Биология : Реферат: Обмены веществ, происходящие в клетках человека
Реферат: Обмены веществ, происходящие в клетках человека
Реферат на тему:
"Обмены веществ, происходящие в
клетках человека"
Строение и функции клетки
По наличию оформленного ядра все
клеточные организмы делятся на две группы: прокариоты и эукариоты.
Прокариоты (безъядерные организмы) — примитивные
организмы, не имеющие четко оформленного ядра. В таких клетках выделяется лишь
ядерная зона, содержащая молекулу ДНК. Кроме того, в клетках прокариотов
отсутствуют многие органоиды. У них имеются только наружная клеточная мембрана
и рибосомы. К прокариотам относятся бактерии и синезеленые водоросли (цианеи).
Эукариоты — истинно ядерные, имеют четко
оформленное ядро и все основные структурные компоненты клетки. К эукариотам
относятся растения, животные, грибы. Эукариотная клетка имеет сложное строение.
Она состоит из трех неразрывно связанных частей:
1) наружной клеточной мембраны, у
некоторых дополнительно имеется оболочка;
2) цитоплазмы и ее органоидов;
3) ядра.
Наружная клеточная мембрана — двумем-бранная клеточная структура,
которая ограничивает живое содержимое клетки всех организмов. Обладая
избирательной проницаемостью, она защищает клетку, регулирует поступление
веществ и обмен с внешней средой, поддерживает определенную форму клетки.
Клеточная мембрана состоит из двойного слоя фосфолипидов, обращенных друг к
другу своими гидрофобными концами из радикалов высших жирных кислот; снаружи
располагаются гидрофильные остатки фосфорной кислоты и глицерина. В билипид-ный
слой мозаично вкраплены молекулы белков, одна часть которых пронизывает
мембрану, а другая — располагается на поверхности или частично погружена в нее.
С наружной стороны с белками и липидами соединены углеводы.
Вещества поступают в клетку
различными путями: диффузно (низкомолекулярные ионы); осмосом (вода); активным
транспортом (через специальные белковые каналы) с затратой энергии; с помощью
эндоцитоза (крупные частицы).
Клетки растительных организмов,
грибов кроме мембраны снаружи имеют еще и оболочку. Эта неживая
клеточная структура состоит из целлюлозы, придает прочность клетке, защищает
ее, является «скелетом» растений и грибов. В оболочке имеются поры, через которые
идет поступление веществ.
В цитоплазме, полужидком
содержимом клетки, находятся все органоиды.
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) — одномембранная система канальцев,
трубочек, цистерн, которая пронизывает всю цитоплазму. Она разделяет ее на
отдельные отсеки, в которых идет синтез различных веществ, обеспечивает
сообщение между отдельными частями клетки и транспорт веществ. Различают
гладкую и гранулярную ЭПС. На гладкой — идет синтез липидов, на гранулярной
располагаются рибосомы и синтезируется белок.
Рибосомы — мелкие тельца грибовидной формы, в
которых идет синтез белка. Они состоят из рибосомальной РНК и белка, образующих
большую и малую субъединицы.
Аппарат Гольджи — одномембранная структура, связанная
с ЭПС, обеспечивает упаковку и вынос синтезируемых веществ из клетки. Кроме
того, из его структур образуются лизосомы.
Лизосомы — шарообразные тельца, содержащие
гидролитические ферменты, которые расщепляют высокомолекулярные вещества, т. е.
обеспечивают внутриклеточное переваривание.
Митохондрии — полуавтономные двумем-бранные
структуры продолговатой формы. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя имеет
складки — кристы, увеличивающие ее поверхность. Внутри митохондрия заполнена
матриксом, в котором находятся кольцевая молекула ДНК, РНК, рибосомы.
Количество митохондрий в клетках
различно, с ростом клеток их число увеличивается в результате деления.
Митохондрии — это «энергетические станции» клетки. В процессе дыхания в них
происходит окончательное окисление веществ кислородом воздуха. Выделяющаяся
энергия запасается в молекулах АТФ, синтез которых происходит в этих
структурах.
Пластиды
характерны для
растительных клеток. Существуют три вида пластид: хлоропласты, лейкопласты и
хромопласты.
Хлоропласты — полуавтономные
двумембранные органоиды продолговатой формы, зеленого цвета. Внутренняя часть
заполнена стромой, в которую погружены граны. Граны образованы из мембранных
структур — тилакоидов. В строме имеются кольцевая молекула ДНК, РНК, рибосомы.
На мембранах располагается фотосинтезирующий пигмент — хлорофилл. В
хлоропластах протекает процесс фотосинтеза. На мембране тилакоида идут реакции
световой фазы, а в строме — темновой.
Хромопласты — двумембранные органоиды
шарообразной формы, содержащие красный, оранжевый и желтый пигменты.
Хромопласты придают окраску цветкам и плодам, образуются из хлоропластов.
Лейкопласты — бесцветные пластиды,
находящиеся в неокрашенных частях растения. Содержат запасные питательные
вещества, могут на свету переходить в хлоропласты.
Кроме хлоропластов растительные
клетки имеют и вакуоли — мембранные тельца, заполненные клеточным соком
и питательными веществами.
Клеточный центр обеспечивает процесс деления клетки.
Он состоит из двух центриолей и центросферы, которые образуют нити веретена
деления и способствуют равномерному распределению хромосом в делящейся клетке.
Характерны для животных клеток. -
Ядро — центр регуляции жизнедеятельности
клетки. Ядро отделено от цитоплазмы двойной ядерной мембраной, пронизанной
порами. Внутри оно заполнено кариоплазмой, в которой находятся молекулы ДНК.
Ядерный аппарат регулирует все процессы жизнедеятельности клетки, обеспечивает
передачу наследственной информации. Здесь происходит синтез ДНК, РНК, рибосом.
Часто в ядре можно увидеть одно или несколько темных округлых образований
ядрышек, в которых формируются и скапливаются рибосомы. Молекулы ДНК несут
наследственную информацию, которая определяет признаки данного организма,
органа, ткани, клетки. В ядре молекулы ДНК не видны, так как находятся в виде
тонких нитей хроматина. Во время деления ДНК сильно спирализуются, утолщаются,
образуют комплексы с белком и превращаются в хорошо заметные структуры
хромосомы.
Кроме перечисленных некоторые клетки
имеют специфические органоиды — реснички и жгутики, которые
обеспечивают движение, преимущественно одноклеточных организмов. Имеются они и
у некоторых клеток многоклеточных организмов (ресничный эпителий). Реснички и
жгутики представляют собой выросты цитоплазмы, окруженные клеточной мембраной.
Внутри выростов находятся микротрубочки, сокращение которых приводит в движение
клетку.
Обмен веществ и превращения энергии в
клетке
Основой жизнедеятельности клетки
является обмен веществ и превращение энергии. Обмен веществ
совокупность всех реакций синтеза и распада, протекающих в организме, связанных
с выделением или поглощением энергии. Обмен веществ и энергии состоит из двух
взаимосвязанных и противоположных процессов: ассимиляции и диссимиляции.
Ассимиляция, или пластический обмен,
совокупность реакций синтеза высокомолекулярных органических веществ, сопровождающихся
поглощением энергии за счет распада молекул АТФ.
Диссимиляция, или энергетический обмен,
совокупность реакций распада и окисления органических веществ, сопровождающихся
выделением энергии и запасанием ее в синтезируемых молекулах АТФ.
Все реакции обмена веществ идут в
присутствии ферментов. АТФ является основным веществом, которое обеспечивает
все энергетические процессы в клетке, запасает энергию в процессе
энергетического обмена и отдает в процессе пластического обмена.
Единственным
источником энергии на земле является солнце. Клетки растений с помощью
хлоропластов улавливают энергию солнца, превращая ее в энергию химических
связей молекул синтезированных органических веществ. В растениях идет первичный
синтез органических веществ из неорганических: углекислого газа и воды за счет
энергии солнца. Все остальные организмы используют готовые органические
вещества, расщепляют их, а выделяющаяся энергия запасается в молекулах АТФ.
Запасенная энергия расходуется в процессе пластического обмена на синтез
органических веществ, специфичных для каждого организма. Часть энергии в
процессе обмена веществ постоянно теряется в виде тепла, поэтому в системы
живых организмов необходим постоянный приток энергии. Таким образом, солнечная
энергия аккумулируется в органических веществах, а затем используется в
процессе жизнедеятельности организма.
По способу питания, источнику
получения органических веществ и энергии организмы делятся на автотрофные и
гетеротрофные.
Автотрофные организмы синтезируют органические вещества
в процессе фотосинтеза из неорганических (углекислого газа, воды, минеральных
солей), используя энергию солнечного света. К ним относятся все растительные
организмы, синезеленые водоросли (цианобактерии). К автотрофному питанию
способны и хемо-синтезирующие бактерии, использующие энергию, которая
выделяется при окислении неорганических веществ: серы, железа, азота.
Гетеротрофные организмы получают готовые
органические вещества от автотрофов. Источником энергии являются органические
вещества, которые распадаются и окисляются в процессе диссимиляции. К ним
относятся животные, грибы, многие бактерии.
Автотрофы способны усваивать
неорганический углерод и другие элементы. Гетеротрофы усваивают только
органические вещества, получая энергию при их расщеплении. Автотрофные и
гетеротрофные организмы связаны между собой процессами обмена веществ и
энергии.
Энергетический обмен
Энергетический обмен состоит из трех
этапов.
I этап — подготовительный. На первом этапе происходит
расщепление высокомолекулярных органических веществ до низкомолекулярных в
процессе реакций гидролиза, идущих при участии воды. Он протекает в
пищеварительном тракте, а на клеточном уровне — в лизосомах. Вся энергия,
выделяющаяся на подготовительном этапе, рассеивается в виде тепла.
Реакции подготовительного этапа:
белки + Н20—» аминокислоты
+ С; углеводы + Н20 —»глюкоза + ф; жиры + Н20 —>
глицерин + высшие жирные + кислоты
II этап — гликолиз, бескислородное
окисление. Глюкоза является ключевым веществом обмена в организме. Все
остальные вещества на разных стадиях втягиваются в процессы ее превращения.
Дальнейшее расщепление органических веществ рассматривается на примере обмена
глюкозы.
Процесс гликолиза протекает в
цитоплазме. Глюкоза расщепляется до 2 молекул пировиноградной кислоты (ПВК),
которые в зависимости от типа клеток и организмов могут превращаться в молочную
кислоту, спирт или другие органические вещества. При этом выделяющаяся энергия
частично запасается в 2 молекулах АТФ, а частично расходуется в виде тепла.
Бескислородные процессы называются брожением.
Реакции гликолиза:
С6Н1206-+>2С3Н403+4Н-глюкоза
ПВК2АТФ
2С3Н603 (молочная
кислота) молочнокислое брожение
2С2Н5ОН + 2С02
(этиловый спирт) спиртовое брожение
В результате ступенчатого расщепления
глюкозы образуются 2 молекулы ПВК — С3Н403.
При этом освобождаются еще 4 атома Н, которые соединяются с переносчиком НАД+,
и образуются 2НАД • Н + Н+. Дальнейшая судьба ПВК зависит от наличия
кислорода. В анаэробных условиях ПВК превращается в молочную кислоту или этанол
с участием тех же двух молекул НАД • Н + Н+, которые возвращают
водород. Если же процесс идет в аэробных условиях, то ПВК и 2НАД • Н + Н+
вступают в реакции биологического окисления.
III этап — кислородный. Биологическое окисление протекает в
митохондриях. Пировиноградная кислота поступает в митохондрии, где
преобразуется в уксусную кислоту, соединяется с ферментом-переносчиком и входит
в серию циклических реакций — цикл Кребса. В результате этих реакций при
участии кислорода образуются углекислый газ и вода, а на кристах митохондрий за
счет выделяющейся энергии синтезируется 36 молекул АТФ.
Реакции кислородного этапа:
2С3Н403
+ 602 + 4Н - 6С02 + 6Н20.
Таким образом, при расщеплении
глюкозы на двух этапах образуется суммарно 38 молекул АТФ, причем основная
часть — при кислородном окислении.
Процесс биологического окисления
органических веществ называется дыханием.
Пластический обмен. Фотосинтез
Фотосинтез — процесс первичного синтеза
органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) под действием
солнечного света. Протекает у растений в хлоропластах. Выделяют две фазы
фотосинтеза.
1.
Световая фаза. Фотолиз воды. Синтез АТФ. Протекает на мембранах тилакоидов
только при участии солнечного света. За счет энергии солнца протекают три
группы реакций:
1)
возбуждение хлорофилла, отрыв электронов и синтез АТФ за счет энергии
возбужденных электронов;
2)
фотолиз воды — расщепление молекулы воды;
3)
связывание ионов водорода с переносчиком НАДФ.
Кванты света, попав на хлорофилл,
приводят молекулу в возбужденное состояние. При этом электроны переходят в
возбужденное состояние и проходят по электронной цепи на мембране до места
синтеза АТФ. Одновременно под действием света идет расщепление молекулы воды и
образование ионов водорода. На мембране тилакоидов происходит соединение ионов
водорода с переносчиком НАДФ за счет электронов хлорофилла, а выделившаяся
энергия идет на синтез АТФ. Образовавшиеся при фотолизе воды ионы кислорода
отдают электроны на хлорофилл и превращаются в свободный кислород, который
выделяется в атмосферу.
2. Темновая фаза. Фиксация углерода.
Синтез глюкозы. Для протекания реакций второй стадии наличие света
необязательно. Источником энергии являются синтезированные на первой стадии
молекулы АТФ.
В строме хлоропластов, куда поступают
НАДФ • Н 4- Н+, АТФ и углекислый газ из атмосферы, протекают
циклические реакции, в результате которых идет фиксация углекислого газа, его
восстановление водородом за счет НАДФ х х Н + Н+ и синтез глюкозы.
Эти реакции идут за счет энергии АТФ, запасенной в световой фазе.
Схематично уравнение темновой фазы
можно представить следующим образом:
С6Н1206
+ НАДФ+С02 + НАДФ • Н + Н+2АДФ
Суммарное уравнение фотосинтеза:
6С02 + 6Н20 -222+
С6Н1206 + 602Т.
Пластический обмен. Биосинтез белка
Наиболее важным процессом пластического
обмена является биосинтез белка. Он протекает во всех клетках организмов.
Генетический код. Аминокислотная
последовательность в молекуле белка зашифрована в виде нуклеотидной
последовательности в молекуле ДНК и называется генетическим кодом. Участок
молекулы ДНК, ответственный за синтез одного белка, называется геном.
Характеристика генетического кода.
1.Код триплетен: каждой аминокислоте
соответствует сочетание из 3 нуклеотидов. Всего таких сочетаний — 64 кода. Из
них 61 код смысловой, т. е. соответствует 20 аминокислотам, а 3 кода
бессмысленные, стоп-коды, которые не соответствуют аминокислотам, а заполняют
промежутки между генами.
2.
Код однозначен — каждый триплет соответствует только одной аминокислоте.
3. Код вырожден — каждая аминокислота
имеет более чем один код. Например, у аминокислоты глицин — 4 кода: ЦЦА, ЦЦГ,
ЦЦТ, ЦЦЦ, чаще у аминокислот их 2—3.
4. Код универсален — все живые
организмы имеют один и тот же генетический код аминокислот.
5. Код непрерывен — между кодами нет
промежутков.
6. Код неперекрываем — конечный
нуклеотид одного кода не может служить началом другого.
Условия биосинтеза. Для биосинтеза белка необходима
генетическая информация молекулы ДНК; информационная РНК — переносчик этой
информации из ядра к месту синтеза; рибосомы — органоиды, где происходит
собственно синтез белка; набор аминокислот в цитоплазме; транспортные РНК,
кодирующие аминокислоты и переносящие их к месту синтеза на рибосомы; АТФ
вещество, обеспечивающее энергией процесс кодирования и биосинтеза.
Этапы биосинтеза
Транскрипция — процесс биосинтеза всех видов РНК
на матрице ДНК, который протекает в ядре.
Определенный участок молекулы ДНК
деспирализуется, водородные связи между двумя цепочками разрушаются под
действием ферментов. На одной цепи ДНК, как на матрице, по принципу
комплементарное из нуклеотидов синтезируется РНК-копия. В зависимости от
участка ДНК таким образом синтезируются рибосомные, транспортные,
информационные РНК.
После синтеза иРНК она выходит из
ядра и направляется в цитоплазму к месту синтеза белка на рибосомы.
Трансляция — процесс синтеза полипептидных
цепей, осуществляемый на рибосомах, где иРНК является посредником в передаче
информации о первичной структуре белка.
Биосинтез белка состоит из ряда
реакций.
1. Активирование и кодирование аминокислот.
тРНК имеет вид клеверного листа, в центральной петле которого располагается
триплет-ный антикодон, соответствующий коду определенной аминокислоты и кодону
на иРНК. Каждая аминокислота соединяется с соответствующей тРНК за счет энергии
АТФ. Образуется комплекс тРНК—аминокислота, который поступает на рибосомы.
2. Образование комплекса
иРНК—рибосома. иРНК в цитоплазме соединяется рибосомами на гранулярной ЭПС.
3. Сборка полипептидной цепи. тРНК с
аминокислотами по принципу комплементарности антикодона с кодоном соединяются с
иРНК и входят в рибосому. В пептидном центре рибосомы между двумя
аминокислотами образуется пептидная связь, а освободившаяся тРНК покидает
рибосому. При этом иРНК каждый раз продвигается на один триплет, внося новую
тРНК — аминокислоту и вынося из рибосомы освободившуюся тРНК. Весь процесс
обеспечивается энергией АТФ. Одна иРНК может соединяться с несколькими
рибосомами, образуя полисому, где идет одновременно синтез многих молекул
одного белка. Синтез заканчивается, когда на иРНК начинаются бессмысленные
кодоны (стоп-коды). Рибосомы отделяются от иРНК, с них снимаются полипептидные
цепи. Так как весь процесс синтеза протекает на гранулярной эндо-плазматической
сети, то образовавшиеся полипептидные цепи поступают в канальца ЭПС, где
приобретают окончательную структуру и превращаются в молекулы белка.
Все
реакции синтеза катализируются специальными ферментами с затратой энергии АТФ.
Скорость синтеза очень велика и зависит от длины полипептида. Например, в
рибосоме кишечной палочки белок из 300 аминокислот синтезируется приблизительно
за 15—20 с.
|