Обмін речовин і перетворення енергії в клітині
Всі живі організми на Землі є відкриті системи, здатні активно організовувати надходження енергії і речовини ззовні. Енергія необхідна для здійснення життєво важливих процесів, але перш за все для хімічного синтезу речовин, що використовуються для побудови і відновлення структур клітини і організму. Живі істоти здатні використовувати тільки два види енергії: світлову (енергію сонячного випромінювання) і хімічну (енергію зв'язків хімічних з'єднанні) - за цією ознакою організми діляться на дві групи - фототрофи і хемотрофи.
Головним джерелом структурних молекул є вуглець. Залежно від джерел вуглецю живі організми ділять на дві групи: автотрофи, використовують не органічний джерело вуглецю (діоксид вуглецю), і гетеротрофи, що використовують органічні джерела вуглецю.
Процес споживання енергії і речовини називається харчуванням. Відомі два способи харчування: голозойним - за допомогою захоплення частинок їжі всередину тіла і голофітний - без захоплення, за допомогою всмоктування розчинених харчових речовин через поверхневі структури організму. Харчові речовини, що потрапили в організм, залучаються до процесів метаболізму.
Метаболізм являє собою сукупність взаємопов'язаних і збалансованих процесів, що включають різноманітні хімічні перетворення в організмі. Реакції синтезу, що здійснюються з споживанням енергії, становлять основу анаболізму (пластичного обміну або асиміляції).
Реакції розщеплення, що супроводжуються вивільненням енергії, становлять основукатаболізма (енергійного обміну або дисиміляції).
1. Значення АТФ в обміні речовин
Енергія, що вивільняє при розпаді органічних речовин, не відразу використовується клітиною, а запасається у формі високоенергетичних сполук, як правило, у формі аденозинтрифосфату (АТФ). За своєю хімічною природою АТФ відноситься до мононуклеотидів і складається з азотистої основи аденіну, вуглеводу рибози і трьох залишків фосфорної кислоти.
Енергія, що вивільняється при гідролізі АТФ, використовується клітиною для здійснення всіх видів роботи. Значні кількості енергії витрачаються на біологічні синтези. АТФ є універсальним джерелом енергозабезпечення клітини. Запас АТФ в клітині обмежений і поповнюється завдяки процесу фосфорилювання, що відбувається з різною інтенсивністю при диханні, бродінні і фотосинтезі. АТФ оновлюється з надзвичайною швидкістю (у людини тривалість життя однієї молекули АТФ менш 1 хвилини).
2. Енергетичний обмін в клітині. синтез АТФ
Синтез АТФ відбувається в клітинах всіх організмів в процесі фосфорилювання, тобто приєднання неорганічного фосфату до АДФ. Енергія для фосфорилювання АДФ утворюється в ході енергетичного обміну. Енергетичний обмін, або дисиміляція, являє собою сукупність реакції розщеплення органічних речовин, що супроводжуються виділенням енергії. Залежно від місця існування дисиміляція може протікати в два або три етапи.
У більшості живих організмів - аеробів, які живуть в кисневому середовищі, - в ході дисиміляції здійснюється три етапи: підготовчий, безкисневому, кисневий. У анаеробів, що мешкають в середовищі без кисню, або у аеробів при його нестачі, дисиміляція протікає лише в два перші етапи з утворенням проміжних органічних сполук, ще багатих енергією.
Перший етап - підготовчий - залежить від ферментативном розщепленні складних органічних поєднанні на більш прості (білків на амінокислоти; полісахаридів на моносахариди; нуклеїнових кислот на нуклеотиди). Внутрішньоклітинний розщеплення органічних речовин відбувається під дією гідролітичних ферментів лізосом. Вивільняється при цьому енергія розсіюється у вигляді теплоти, а утворюються малі органічні молекули можуть піддадуться подальшому розщеплення і використовуватися клітиною як «будівельний матеріал» для синтезу власних органічних сполук.
Другий етап - неповне окислення - здійснюється безпосередньо в цитоплазмі клітини, в присутності кисню не потребує і полягає в подальшому розщепленні органічних субстратів. Головним джерелом енергії в клітині є глюкоза. Бескислородное, неповне розщеплення глюкози, називають гликолизом.
Третій етап - повне окислення - протікає при обов'язковому участь кисню. В його результаті молекула глюкози розщеплюється до неорганічної діоксиду вуглецю, а вивільнена при цьому енергія частково витрачається на синтез АТФ.
3. Пластичний обмін
Пластичний обмін, або асиміляція, є сукупність реакцій, що забезпечують синтез складних органічних сполук у клітині. Гетеротрофні організми будують власні органічні речовини з органічних компонентів їжі. Гетеротрофну асиміляція зводиться, по суті, до перебудови молекул.
Органічні речовини їжі (білки, жири, вуглеводи) -> травлення -> Прості органічні молекули (амінокислоти, жирні кислоти, моносахара) -> біологічні синтези -> Макромолекули тіла (білки, жири, вуглеводи)
Автотрофні організми здатні повністю самостійно синтезувати органічні речовини з неорганічних молекул, споживаних із зовнішнього середовища. В процесі автотрофної асиміляції реакції фото- і хемосинтезу, що забезпечують освіту простих органічних сполук, передує біологічним синтезам молекул макромолекул:
Неорганічні речовини (вуглекислий газ, вода) -> фотосинтез, хемосинтез -> Прості органічні молекули (амінокислоти, жирні кислоти, моносахара) ----- біологічні синтези -> Макромолекули тіла (білки, жири, вуглеводи)
Фотосинтез - синтез органічних поєднанні з неорганічних, що йде за рахунок енергії клітини. Провідну роль в процесах фотосинтезу грають фотосинтезуючі пігменти, що володіють унікальною властивістю - вловлювати світло і перетворювати його енергію в хімічну енергію. Фотосинтезирующие пігменти є досить численну групу білково-подібних речовин. Головним і найбільш важливим в енергетичному плані є пігментхлорофілл а. зустрічаються у всіх фототрофов, крім бактерії-фотосинтетиков. Фотосинтезирующие пігменти вбудовані у внутрішню мембрану пластид у еукаріот або під впячивания цитоплазматичної мембрани у прокаріот.
В процесі фотосинтезу крім моносахаридов (глюкоза та ін.), Які перетворюються в крохмаль і запасаються рослиною, синтезуються мономери інших органічних поєднанні - амінокислоти, гліцерин і жирні кислоти. Таким чином, завдяки фотосинтезу рослинні, а точніше - хлорофіллосодержащіе, клітини забезпечують себе і все живе на Землі необхідними органічними речовинами і киснем.
Хемосинтез також являє собою процес синтезу органічних поєднанні з неорганічних, але здійснюється він не за рахунок енергії світла, а за рахунок хімічної енергії, одержуваної при окисленні неорганічних речовин (сірки, сірководню, заліза, аміаку, нітриту і ін.). Найбільше значення мають нитрифицирующие, залізо і серобактерии.
Вивільняється в ході реакцій окислення енергія запасається бактеріями у вигляді АТФ і використовується для синтезу органічних сполук. Хемосинтезирующие бактерії відіграють дуже важливу роль в біосфері. Вони беруть участь в очищенні стічних вод, сприяють накопиченню в грунті мінеральних речовин, підвищують родючість грунту.
ДНК -біополімер, мікро молекула, полинуклеотид, -маномер-нуклеотид Азотисті основи-дезоксирибоза-залишок фосфорної кислоти Азотисті підстави: аденін, тимін, гуанін, цитозин -двуцепочечное будова РНК -біополімер, макромолекула, полинуклеотид, -маномер-нуклеотид Азотисті основи-Рибоза -залишок фосфорної кислоти Азотисті підстави: аденін, урацил, гуанін, цитозин. Молекула РНК одноцепоченная. Функції: ДНК зберігання генетичної інформації РНК передача генетичної иформации
Іформаціонной РНК, несуча відомості про первинну структуру білкових молекул, синтезується в ядрі. Пройшовши через пори ядерної оболонки, і-РНК направляється до рибосом, де здійснюється розшифровка генетичної інформації - переведення її з Уязика нуклеотидів на Уязик амінокислот.
Амінокислоти, з яких синтезуються білки, доставляються до рибосом за допомогою спеціальних РНК, званих транспортними (т-РНК). У т-РНК послідовність трьох нуклеотидів комплементарна нуклеотидам кодону в і-РНК. Така послідовність нуклеотидів в структурі т-РНК називається антикодоном. Кожна т-РНК приєднує певну, зрозумію амінокислоту, за допомогою ферментів і з витратою АТФ. У цьому полягає перший етап синтезу.
Для того щоб амінокислота включилася в ланцюг білка, вона повинна відірватися від т-РНК. На другому етапі синтезу білка т-РНК виконує функцію перекладача з Уязика нуклеотидів на Уязик амінокислот. Такий переклад відбувається на рибосомі. У ній є дві ділянки: на одному т-РНК отримує команду від і-РНК - антикодон дізнається кодон, на іншому - виконується наказ - амінокислота відривається від т-РНК.
Третій етап синтезу білка полягає в тому, що фермент синтетаза приєднує оторвавшуюся від т-РНК амінокислоту до зростаючої білкової молекулі. Інформаційна РНК безперервно ковзає по рибосоме, кожен триплет спочатку потрапляє в першу ділянку, де впізнається антикодоном т-РНК, потім на другу ділянку. Сюди ж переходить т-РНК з приєднаною до неї амінокислотою, тут амінокислоти відриваються від т-РНК і з'єднуються один з одним в тій послідовності, в якій триплети слідують один за іншим.
Коли на рибосомі в першій ділянці виявляється один з трьох кодонів, що є знаками пунктуації між генами, це означає, що синтез білка завершено. Готова ланцюг білка відходить від рибосоми. Процес синтезу білкової молекули вимагає великих витрат енергії. На з'єднання кожної амінокислоти з т-РНК витрачається енергія однієї молекули АТФ.
Для збільшення виробництва білків і-РНК часто одночасно проходить не через одну, а через кілька рибосом послідовно. Таку структуру, об'єднану однією молекулою і-РНК, називають полисомой. На кожній рибосоме в такому, схожому на нитку бус, конвеєрі послідовно синтезуються кілька молекул однакових білків.
Синтез білка на рибосомах носить назву трансляції. Синтез білкових молекул відбувається безперервно і йде з великою швидкістю: в одну хвилину утворюється від 50 до 60 тис. Пептидних зв'язків. Синтез однієї молекули білка триває всього 3-4 секунди. Кожен етап біосинтезу каталізується відповідними ферментами і забезпечується енергією за рахунок розщеплення АТФ. Синтезовані білки надходять в канали ендоплазматичної мережі, по яких транспортуються до певних ділянок клітини.
Рослинна клітина як осмотична система
Рослинна клітина являє собою осмотичну систему. Клітинний сік вакуолі є висококонцентрованим розчином. Осмотичний тиск клітинного соку позначається -.
Щоб потрапити в вакуоль, вода повинна пройти через клітинну стінку, плазмалему, цитоплазму і тонопласт. Клітинна стінка добре проникна для води. Плазмалемма і тонопласт володіють виборчої проникністю. Тому рослинну клітину можна розглядати як осмотичну систему, в якій плазмалемма і тонопластявляются напівпроникною мембраною, а вакуоль з клітинним соком - концентрованим розчином. Тому, якщо клітину помістити в воду, то вода по законам осмосу почне надходити всередину клітини.
Сила, з якою вода надходить всередину клітини, називається смокче силою - S.
Вона тотожна водного потенціалу.
У міру надходження води в вакуоль, її обсяг збільшується, вода розбавляє клітинний сік, і клітинні стінки починають відчувати тиск. Клітинна стінка має певну еластичність і може розтягуватися.
Зі збільшенням обсягу вакуолі цитоплазма притискається до клітинної стінки і виникає тургорное тиск на клітинну стінку (Р). Одночасно з боку клітинної стінки виникає рівне за величиною засунений клітинної стінки на протопласт. Протитиск клітинної стінки називається потенціалом тиску (Р).
Таким чином, величина сили, що смокче S визначається осмотичним тиском клітинного соку і тургорного гідростатичним тиском клітини Р, що дорівнює протіводавленію клітинної стінки, що виникає при її розтягуванні Р.
Якщо рослина перебуває в умовах достатньої зволоженості грунту і повітря, то клітини знаходяться в стані повного тургору. Коли клітина повністю насичена водою (тургесцентна), то її сосущая сила дорівнює нулю S = 0, а тургорное тиск одно потенційному осмотичного тиску Р =.
При нестачі вологи в грунті спочатку виникає водний дефіцит в клітинній стінці. Водний потенціал клітинної стінки стає нижче, ніж в вакуолях, і вода починає переміщатися з вакуолі в клітинну стінку. Відтік води з вакуолі знижує тургорное тиск в клітинах і збільшує їх ссуть силу. При тривалому нестачі вологи більшість клітин втрачає тургор, і рослина починає в'януть, втрачаючи еластичність і пружність. При цьому тургорное тиск Р = 0, а сосущая сила S =
Якщо через дуже велику втрату води тургорное тиск впаде до нуля, то лист зів'яне зовсім. Подальша втрата води приведе до загибелі протопласта клітин. Пристосувальним ознакою до різкої втрати води є швидке закриття продихів при нестачі вологи.
Клітини можуть швидко відновити тургор, якщо рослина отримає достатню кількість води або в нічний час, коли рослина отримує достатню кількість води з грунту. А також при поливі.
- - водний потенціал; дорівнює 0 для чистої води; дорівнює 0 або негативний для клітин.
- осмотический потенціал, завжди негативний
- потенціал тиску; зазвичай позитивний для в живих клітинах (в клітинах, вміст яких знаходиться під тиском, але негативний у клітках ксилеми (в яких створюється натяг води).
- сумарний результат дії
При повному тургоре
При початковому Плазмоліз
Якщо помістити клітку в гіпертонічний розчин з більш низьким водним потенціалом, то вода починає виходити з клітини шляхом осмосу через плазматичну мембрану. Спочатку вода буде виходити з цитоплазми, потім через тонопласт з вакуолі. Живе вміст клітини - протопласт при цьому зморщується і відстає від клітинної стінки. Відбувається процес плазмолізу. Простір між клітинною стінкою і протопластом заповнює зовнішній розчин. Така клітина називаетсяплазмолізірованной. Вода буде виходити з клітки до тих пір, поки водний потенціал протопласта не стане дорівнює водному потенціалу навколишнього розчину, після чого клітина перестає зморщуватися. Цей процес звернемо і клітина не отримує ушкоджень.
Якщо клітку помістити в чисту воду або гіпотонічний розчин, то тургорное стан клітини відновиться і відбувається процес деплазмолізу.
В умовах водного дефіциту в молодих тканинах різке посилення втрати води призводить до того, що тургорное тиск клітини стає негативним і протопласт, скорочуючись в обсязі, не відділяється від клітинної стінки, а тягне її за собою. Клітини і тканини стискаються. Це явище називається ціторріз.