируются и пищеварительные органеллы лизосомы.
Лизосомы расщепляют поступившие пищеварительные частицы, до простых веществ, которые затем использует клетка.
Митохондрии — это органоиды клетки, которые участвуют в процессе клеточного дыхания и запасают для клетки энергию в виде АТФ.
То есть в такой форме, в которой энергия доступна для использования во всех процессах клетки, требующих затрат энергии. Митохондрии располагаются практически во всех клетках растений, животных и грибов. Именно здесь, в митохондриях, образуется и аккумулируется энергия.
Митохондрии имеют двуслойную мембрану. Наружная ― гладкая.
Внутренняя мембрана образует многочисленные складки — кристы. Складки увеличивают поверхность мембраны. Между наружной и внутренней мембраной ― межмембранное пространство.
Ограниченное внутренней мембраной пространство называется матриксом. В нём находятся ферменты, необходимые для многих биохимических реакций.
На кристах митохондрий с участием ферментов при клеточном дыхании синтезируются молекулы аденозинтрифосфорной кислоты. Сокращённо АТФ. Эти молекулы являются универсальными источниками энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах.
Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (например, жирных кислот, аминокислот) из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием углекислого газа и воды, связанное с синтезом АТФ.
Растительные клетки, помимо митохондрий, содержат пластиды.
Пластиды являются основными цитоплазматическими органеллами растительных клеток.
В зависимости от окраски и выполняемой функции выделяют три типа пластид: лейкопласты ― бесцветные пластиды, которые выполняют запасающую функцию. Хромопласты ― это пластиды, содержащие природные органические пигменты — каротиноиды. И хлоропласты ― зелёные пластиды высших растений ― органоиды фотосинтеза, которые содержат хлорофилл ― фотосинтезирующий пигмент.
Обмен веществ. Энергетический обмен
Все организмы, обитающие на Земле, являются открытыми системами, так как между ними и окружающей средой постоянно идёт обмен энергией и веществом.
Часть веществ, которая поступает в клетку, используется для получения и запасания энергии, а ещё одна часть для построения и воспроизведения клеточных структур.
Процессы поступления, переваривания, всасывания и усвоения питательных веществ называют питанием. В процессе питания организмы получают химические вещества, которые используются для всех процессов жизнедеятельности.
По способу получения органических веществ все организмы делятся на автотрофы и гетеротрофы.
Автотрофы могут сами синтезировать необходимые им органические вещества, получая из окружающей среды углерод (в виде углекислого газа), воду и минеральные вещества.
К автотрофам можно отнести большую часть высших растений (за исключением растений, которые не имеют хлорофилла или растений, которые могут поддерживать свою жизнь за счёт других организмов), а также водоросли и бактерии.
Роль в природе автотрофов очень велика: только они могут оказаться первичными продуцентами (организмами, синтезирующими органические вещества из неорганических), которые потом используются всеми живыми организмами - гетеротрофами для поддержания жизни (питания).
Гетеротрофы, в отличие от автотрофов не могут сами синтезировать весь набор необходимых им для жизнедеятельности органических веществ.
Поэтому они поглощают из окружающей среды нужные им соединения, произведённые другими организмами. Затем из полученных органических веществ они строят собственные белки, липиды и углеводы.
Все реакции биосинтеза веществ и их последующая сборка в более крупные структуры называются ассимиляцией или анаболизмом. Ещё одно название этого набора реакций — пластический обмен. Для этих процессов требуется затрата энергии.
Особенно интенсивный биосинтез веществ происходит в период развития и роста организмов. Вся жизнедеятельность требует огромного количества энергетических затрат.
Например, в нервных клетках энергия идёт на биоэлектрические процессы. Разряд электрического ската — яркое проявление их.
Энергию для всех процессов жизнедеятельности поставляют процессы диссимиляции — это совокупность реакций распада, которые сопровождаются выделением и запасанием энергии. Процессы диссимиляции, также называют катаболизмом или энергетическим обменом.
В организме животного при диссимиляции богатые энергией органические вещества превращаются в углекислый газ, воду и другие энергетически бедные соединения.
Ассимиляция и диссимиляция — это противоположные процессы. В первом случае происходит образование веществ, на что тратиться энергия. А во втором ― распад веществ с выделением и запасанием энергии. Эти процессы невозможны друг без друга. Таким образом, реакции ассимиляция и диссимиляция — это две стороны единого процесса обмена веществ и энергии в клетке, который называется ― метаболизмом.
Реакции метаболизма в живых организмах проходят очень быстро благодаря действию ферментов и АТФ.
Все ферменты ― вещества белковой природы.
Одни ферментные системы направляют процессы биосинтеза. Этот процесс требует затрат энергии.
Другие ферментные системы регулируют распад и окисление веществ. При этих реакциях энергия выделяется.
Как переходит энергия от одной группы реакций к другой? Роль поставщика этой энергии выполняет аденозинтрифосфорная кислота — АТФ. Молекула АТФ, как вы помните, содержит 3 остатка фосфорной кислоты. Химические связи между остатками богаты энергией.
Под действием очередного фермента от молекулы АТФ отщепляется 1 или 2 остатка фосфорной кислоты. Такие реакции сопровождаются высвобождением большого количества энергии.
После отрыва одного остатка фосфорной кислоты АТФ превращается в АДФ ― аденозиндифосфорную кислоту. АДФ может соединиться с фосфорной кислотой и перейти в АТФ.
На эту реакцию затрачивается энергия, которая была выделена в процессе диссимиляции, то есть в реакциях расщепления органических веществ в клетке.
У растений в хлоропластах АТФ образуется при фотосинтезе за счёт энергии света.В митохондриях животных клеток АТФ синтезируется за счёт энергии окислительных процессов.
Итак, ферментные системы катализируют цепи процессов обмена веществ.АТФ связывает реакции ассимиляции и диссимиляции.
Как мы уже говорили, реакции диссимиляции называются энергетическим обменом. Энергетический обмен, или диссимиляция,может проходить в два или три этапа.
Количество этапов зависит от того относиться организм к аэробам или ― анаэробам. Вы помните, что аэробы используют в процессе обмена веществ кислород из окружающей среды. А анаэробы обитают в бескислородной среде и не нуждаются в кислороде.
У аэробов ― энергетический обмен происходит в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный.
У анаэробов ― в два этапа: подготовительный и бескислородный.
В двухэтапном варианте энергетического обмена энергии запасается гораздо меньше, чем в трёхэтапном.
Рассмотрим этапы энергетического обмена.
Подготовительный этап.
У многоклеточных животных процессы подготовительного этапа диссимиляции совершаются в органах пищеварения.
Происходит расщепление крупных органических молекул до более простых ― питательных веществ. Полимерные углеводы превращаются в глюкозу. Белки ― в аминокислоты. Жиры ― в глицерин и жирные кислоты. Продукты расщепления пищевых веществ всасываются в кровь и приносятся ко всем клеткам организма.
Все эти процессы составляют подготовительную стадию энергетического обмена. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая не запасается в молекулах АТФ и рассеивается в виде тепла.
Наступает второй этап энергетического обмена — бескислородный. Он заключается в ферментативном расщеплении органических веществ, которые были получены в ходе подготовительного этапа.
Как же освобождается в клетки энергия, заключённая в питательных веществах?
Основным источником энергии для процессов жизнедеятельности является глюкоза. Однако глюкоза не поддаётся ферментативному окислению. Поэтому в системе ферментов мембран эндоплазматической сети происходит сначала активирование глюкозы за счёт энергии АТФ.
Затем в цитоплазме клеток наступает многоступенчатый процесс бескислородного расщепления глюкозы, до двух молекул трехуглеродной пировиноградной кислоты.
Это неполное бескислородное окисление глюкозы называется гликолизом.
Итак, каждая молекула глюкозы под действием ферментов расщепляется на 2 меньшие молекулы пировиноградной кислоты, которые становятся доступными для окисления.
На данном этапе на каждую молекулу глюкозы выделяется уже 200 кДж энергии. Из них 80 кДж сберегается (по 40 кДж на 1 АТФ).
Вы помните, что для того, чтобы превратить АДФ в АТФ, необходимо затратить 40 кДж. Поэтому 80 кДж достаточно для превращения двух молекул АДФ в 2 молекулы АТФ. А 120 кДж образовавшейся при расщеплении глюкозы ― рассеивается в виде тепла.
Итак, в процессе гликолиза образуется 2 АТФ. Благодаря многостадийности гликолиза выделяющиеся небольшие порции тепла не успевают нагреть клетку до опасного уровня.
Далее пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту ― это основной продукт второго этапа энергетического обмена.
В большинстве растительных клеток, а также в клетках некоторых грибов (например, дрожжей) вместо гликолиза происходит спиртовое брожение, где молекула глюкозы в анаэробных условиях превращается в этиловый спирт и углекислый газ.
Существуют и такие микроорганизмы, в клетках которых в бескислородных условиях образуется не молочная кислота и не этиловый спирт, а, например, уксусная кислота. Однако во всех случаях распад одной молекулы глюкозы приводит к запасанию двух молекул АТФ.
У аэробных организмов после гликолиза следует третий этап энергетического обмена — кислородный. Это полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание.
Этот процесс происходит на кристах митохондрий клетки, где образовавшиеся в процессе второго этапа вещества (молочная кислота, этиловый спирт, например) окисляются до конечных продуктов углекислого газа и воды.
Рассмотрим кислородный этап более подробно.
Вы помните, что главной функцией митохондрий является захват высокомолекулярных веществ из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием углекислого газа и воды, связанное с синтезом АТФ.
Здесь на кристах митохондрий пировиноградная кислота превращается в ацетил-кофермент А. Сокращённо ацетил-КоА ─ это важное соединение в обмене веществ, которое используется во многих биохимических реакциях.
Ацетил-КоА является основным субстратом, который необходим для реакций цикла трикарбоновых кислот — цикла Кребса.
Ацетил-КоА доставляет атомы углерода с ацетил-группой в цикл трикарбоновых кислот (или цикл Кребса), чтобы те были окислены с выделением энергии.
Цикл Кребса проходит так же внутри митохондрий. Это очень сложный ряд последующих реакций ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Цикл трикарбоновых кислот является промежуточным этапом между гликолизом и электронтранспортной (дыхательной) цепью.
В ходе цикла Кребса ацетильные остатки (остатки ацетил-КоА) окисляются до углекислого газа. При этом за один цикл образуется 2 молекулы углекислого газа, 3 НАДН, 1 ФАДН2 и 1 АТФ.
Итак, в процессе гликолиза и цикла Кребса образуются необходимые молекулы НАДН, которые переносят водороды из одной реакции в другую. Водороды, находящиеся на НАДН и ФАДН2, в дальнейшем переносятся на дыхательную цепь, где образуется АТФ.
Итак, на мембране митохондрии атомы водорода, полученные от НАДН и ФАДН2, разделяются на протоны (Н+) и электроны. Электроны начинают проходить через комплексы 1,2,3,4 это белки, которые встроены в мембрану.
А протоны водорода переносятся через комплексы и накапливаются в межмембранном пространстве. В результате чего и образуется градиент концентрации протонов, необходимый для синтеза молекулы АТФ.
Вы помните, что протоны при прохождении через АТФ-синтазу, помогают образованию самой АТФ.
Итак, на третьем этапе в митохондриях при клеточном дыхании (кислородном процессе) 2 молекулы пировиноградной кислоты окисляются до углекислого газа, воды и 36 молекул АТФ. То есть при полном расщеплении 1 молекулы глюкозы в итоге образуется 38 молекул АТФ.
Невидимые нашему глазу биохимические превращения в клетках составляют основу существования всех живых организмов.
В результате биохимических реакций в клетке происходит синтез универсального для всего органического мира вещества ― АТФ, которая обеспечивает энергией любое проявление жизни.
Дата добавления: 2021-01-20; просмотров: 101; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!