Биология:Физиология клетки
Содержание
Строение и химический состав клетки
К летка открыта английским ученым Р. Гуком в 1663г., им же предложена этот термин. Однако лишь в 19 веке ее начали изучать систематически. В 30-е годы XIX века немецкие ученые Шлейден и Шванн установили клеточное строение всех растений и животных
Тело растений и животных может состоять из одной клетки (одноклеточные организмы) или из многих клеток (многоклеточные организмы).
Клетка обладает всеми жизненными функциями (ассимиляция, диссимиляция, рост, размножение, наследственность, раздражимость и др.). Как и все живое, организм человека состоит из клеток. Благодаря клеточному строению организма возможны его рост, размножение, восстановление поврежденных органов и тканей и другие формы деятельности. Клетка является структурной и физиологической единицей живых организмов. Форма и размеры клеток различны и зависят от выполняемой ими функции.
В каждой клетке различают две основные части — цитоплазму и ядро.
В цитоплазме, в свою очередь, содержатся органоиды — мельчайшие структуры клетки, обеспечивающие ее жизнедеятельность (митохондрии, рибосомы, клеточный центр и др.).
В ядре перед делением клетки образуются особые нитевидные тельца — хромосомы Снаружи клетка покрыта мембраной, отделяющей одну клетку от другой. Пространство между клетками заполнено жидким межклеточным веществом. Главная функция мембраны состоит в том, что она обеспечивает избирательное поступление различных веществ в клетку и выведение из нее продуктов обмена.
В клетке встречается около 70 химических элементов Периодической системы Д. И. Менделеева, однако содержание этих элементов существенно отличается от их концентраций в окружающей среде, что доказывает единство органического мира.
Химические элементы, имеющиеся в клетке, делят на три большие группы: макроэлементы, мезоэлементы (олигоэлементы) и микроэлементы.
Клетки состоят из разнообразных неорганических (вода, минеральные соли) и органических веществ (углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты).
Клетки состоят из разнообразных неорганических (вода, минеральные соли) и органических веществ (углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты). Вода - важнейший компонент клетки, определяет физические свойства клетки – объём, упругость. Вода растворяет вещества, участвующих в химических реакциях: переносит питательные вещества, выводит из клетки отработанные и вредные соединения. Вещества растворимые в воде гидрофильные (от греческого «гидрос» -вода, «филео» — любовь)- спирты, амины, углеводы, белки, соли.
Нерастворимые в воде гидрофобные (от греческого «гидрос» – вода, «фобос» – страх, ненависть) — жиры, клетчатка.
Минеральные соли обеспечивают стабильные показатели осмотического давления, передачу нервного импульса, являются носителями электрического заряда. Для процессов жизнедеятельности из входящих в состав солей катионов наиболее важны: К+, Na+, Ca2+, Mg2+ из анионов: HPO42-, H2PO4-, Cl-, HCO3- Прочность и твёрдость костной ткани обеспечивается фосфатом кальция, а раковин моллюсков – карбонатом кальция.
Органические вещества клетки представлены белками, липидами, углеводами, нуклеиновыми кислотами, АТФ, витаминами и гормонами.
Белки — это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Аминокислоты содержат аминогруппу, карбоксильную группу и радикал. В состав белков входит 20 основных аминокислот. Соединяются аминокислоты между собой с образованием пептидной связи. Цепочка из более чем 20 аминокислот называется полипептидом или белком. Белки образуют четыре основные структуры: первичную, вторичную, третичную и четвертичную.
Белки выполняют в клетке ряд функций: пластическую (строительную), каталитическую (ферментативную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г белка — 17,6 кДж), сигнальную (рецепторную), сократительную (двигательную), транспортную, защитную, регуляторную, запасающую.
Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода. Сложные – полимеры с мономерами в виде моносахаридов (глюкоза, рибоза,дезоксирибоза).К углеводам относятся глюкоза. животный крахмал-гликоген. Многие углеводы хорошо растворимы .Углеводы выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г углеводов — 17,6 кДж), запасающую и опорную функции. Углеводы могут также входить в состав сложных липидов и белков.
Липиды представляют собой органические вещества, не растворимые в воде, но растворимые в бензине, эфире, ацетоне. Из липидов самые распространенные известные жиры, а также лецитин, холестерин и витамины А, D и гормоны. Липиды выполняют в клетке пластическую (строительную), энергетическую (энергетическая ценность расщепления 1 г жира — 38,9 кДж), запасающую, защитную (амортизационную) и регуляторную (стероидные гормоны) функции.
Нуклеиновые кислоты образуются в клеточном ядре, с этим связано их название( от лат. «нуклеус»-ядро). это биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. В состав нуклеотида входят азотистое основание, углевод и остаток ортофосфорной кислоты. Выделяют два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновую (РНК) и дезоксирибонуклеиновую (ДНК). ДНК включает четыре типа нуклеотидов: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Структура ДНК была открыта Ф. Криком и Д. Уотсоном 1953г. Молекула ДНК представляет собой двуцепочечную спираль. ДНК определяет состав белков клетки и передачу наследственных признаков и свойств от родителей к потомству.
РНК включает четыре типа нуклеотидов: аденин (А), урацил (А), гуанин (Г) и цитозин (Ц).Выделяют три вида РНК: информационную (и-РНК), транспортную (т-РНК) и рибосомальную (р-РНК). Функции РНК связаны с образованием характерных для этой клетки белков.
-
Химические элементы клетки. Вода
-
Свойства воды
-
Органические вещества в составе клетки
АТФ (аденозинтрифосфат)- универсальный биологический аккумулятор энергии в клетке. АТФ содержится в митохондриях, ядре, хлоропластах, цитоплазме. С помощью АТФ в клетке осуществляется синтез веществ, биение жгутиков и ресничек в клетках простейших
К неорганическим веществам относятся вода и минеральные соли.
Благодаря своим физико-химическим свойствам вода в клетке является растворителем, средой для протекания реакций, исходным веществом и продуктом химических реакций, выполняет транспортную и терморегуляторные функции, придает клетке упругость, обеспечивает туprop растительной клетки.
Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода; многие из них хорошо растворимы в воде и являются основными источниками энергии для осуществления жизненно важных процессов.
Жиры образованы теми же химическими элементами, что и углеводы; они нерастворимы в воде. Жиры входят в состав клеточных мембран и также служат важнейшим источником энергии в организме.
Белки — главный строительный материал клеток. Строение белков сложное: молекула белка имеет большие размеры и представляет собой цепь, состоящую из десятков и сотен более простых соединений — аминокислот. Многие белки служат ферментами, которые ускоряют течение биохимических процессов в клетке.
Нуклеиновые кислоты, образующиеся в клеточном ядре, состоят из углерода, кислорода, водорода и фосфора.
Различают два типа нуклеиновых кислот:
1) дезоксирибонуклеиновые (ДНК) находятся в хромосомах и определяют состав белков клетки и передачу наследственных признаков и свойств от родителей к потомству;
2) рибонуклеиновые (РНК) — связаны с образованием характерных для этой клетки белков.
АТФ - аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфорная кислота. Вещество является одним из двух наиболее важных источников энергии в любой клетке. Строение АТФ и биологическая роль тесно связаны. Большинство биохимических реакций может протекать только при участии молекул вещества, особенно это касается пластического обмена. Однако АТФ редко непосредственно участвует в реакции: для протекания любого процесса нужна энергия, заключенная именно в химических связях аденозинтрифосфата.
-
Состав белков
-
Строение белковых молекул
-
Структуры
-
Полипептидная цепь
-
Свойства белков
Функции белка
• строительная
• каталитическая (ферменты)
• регуляторная (гормоны)
• защитная (антитела, свертывание крови)
• транспортная
• сократительная (мышечные белки)
и другие
Функции углеводов
• энергетическая
• защитная
• строительная
• входит в состав нуклеиновых кислот
и т.д.
Функции липидов
• энергетическая
• защитная
• терморегуляторная
• регуляторная (гормоны)
• источник эндогенной воды
• образует мембрану
и др.
Клеточная теория
Создатель этой теории - немецкий ученый Т. Шванн, который опираясь на работы М. Шлейдена, Л. Окена, в 1838 -1839 гг. сформулировал следующие положения:
1. все организмы растений и животных состоят из клеток
2. каждая клетка функционирует независимо от других, но вместе со всеми
3. все клетки возникают из безструктурного вещества неживой материи.
Позднее Р. Вирхов ( 1858 ) внес существенное уточнение в последнее положение теории:
4. все клетки возникают только из клеток путем их деления.
СОВРЕМЕННАЯ КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ:
1. клеточная организация возникла на заре жизни и прошла длительный путь эволюции от прокариотов до эукариотов, от предклеточных организмов до одно- и многоклеточных.
2. новые клетки образуются путем деления от ранее существовавших
3. клетка является микроскопической живой системой, состоящей из цитоплазмы и ядра, окруженных мембраной (за исключением прокариотов)
4. в клетке осуществляются:
- метаболизм - обмен веществ;
- обратимые физиологические процессы - дыхание, поступление и выделение веществ, раздражимость, движение;
- необратимые процессы - рост и развитие.
5. клетка может быть самостоятельным организмом. Все многоклеточные организм также состоят из клеток и их производных. Рост, развитие и размножение многоклеточного организма - следствие жизнедеятельности одной или нескольких клеток.
Органоиды клетки
Все живые организмы могут быть распределены в одну из двух групп (прокариоты или эукариоты) в зависимости от основной структуры их клеток. Прокариоты — живые организмы, состоящие из клеток, которые не имеют клеточного ядра и мембранных органелл. Эукариоты — живые организмы, клетки которых содержат ядро, а также мембранные органеллы.
- Прокариоты
Не имеют ядра и мембранных органелл- Бактерии
- археи
- Сине –зеленые водоросли
Имеют ядро и мембранные органеллы
- Растения
- Животные
- Человек
- Грибы
- Простейшие
Органоиды клетки - постоянные клеточные структуры, клеточные органы, обеспечивающие выполне¬ние специфических функций в процессе жизнедеятельнос¬ти клетки - хранение и передачу генетической информации, перенос веществ, синтез и превращения ве¬ществ и энергии, деление, движение и др.
Клетка эукариотов представлена двумя системами - цитоплазмой и ядром.
Цитоплазма состоит из различных органелл, которые можно классифицировать на: двухмембраные - митохондрии и пластиды; и одномембранные - эндоплазматическая сеть (ЭПС), Аппарат Гольджи, плазмалемма, тонопласты, сферосомы, лизосомы; немембранные - рибосомы, центросомы, гиалоплазма. Ядро состоит из ядерной оболочки (двухмембранной) и немембранных структур - хромосом, ядрышка и ядерного сока. Кроме того, в клетках имются различные включения.
Различия в строении клеток растений и животных
Между животными и растениями, несмотря на внешние различия, существует много общего. Сходство растительных и животных клеток обнаруживается на элементарном химическом уровне. Современными методами химического анализа в составе живых организмов обнаружено около 90 элементов периодической системы. На молекулярном уровне сходство проявляется в том, что во всех клетках найдены белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, витамины и т. д. Сходство и различия касаются и клеточного строения. В процессе эволюции, в связи с неодинаковыми условиями существования клеток представителей различных царств живых существ, возникло множество отличий. Сравним строение и жизнедеятельность клеток растений и животных. Главное отличие между клетками этих двух царств заключается в способе их питания. Клетки растений, содержащие хлоропласты, являются автотрофами, т. е. сами синтезируют необходимые для жизнедеятельности органические вещества за счет энергии света в процессе фотосинтеза. Клетки животных — гетеротрофы, т. е. источником углерода для синтеза собственных органических веществ для них являются органические вещества, поступающие с пищей. Эти же пищевые вещества, например углеводы, служат для животных источником энергии.
- Растения
1 Клетки имеют целлюлозную оболочку и пластиды, вакуоли наполнены клеточным соком.
2 Растения автотрофы, способные к фотосинтезу (из неорганических веществ создавать органические вещества).
3 Растения неподвижны (исключение: росянка, мимоза - свойственно движение отдельных частей организма).
4 Растения растут в течение всей своей жизни.
5 Таких органов и систем органов, как у животных, у растений нет. - Животные
1. Клетки лишены твердых оболочек, пластид, вакуолей.
2 Животные - гетеротрофы, способны питаться готовыми органическими веществами (но это не абсолютно - эвглена зеленая может фотосинтезировать на свету).
3 Животные передвигаются с помощью специальных органов: жгутиков, ресничек, конечностей. (Но некоторые ведут неподвижный образ жизни - это вторичное явление).
4 У животных рост происходит только на определенных стадиях развития.
5 В ходе эволюции возникли разнообразные органы и системы органов: движения, пищеварения, выделения, дыхания, кровообращения, нервная система и органы чувств.
Резкую границу между животными и растениями провести нельзя. Если высшие, сложно организованные животные и растения всегда резко отличаются друг от друга многими признаками, то их низшие формы, особенно одноклеточные животные и растения, нередко имеют черты сходства. Это свидетельствует об общности происхождения животных и растений.
Обмен веществ и энергии
На Земле проживает огромное множество живых существ. Для удобства их изучения исследователи классифицируют все организмы по различным признакам. По типу питания все живое оказывается разделенным на две большие группы - автотрофы и гетеротрофы. Кроме того, выделяется группа миксотрофов - это организмы, приспособленные к обоим типам питания.
Автотрофы - организмы, самостоятельно синтезирующие органические вещества из неорганических. В этой группе оказываются некоторые виды бактерий и почти все организмы, принадлежащие к царству растений. В ходе своей жизнедеятельности автотрофы утилизируют различные неорганические вещества, поступающие извне (углекислый газ, азот, сероводород, железо и другие), используя их в реакциях синтеза сложных органических соединений (в основном это углеводы и белки).
Живые существа способны использовать только два вида энергии – световую (энергию излучения Солнца) и химическую (энергию связей химических соединений, содержащихся в пище). Этот признак и разделил живые организмы на фототрофы (растительные организмы, живущие за счёт фотосинтеза) и хемотрофы (организмы, синтезирующие органические соединения из неорганических).
Способы питания
-
Хемотрофы
-
Серобактерии
-
Железобактерии
-
Нитрофицирующие бактерии
-
Хемосинтез
-
Хемосинтез
-
Значение Хемосинтеза
-
Гетеротрофы
Главное условие жизни организма в целом, так и отдельной клетки – обмен веществ с окружающей средой. Обмен веществ (метаболизм) - основное свойство живых организмов. На клеточном уровне метаболизм включает два процесса: ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). Эти процессы происходят в клетке одновременно.
Одни веществами поглощаются клетками, другие выделяются. Основу жизни составляет внутриклеточный обмен веществ и энергии. Энергия, выделяющаяся при химическом распаде, идет на поддержание жизнедеятельности клеток. В процессе биосинтеза поступающие в клетку простые вещества перерабатываются в ней в сложные органические соединения. Отработанные продукты — углекислый газ, воду и другие соединения — кровь выносит из клетки к почкам, легким и коже, которые выделяют их во внешнюю среду. В результате такого обмена веществ состав клеток постоянно обновляется: одни вещества в них образуются, другие разрушаются.
Клетки строятся из специфических белков, нуклеиновых кислот и других соединений. Процесс синтез этих веществ из чужеродных веществ пищи называется ассимиляцией (пластический обмен). Все реакции биосинтеза идут с поглощением энергии. Источником энергии для жизнедеятельности клетки является аденозинтрифосфорая кислота (АТФ), которая образуется при распаде органических веществ. Распад органических веществ называется диссимиляцией (энергетический обмен).
В клетке непрерывно идут процессы биологического синтеза. С помощью ферментов из простых веществ образуются сложные: из аминокислот синтезируются белки, из моносахаридов — углеводы, из азотистых оснований и сахаров- нуклеотиды, а из них- нуклеиновые кислоты. Совокупность реакций биосинтеза называется пластическим обменом. Процесс, противоположный синтезу, является диссимиляция, или энергетический обмен. При расщеплении сложных веществ выделяется энергия, необходимая для биологического синтеза. Эти процессы взаимосвязаны друг с другом и обеспечивают постоянство внутренней среды организма — гомеостаз.
Пластический обмен: фотосинтез как автотрофный тип обмена веществ
Пластический обмен (анаболизм, ассимиляция) – это совокупность реакций биологического синтеза. Все процессы метаболизма идут под контролем наследственного аппарата. Фотосинтез – это процесс, производимый некоторыми бактериями, микроорганизмами и зелёными частями растений, для химического преобразования органических веществ из неорганических веществ с помощью воздействия энергии света. В процессе фотосинтеза выделяется кислород из углевода, поглощённого из атмосферы. Сам процесс фотосинтеза впервые был обнаружен в 1770 году Джозефом Пристли. Своё название этот термина получил из двух древнегреческих слов, означающих «свет» и «совмещение». Фотосинтез у разных организмов проходит по-разному и имеет свои особенности. Так, высшие растения используют пигмент – хлорофилл, а бактерии – бактериохлорофилл. Причём у растений при данном преобразовании выделяется кислород, который затем попадает в атмосферу.
Фотосинтез — особый тип обмена веществ, происходящий в клетках растений и ряда бактерий, содержащих хлорофилл и хлоропласты. Фотосинтез — процесс образования органических веществ в хлоропластах из углекислого газа и воды с использованием энергии солнечного света. Суммарное уравнение фотосинтеза:
Хлорофилл — высокоактивное органическое вещество, зеленый пигмент, его роль в фотосинтезе: поглощение энергии солнечного света, которая используется для образования богатых энергией органических веществ из бедных энергией неорганических веществ — углекислого газа и воды.
Органоиды клетки — хлоропласты со множеством выростов на внутренней мембране, увеличивающих ее поверхность. Встроенные в мембраны гран молекулы хлорофилла и ферментов, необходимые для поглощения и преобразования энергии света, осуществления реакций фотосинтеза.
Выделяют 2 стадии фотосинтеза:
Световая стадия - образуются высокоэнергетические продукты: АТФ, служащий в клетке источником энергии, и НАДФН, использующийся как восстановитель. В качестве побочного продукта выделяется кислород. В общем, роль световых реакций фотосинтеза заключается в том, что в световую фазу синтезируются молекула АТФ и молекулы-переносчики протонов, то есть НАДФ Н2.Происходит в гранах хлоропластов.
Темновая фаза - с участием АТФ и НАДФН происходит восстановление CO2 до глюкозы (C6H12O6). Хотя свет не требуется для осуществления данного процесса, он участвует в его регуляции. Происходит в строме хлоропластов.
Хемосинтез – это процесс выработки органических веществ из неорганических веществ за счёт энергии, полученной в результате химической реакции окисления таких соединений, как: сероводород, водород, аммиак и т.д. Образующаяся при этом энергия запасается в форме аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Производится он бактериями, не содержащими хлорофиллы. Этот способ получения энергии - своего рода приспособление в тех местах, где солнечный свет, а значит и солнечная энергия, недоступны. Например, проявление хемосинтеза наблюдается на дне водоёма. Хемосинтез был открыт в 1887 году С.Н. Виноградским.
В качестве примера хемосинтеза рассмотрим окисление сероводорода. В водоемах, содержащих сероводород, живут бесцветные серобактерии. Энергию (Е), которая необходима для синтеза органических соединений из диоксида углерода, они получают в результате окисления сероводорода:
Свободная сера, выделяющаяся в результате этого, накапливается в клетках бактерий. Если сероводорода впоследствии не хватает, бесцветные серобактерии производят дальнейшее окисление содержащейся в них свободной серы до серной кислоты:
Образовавшаяся энергия ( E' ) также используется для осуществления синтеза органического вещества из диоксида углерода. В целом энергетический эффект окисления сероводорода до серной кислоты равен 666 кДж на каждый моль сероводорода (34 г).
Водородные бактерии – наиболее многочисленная и разнообразная группа хемосинтезирующих организмов; осуществляют реакцию
6H2 + 2O2 + CO2 = (CH2 O) + 5H2 O,
где (CH2 O) – условное обозначение образующихся органических веществ. По сравнению с др. автотрофными микроорганизмами характеризуются высокой скоростью роста и могут давать большую биомассу. Эти бактерии способны также расти на средах, содержащих органические вещества, т. е. являются микотрофными, или факультативно хемоавтотрофными бактериями. Близки к водородным бактериям карбоксидобактерии, окисляющие CO по реакции
25CO + 12O2 + H2 O + 24CO2 + (CH2O).
Тионовые бактерии окисляют сероводород, тиосульфат, молекулярную серу до серной кислоты. Некоторые из них (Thiobacillus ferrooxidans) окисляют сульфидные минералы, а также закисное железо. Способность к хемосинтезу у разнообразных водных серобактерий остаётся недоказанной.
Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитрита (1-я стадия нитрификации) и нитрит в нитрат (2-я стадия). В анаэробных условиях хемосинтез наблюдается у некоторых денитрифицирующих бактерий, окисляющих водород или серу, но часто они нуждаются в органическом веществе для биосинтеза (литогетеротрофия).
Энергетический обмен
Энергетический обмен — совокупность реакций окисления органических веществ в клетке, синтеза молекул АТФ за счет освобождаемой энергии. Значение энергетического обмена — снабжение клетки энергией, которая необходима для жизнедеятельности .
Этапы энергетического обмена
1) Подготовительный — расщепление в лизосомах полисахаридов до моносахаридов, жиров до глицерина и жирных кислот, белков до аминокислот, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Рассеивание в виде тепла небольшого количества освобождаемой при этом энергии;
2) Бескислородный (анаэробный гликолиз) или брожение — окисление веществ без участия кислорода до более простых, синтез за счет освобождаемой энергии двух молекул АТФ. Осуществление процесса на внешних мембранах митохондрий при участии ферментов; Процесс этот малоэффективный.
3) Кислородный — окисление кислородом воздуха простых органических веществ до углекислого газа и воды, образование при этом 36 молекул АТФ:
4) Окисление веществ при участии ферментов, расположенных на кристах митохондрий. Сходство энергетического обмена в клетках растений, животных, человека и грибов — доказательство их родства.
Митохондрии — «силовые станции» клетки, их отграничение от цитоплазмы двумя мембранами — внешней и внутренней. Увеличение поверхности внутренней мембраны за счет образования складок — крист, на которых расположены ферменты. Они ускоряют реакции окисления и синтеза молекул АТФ. Огромное значение митохондрий — причина большого количества их в клетках организмов почти всех царств.
Матричные синтезы
Генетический код
1. Гены, генетический код и его свойства
На Земле живет уже более 6 млрд людей. Если не считать 25—30 млн пар однояйцовых близнецов, то генетически все люди разные. Это означает, что каждый из них уникален, обладает неповторимыми наследственными особенностями, свойствами характера, способностями, темпераментом и многими другими качествами. Чем же определяются такие различия между людьми? Конечно различиями в их генотипах, т.е. наборах генов данного организма. У каждого человека он уникален, так же как уникален генотип отдельного животного или растения. Информация о первичной структуре белка закодирована в виде последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК – гене.
Ген – это единица наследственной информации организма. Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип.
Кодирование наследственной информации происходит с помощью генетического кода.
Генетический код был расшифрован в 1968 г. американскими учеными Р.Холи, Х.Корансом, М.Ниренбергом.
Свойства генетического кода
• Генетический код универсален для всех организмов и отличается лишь чередованием нуклеотидов, образующих гены, и кодирующих белки конкретных организмов.
• Код триплетен. Изначально он состоит из троек (триплетов) нуклеотидов ДНК, комбинирующихся в разной последовательности. Например, ААТ, ГЦА, АЦГ, ТГЦ и т.д.
• Код специфичен. Каждый триплет нуклеотидов кодирует определенную аминокислоту, которая будет встроена в полипептидную цепь. Так, например, триплет ЦГТ кодирует аминокислоту аланин, а триплет ААГ – аминокислоту фенилаланин.
• Код вырожден. Аминокислот 20, а возможностей для комбинаций четырех нуклеотидов в группы по три – 64. Следовательно, четырех нуклеотидов вполне достаточно, чтобы кодировать 20 аминокислот. Вот почему одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Часть триплетов вовсе не кодирует аминокислоты, а запускает или останавливает биосинтез белка. Они называются стоп – кодоны или нонсенс –кодон: УАА, УАГ, УГА
• Код неперекрещивается. Считывание информации с ДНК на и-РНК происходит триплетами нуклеотидов. Триплеты нуклеотидов и-РНК называются кодонами.
• Код однонаправлен. Считывание информации идет в одном направлении.
Собственно кодом считается последовательность нуклеотидов в молекуле и-РНК , ибо она снимает информацию с ДНК (процесс транскрипции) и переводит ее в последовательность аминокислот в молекулах синтезируемых белков (процесс трансляции). Именно кодонами и-РНК отражается генетический код в записи. Итак, генетический код триплетен, универсален для всех организмов на земле, вырожден (каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном).
Реакции матричного синтеза. К реакциям матричного синтеза относят репликацию ДНК, синтез и-РНК на ДНК (транскрипцию), и синтез белка на и-РНК (трансляцию ), а также синтез РНК или ДНК на РНК вирусов.
Репликация ДНК . Структура молекулы ДНК, установленная Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г., отвечала тем требованиям, которые предъявлялись к молекуле-хранительнице и передатчику наследственной информации. Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей. Эти цепи удерживаются слабыми водородными связями, способными разрываться под действием ферментов.
Молекула способна к самоудвоению (репликации), причем на каждой старой половине молекулы синтезируется новая ее половина. Кроме того, на молекуле ДНК может синтезироваться молекула и-РНК, которая затем переносит полученную от ДНК информацию к месту синтеза белка. Передача информации и синтез белка идут по матричному принципу, сравнимому с работой печатного станка в типографии. Информация от ДНК многократно копируется. Если при копировании произойдут ошибки, то они повторятся во всех последующих копиях. Правда, некоторые ошибки при копировании информации молекулой ДНК могут исправляться. Этот процесс устранения ошибок называется репарацией. Первой из реакций в процессе передачи информации является репликация молекулы ДНК и синтез новых цепей ДНК. Репликация – это процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый под контролем ферментов. На каждой из цепей ДНК, образовавшихся после разрыва водородных связей, при участии фермента ДНК-полимеразы синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, имеющиеся в цитоплазме клеток.
Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерним, что в норме и происходит при делении соматических клеток.
Биосинтез белка
Биосинтез белка – это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определенную последовательность аминокислот в белковых молекулах. Генетическая информация, снятая с ДНК и переведенная в код молекулы и-РНК, должна реализоваться, т.е. проявиться в признаках конкретного организма. Эти признаки определяются белками. Биосинтез белков происходит на рибосомах в цитоплазме. Именно туда поступает информационная РНК из ядра клетки. Если синтез и-РНК на молекуле ДНК называется транскрипцией, то синтез белка на рибосомах называется трансляцией – переводом языка генетического кода на язык последовательности аминокислот в белковой молекуле.
Транскрипция – это процесс снятия информации с молекулы ДНК, синтезируемой на ней молекулой и-РНК. Информационная РНК состоит из одной цепи и синтезируется на ДНК в соответствии с правилом комплементарности. Как и в любой другой биохимической реакции в этом синтезе участвует фермент. Он активирует начало и конец синтеза молекулы и-РНК.
Готовая молекула и-РНК выходит в цитоплазму на рибосомы, где происходит синтез полипептидных цепей. Процесс перевода информации, содержащейся в последовательности нуклеотидов и-РНК, в последовательность аминокислот в полипептиде называется трансляцией.
Аминокислоты доставляются к рибосомам транспортными РНК. Эти РНК имеют форму клеверного листа. На конце молекулы есть площадка для прикрепления аминокислоты, а на вершине – триплет нуклеотидов, комплементарный определенному триплету – кодону на и-РНК. Этот триплет называется антикодоном. Ведь он расшифровывает код и-РНК. В клетке т-РНК всегда столько же, сколько кодонов, шифрующих аминокислоты.
Рибосома движется вдоль и-РНК, смещаясь при подходе новой аминокислоты на три нуклеотида, освобождая их для нового антикодона. Аминокислоты, доставленные на рибосомы, ориентированы по отношению друг к другу так, что карбоксильная группа одной аминокислоты оказывается рядом с аминогруппой другой аминокислоты. В результате между ними образуется пептидная связь. Постепенно формируется молекула полипептида.Синтез белка продолжается до тех пор, пока на рибосоме не окажется один из трех стоп-кодонов – УАА, УАГ, или УГА.
После этого полипептид покидает рибосому и направляется в цитоплазму. На одной молекуле и-РНК находятся несколько рибосом, образующих полисому. Именно на полисомах и происходит одновременный синтез нескольких одинаковых полипептидных цепей.
Каждый этап биосинтеза катализируется соответствующим ферментом и обеспечивается энергией АТФ.
Биосинтез происходит в клетках с огромной скоростью. В организме высших животных в одну минуту образуется до 60 тыс. пептидных связей.
Деление клетки
Строение хромосом
Хромосомы – структуры клетки, хранящие и передающие наследственную информацию. Хромосома состоит из ДНК и белка. Комплекс белков, связанных с ДНК, образует хроматин. Белки играют важную роль в упаковке молекул ДНК в ядре. Строение хромосомы лучше всего видно в метафазе митоза. Она представляет собой палочковидную структуру и состоит из двух сестринских хроматид, удерживаемых центромерой в области первичной перетяжки. Диплоидный набор хромосом организма называется кариотипом . Под микроскопом видно, что хромосомы имеют поперечные полосы, которые чередуются в различных хромосомах по-разному. Распознают пары хромосом, учитывая распределение, светлых и темных полос (чередование АТ и ГЦ – пар). Поперечной исчерченностью обладают хромосомы представителей разных видов. У родственных видов, например у человека и шимпанзе, сходный характер чередования полос в хромосомах. Каждый вид организмов обладает постоянным числом, формой и составом хромосом. В кариотипе человека 46 хромосом – 44 аутосомы и 2 половые хромосомы. Мужчины гетерогаметны (половые хромосомы ХУ), а женщины гомогаметны (половые хромосомы XX). У-хромосома отличается от Х-хромосомы отсутствием некоторых аллелей. Например, в У-хромосоме нет аллеля свертываемости крови. В результате гемофилией болеют, как правило, только мальчики. Хромосомы одной пары называются гомологичными. Гомологичные хромосомы в одинаковых локусах (местах расположения) несут аллельные гены.
Биологическое значение деления клеток
Новые клетки возникают в результате деления уже существующих. Если делится одноклеточный организм, то из него образуются два новых. Многоклеточный организм также начинает свое развитие чаще всего с одной-единственной клетки. Путем многократных делений образуется огромное количество клеток, которые и составляют организм. Деление клеток обеспечивает размножение и развитие организмов, а значит, непрерывность жизни на Земле.
Период жизни клетки от момента её рождения в результате деления материнской клетки до следующего деления или смерти называется жизненным (клеточным) циклом клетки.
В течение этого цикла каждая клетка растет и развивается таким образом, чтобы успешно выполнять свои функции в организме. Далее клетка функционирует определенное время, по истечении которого либо делится, образуя дочерние клетки, либо погибает.
Клеточный цикл
Клеточный цикл способных к размножению клеток включает две стадии:
- интерфазу (стадия между делениями, интеркинез);
- период деления (митоз).
Интерфаза - фаза в жизненном цикле между двумя делениями клетки. Она характеризуется активными процессами обмена веществ, синтезом белка, РНК, накоплением питательных веществ клеткой, ростом и увеличением объема.
В интерфазе происходит подготовка клетки к делению – синтез различных веществ, но главным является удвоение ДНК. По продолжительности она составляет большую часть жизненного цикла. Интерфаза состоит из 3–х периодов:
1) Предсинтетический – G1 (джи один) – наступает сразу после окончания деления. Клетка растет, накапливает различные вещества (богатые энергией), нуклеотиды, аминокислоты, ферменты. Готовится к синтезу ДНК. Хромосома содержит 1 молекулу ДНК (1 хроматида).
2) Синтетический – S происходит удвоение материала – репликация молекул ДНК. Усиленно синтезируется белки и РНК. Происходит удвоение числа центриолей.
3) Постсинтетический G2 – предмитотический, продолжается синтез РНК. Хромосомы содержат 2 свои копии – хроматиды, каждая из которых несет по 1-ой молекуле ДНК (двунитевидная). Клетка готова к делению хромосома спирализуется.
Рост организма осуществляется за счет деления его клеток. Способность к делению - важнейшее свойство клеточной жизнедеятельности. Делясь, клетка удваивает все свои структурные компоненты, и в результате возникают две новые клетки. Наиболее распространенным способом деления клетки является митоз - непрямое деление клетки.
Митоз — это процесс непрямого деления соматических клеток эукариот. Митоз - процесс образования двух дочерних клеток, идентичных исходной материнской клетке. Он является основным способом деления клеток эукариот. Он обеспечивает возобновление клеток в процессе их старения. Продолжительность митоза у животных клеток составляет 30—60 мин, а у растительных — 2—3 ч. Митоз состоит из четырех последовательных фаз:
1.Профаза - образование хромосом с двумя хроматидами, разрушение ядерной оболочки.
2.Метофаза-образование веретена деления, укорочение хромосом, формирование экватериальной клетки
3.Анафаза- разделение хроматид, расхождение их к полюсам вдоль волокон веретена деления
4.Телофаза- Исчезновение веретена деления, образование ядерных мембран, диспирализация хромосом.
После фазы G2 наступает митоз, который в свою очередь состоит из нескольких стадий и завершается цитокинезом (делением клетки).
В итоге митоза образуется 2 одинаковые диплоидные клетки.
+ Кариокенез- это деление ядра
+Цитокенез- это деление цитоплазмы и самой клетки. Клеточная мембрана в центральной части клетки втягивается внутрь. Образуется борозда деления, по мере углубления которой клетка раздваивается. В результате митоза образуются два новых ядра с идентичными наборами хромосом, точно копирующими генетическую информацию материнского ядра.
Амитоз - это прямое деление ядра в реультате которого образуется клетка с двумя ядрами, такой тип характерен для клеток мышц и соединительных тканей. Амитоз – встречается редко, особенно у стареющих клеток или при патологических состояниях (репарация тканей), ядро остаётся в интефазном состоянии, хромосомы не сперализуются. Ядро делится путем перетяжки. Цитоплазма может и не делится, тогда образуются двуядерные клетки.
Это необходимо для полноценной организации работы клетки. Если вдруг такая клетка разделится, то новые клетки будут содержать неполный генетический набор, что приведет к их гибели или сделает патогеном.
Глоссарий
- Автотрофы - организмы, способные самостоятельно создавать питательные вещества.
- Азотофиксирующие бактерии (клубеньковые) - бактерии, поселившиеся на корнях бобовых растений, способные поглощать азот из воздуха.
- Бактерии - просто устроенные микроскопические, чаще одноклеточные организмы
- Биосфера - область распространения жизни.
- Вакуоль - органоид растительной клетки, заполненный клеточным соком с запасом питательных веществ (ЗПВ).
- Газообмен - обмен газов между окружающей средой и внутренней средой организма.
- Гетеротрофы - организмы, поглощающие готовые питательные вещества извне.
- Дыхание - поглощение кислорода и выделения углекислого газа
- Индивидуальное развитие - развитие от зиготы до естественной смерти
- Клетка - структурная и функциональная единица живого.
- Клеточный цикл — это период существования клетки от момента её образования путем деления материнской клетки до собственного деления или гибели.
- Лейкопласты - бесцветные пластиды.
- Микроскоп - сложный увеличительный прибор с разрешающей способностью 300-400 раз (световой), 3500-4000 раз.
- Оболочка - особая часть клетки, придающая прочность, защищающая клетку (у растений состоит из целлюлозы).
- Органоиды - особые структуры цитоплазмы, выполняющие определенные функции и имеющие определенное местоположение.
- Паразиты - организмы, питающиеся питательными веществами живых организмов.
- Пигменты - красящие вещества.
- Питание - поступление питательных веществ (ПВ) в организм.
- Пластиды-органоиды растительных клеток, отвечающие за фотосинтез (зеленые и красные) или запасающие питательные вещества (бесцветные).
- Прокариоты - организмы, не имеющие оформленного ядра.
- Развитие - качественные изменения организмов.
- Раздражимость - реакция организма на изменения окружающей среды.
- Размножение - увеличение численности особей (организмов).
- Рост - увеличение размеров тела (количественные изменения).
- Сапротрофы - организмы, получающие органические вещества из отмерших организмов или выделений живых организмов.
- Симбиоз - взаимополезное совместное существование организмов.
- Среды обитания - водная, наземно-воздушная, почвенная и среда образуемая самыми живыми организмами
- Фотопериодизм - соотношение продолжительности светлого и темного времени суток
- Фотосинтез - процесс образования органических веществ в зеленых частях растений при помощи света из углекислого газа и воды, выделяя при этом кислород.
- Хлоропласты - зеленые пластиды.
- Хлорофилл - зеленый пигмент хлоропластов.
- Хромопласты - красные и желтые пластиды.
- Хромосомы - особые уплотненные структуры ядра несущие информацию об организме.
- Цитология - наука о строении и функционировании клеток.
- Цитоплазма - особая часть клетки, состоящая из жидкого вязкого вещества с погруженными органоидами.
- Цитоплазматическая мембрана - особая часть клетки, выполняющая избирательный транспорт веществ.
- Экология - наука об отношениях организмов между собой и окружающей их средой.
- Эукариоты - организмы, имеющие оформленное ядро.
- Ядро - особая часть клетки, отвечающая за хранение и передачу информации об организме.
Полезные ссылки
- Метаболизм клетки http://5biologiya.net/stroenie-kletki/Strukturnye-komponenty-kletki/004-Metabolizm.html (дата обращения 15.08.18)
- http://cleverpenguin.ru/metabolizm-kletki (дата обращения 15.08.18)
- class="biblio"|
- Изучаем биологию http://bio9klass.blogspot.ru/2012/12/blog-post_8664.html (дата обращения 15.08.18)
- Строение клетки https://interneturok.ru/biology/9-klass/bkletochnyj-urovenb/stroenie-kletki-2 (дата обращения 15.08.18)
- Видеоролики по клетке http://biology-online.ru/video/obschaja-biologija/kletka-kletochnaja-teorija (дата обращения 15.08.18)
Библиография
- https://quizlet.com/79526323/6-flash- cards/ термины (дата обращения: 06.04.2018)
- https://infourok.ru/testi-po- obschey-biologii- 964854.html тесты (дата обращения: 06.04.2018)
Хромосомы состоят из хроматина — соединения ДНК и белков (гистонов). Этот комплекс имеет сложную пространственную конфигурацию. Характер соединения (упаковка) в хромосоме одной очень длинной молекулы ДНК (длина ее достигает сотен и даже тысяч микрометров) и многочисленных, сравнительно компактных молекул белков до конца еще не выяснен. Предполагают, что цепочка из многих молекул белков находится всередине, а ДНК закручена вокруг в виде спирали.
Помимо этих двух основных соединений в хроматине обнаружено небольшое количество РНК, липидов и некоторые соли. Постоянство количества ДНК в ядре. У каждого вида растений и животных в ядре клетки содержится строго определенное и постоянное количество ДНК. У разных видов организмов содержание ДНК значительно отличается. Например, в одном ядре гаплоидной клетки морского ежа содержится 0,9х10 -9 мг ДНК, у карпа – 1,64х10 -9 , петуха – 1,26х10 -9 , быка – 3,42х10 -9 , человека – 3,25х10 -9 мг. У некоторых растений эти цифры выше. У лилии в гаплоидной клетке содержится 58,0х10 -9 г мг ДНК.
В ядрах всех соматических (диплоидных) клеток каждого вида организмов содержание ДНК тоже является величиной постоянной и в два раза превосходящей количество ДНК в гаплоидных клетках этого вида.
Еще более важным является специфичность нуклеотидного состава ДНК. Советский ученый академик А.Н.Белозерский установил, что ДНК, выделенная из разных тканей одного организма, имеет одинаковый нуклеотидный состав. Он не зависит от возраста организма и влияния внешней среды. В то же время у ДНК, выделенной из клеток разных видов азотистые основания содержатся в различных соотношениях.
Генетический анализ
Генетический анализ ДНК, также известный как ДНК - генеалогическое тестирование - это исследование специфических нуклеотидов, присутствующих в определенных участках цепи ДНК человека. Он проводится для целей генеалогии, которая определяет степень генетического родства между людьми. Короче говоря, этот анализ поможет узнать, кто является предком или потомком конкретного человека.
Для проведения генетического анализа берут образец клеток из ротовой полости. После чего определяют ДНК. Готовые результаты сравнивают с результатами исследования клеток, взятых у родственников (в том числе, и умерших), родство с которыми нужно подтвердить.
Наиболее распространен ДНК-тест Y-хромосомы. Этот тест проводится для определения родства представителей мужского пола. Эта хромосома может передаваться только от отца к сыну.
Причины проведения генетического анализа ДНК
Генетический анализ ДНК чаще всего проводится для определения генетического родства между людьми. Это нужно при подтверждении принадлежности к конкретному генеалогическому древу, а также, к этнической истории своих предков. Кроме того, он может быть использован для медицинских нужд (при выявлении генетических болезней).
ДНК. Чем отличается мужчина от женщины?
Ученые расшифровали хромосому, отвечающую за различия между мужчинами и женщинами и хранящую секреты по крайней мере 300 наследственных болезней. Х-хромосома могла бы детально раскрыть механизм, стоящий за олигофренией, аутизмом, дальтонизмом, дисторфией и множеством других заболеваний.
Гемофилия, наследственное заболевание, связанное с генами Х-хромосомы, сыграла свою роль в русской революции 1917 года. Другие связанные с Х-хромосомой гены влияют на возникновение подагры, ожирения, слепоты, глухоты, анемии, волчьей пасти, эпилепсии, лейкемии и бесплодия, оказывая тем самым воздействие на жизни миллионов людей.
Х-хромосома, возможно – я бы даже сказал, наверняка, – самая необычайная составляющая генома человека в том, что касается наследования, уникальности биологии, и в том, что связано с наследственными болезнями – говорит профессор Марк Росс из британского института Wellcome Trust Sanger, который возглавлял группу британских исследователей, проанализировавших 155 млн записей кодов ДНК, содержащего более 1100 генов.
Человек наследует 22 пары хромосом, по одной хромосоме в паре от каждого родителя. Только у женщин это две Х-хромосомы, а у мужчин – одна Х-хромосома и одна Y-хромосома. Если Х-хромосома мужчины подвергается мутациям, то мужчина, являющийся носителем такой хромосомы, оказывается перед большим риском, потому что у него она в одном варианте.
Возможно, раньше Y-хромосомы были почти идентичны Х-хромосомам. Генетики сейчас рассматривают Y-хромосому как этакую бедную родственницу с небольшим количеством оставшихся генов. А вот исследования X-хромосом поможет бросить свет на эволюцию пола в истории развития млекопитающих, насчитывающую 300 млн лет. Уже получено объяснение того, почему наследственные заболевания чаще встречаются у мальчиков, чем у девочек. Благодаря установлению генетического механизма около 300 наследственных заболеваний уже действует консультационная помощь, а вскоре, возможно, будут созданы лекарства для таких заболеваний, как псевдогипертрофическая миопатия Дюшенна.
X-хромосома играла ключевую роль в генетике человека на ранних этапах, потому что мы могли четко проследить, как мутации вызывают болезни – говорит Дэвид Бентли, тоже представляющий институт Sanger.
С X-хромосомой связаны многие другие наследственные состояния, для которых еще не был установлен ген, их провоцирующий. Теперь, используя полную расшифровку, мы можем найти эти гены. Эти открытия окажут сильнейшее влияние на понимание фундаментальных биологических процессов
Одним из первых заболеваний, которое связали с X-хромосомой, была гемофилия, при которой кровь теряет способность к свертыванию. Российский царский дом получил эту болезнь через дочь королевы Виктории. Сын последнего русского царя царевич Алексей страдал гемофилией. Тревога за него его родителей вынудила их завязать тесные отношения с Распутиным, что, как думают некоторые, способствовало революционной ситуации и в итоге привело к революции и падению дома Романовых.
Ученые уже идентифицировали 168 из 300 генетических заболеваний, связанных с X- хромосомой. Шесть из них влияют на зрение. Другие заболевания затрагивают слух, кожу, почки, мышцы, суставы, нервную систему, лицо, сердце и кровеносную систему. Существует по крайней мере шесть связанных с X-хромосомой болезней иммунной системы и семь болезней, связанных с обменом веществ.
Полная расшифровка генетического кода позволит ученым впервые начать исследование механизма, стоящего за развитием олигофрении, сильной генной мутации, которая приводит к слабоумию у детей, опять-таки, в основном, у мальчиков. Имеющиеся данные уже активно используются для консультаций будущих родителей.
Генетический анализ родословной
На основе тщательно составленной родословной можно определить:
- тип наследования (аутосомно-доминантный, аутосомно-рецессивный, сцепленный сполом и т. д.;
- генотип многих лиц родословной (касательно определённого гена);
- вероятность рождения детей с наследственным дефектом;
- выявить гетерозиготных носителей мутантного гена.
При анализе родословных вначале устанавливают наследственный характер признака. Если в родословной встречается один и тот же признак (болезнь) несколько раз в разных поколениях, то можно предположитьего наследственную природу, за исключением фенокопий (если патогенный фактор влиял на женщину в течение всех её беременностей). В случае фенокопий нужно помнить, что те же самые профессиональные вредности и внешние факторы вызывают подобные заболевания у членов одной семьи. Если необходимо определить количественные отношения при расщеплении, (т.е. определить генотип членов родословной), то анализируют несколько сходных родословных.
Затем необходимо установить тип наследования признака (или болезни). Известно, что разные признаки организма, а также многие болезни могут быть обусловлены как доминантными, так и рецессивными генами, а также генами, сцепленными с полом. Поэтому, вероятность проявления того или иного признака в потомстве будет разная в зависимости от типа наследования.
Для определения типа наследования анализируют родословную, учитывая следующиемоменты:
- встречается ли изучаемый признак во всех поколениях и многие ли члены родословнойобладают им;
- одинакова ли его частота у лиц обоих полов и у лиц какого пола он встречается чаще;
- лицам какого пола передается признак от больного отца или больной матери;
- есть ли в родословной семьи, в которых у обоих здоровых родителей рождались больные дети, или у обоих больных родителей рождались здоровые дети;
- какая часть потомства имеет наследуемый признак в семьях, где болен один изродителей.
В зависимости от локализации мутантных генов (в аутосоме или в половой хромосоме - гетерохромосоме) и особенностей генных взаимодействий (доминантность, рецессивность и др.) различают такие важнейшие типы наследования моногенных признаков (в том числе и наследственных болезней) у человека:
