3. Фотосинтез

По типу ассимиляции все клетки делят на две группы — автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные клетки способны к самостоятельному синтезу органических соединений за счет углекислого газа, воды и энергии света или энергии химических связей (зеленые растения и некоторые бактерии). Гетеротрофные клетки не могут синтезировать органические вещества из неорганических, они их получают извне в виде пищи (животные, грибы, большая часть бактерий, некоторые высшие растения — подъельник, заразиха, омела).

Фотосинтез — процесс образования органических соединений из диоксида углерода и воды с использованием энергии света. Свет улавливается хлорофиллом-а, встроенным во внутреннюю мембрану пластид у эукариот или в складки цитоплазматической мембраны прокариот.

Фотосинтез подразделяется на световую и темновую фазы. Световая фаза — это этап, на котором энергия света, поглощенная хлорофиллом, преобразуется в электрохимическую энергию в цепи переноса электронов. Осуществляется на свету, в мембранах гран при участии белков-переносчиков и АТФ-синтетазы.

Реакции световой фазы:

• Возбуждение электронов хлорофилла квантами света и переход их на более высокий уровень.

• Фотолиз воды, происходящий при участии квантов света:

2Н₂0 ═ 4Н* + 4е + 0₂.

• Протоны накапливаются в Н⁺-резервуаре внутри граны. Их накопление на внутренней стороне мембраны приводит к нарастанию разности потенциалов.

• При достижении критической разности потенциалов протоны движутся по каналу в АТФ-синтетазе из тилакоида в строму. На выходе из протонного канала создается высокий уровень энергии, которая идет на синтез АТФ:

АДФ + Ф ═ АТФ.

•. Восстановление акцепторов электронов — НАДФ* до НАДФН₂:

2Н⁺ + 4е + НАДФ⁺ ═ НАДФН₂.

Результаты световой фазы:

1) образование кислорода при фотолизе воды;

2) синтез АТФ;

3) восстановление НАДФ.

Темновая фаза — процесс преобразования углекислого газа в глюкозу в строме хлоропластов с использованием энергии АТФ и НАДФН₂.

Реакции темновой фазы — последовательные преобразования углекислого газа в углеводы:

• Фиксация молекулы С0₂ ] ,5-рибулозодифосфатом при участии ферментов.

• Постепенное восстановление диоксида до глюкозы при участии АТФ и НАДФН₂ (цикл Кальвина).

• Образование, кроме молекул глюкозы, аминокислот, нуклеотидов, спиртов.

Суммарное уравнение фотосинтеза

6С0₂ + 6Н₂0 ═ С₆Н_|120₆ + 60₂.

Значение фотосинтеза:

• в процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, необходимый для дыхания организмов;

• фотосинтез обеспечивает производство исходных органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ;

• фотосинтез способствует снижению концентрации диоксида углерода в атмосфере.

В изучение процесса фотосинтеза большой вклад внесли К. А. Т и м и р я з е в, американский ученый М. К а л ь в и н, австралийские М. Д. X е т ч и К. Р. С л э к, а также наши белорусские ученые Т. Н. Год н е в и А. А. Ш л ы к (Т. Н. Годнев — физиолог растений. Его работы посвящены биохимии фотосинтезирующих пигментов. Т. Н. Годневу принадлежит теория образования хлорофилла.)

Тест 3

1. Ассимиляция называется пластическим обменом потому:

а) что создаются органические вещества;

б) что расщепляются органические вещества.

2. Синтез АТФ происходит:

а) на кристах;

б) в матриксе;

в) на наружной мембране митохондрии.

3. Синтез АТФ в хлоропластах связан:

а) со световой фазой фотосинтеза;

б) с темновой фазой фотосинтеза;

в) с синтезом белков.

4. Свободный кислород образуется в ... стадии фотосинтеза.

а) темновой;

б) световой;

в) постоянно.

5. В каких структурах растительной клетки накапливается крахмал:

а) в митохондриях;

б) в хлоропластах;

в) в лейкопластах?

6. Какая из структур ядра содержит информацию о синтезе одного белка:

а) молекула ДНК;

б) ген;

в) нуклеотид;'

г) триплет нуклеотидов

7. Короткая последовательность

ДНК 5'-AGGATGCTA-3' может полностью гибридизоваться с:

а) 5'-AGGATGCTA-3';

б) 5'-UGGUACGAU-3';

в) 5'-ATGGTAGGA-3';

г) 5'-TAGCATCCT-3'.

8. Какая из ядерных структур принимает участие в сборке субъединиц рибосом?

а) ядерная оболочка;

б) ядрышко;

в) ядерный сок.

9. Генетическая информация определяется последовательностью:

а) фосфатных групп;

б) сахарных групп;

в) нуклеотидов;

г) аминокислот.

10. Геном эукариот отличается:

а) высокой плотностью кодирования;

б) наличием последовательностей, которые не кодируют никаких известных функций;

в) наличием только уникальных генов;

г) наличием только повторяющихся последовательностей.

Литература

1. Р.Г.Заяц, И.В. Рачковская и др. Биология для абитуриентов. Минск, «Юнипресс», 2009г., с. 578-597.

2. Л.Н. Песецкая. Биология. Минск, «Аверсэв», 2007г., с.23-35.

3. Н.Д. Лисов, Н.А. Лемеза и др. Биология. Минск, «Аверсэв», 2009г, с.33-37.

4. Е.И. Шепелевич, В.М. Глушко, Т.В. Максимова. Биология для школьников и абитуриентов. Минск, «УниверсалПресс», 2007г., с.37-50.

Лекция 4. Размножение и индивидуальное развитие организмов.

Вопросы:

1. Деление клеток. Митоз. Амитоз. Мейоз.

2. Сравнение митоза и мейоза.

3. Размножение.

4. Индивидуальное развитие.

1. Совокупность процессов, протекающих в клетке от момента ее появления до гибели или деления на две дочерние, включая само деление, называется жизненным циклом клетки. Совокупность процессов, протекающих в клетке от одного деления до другого, включая само деление, называется митотическим циклом.

Период в жизнедеятельности клетки от ее образования до начала следующего деления называют интерфазой. В интерфазе различают три периода:

• пресинтетический;

• синтетический;

• постсинтетический.

Пресинтетический период — синтез белка; на деспирализованных молекулах ДНК синтезируется РНК. Синтетический период — синтез ДНК (самоудвоение молекулы ДНК). Построение второй хроматиды, в которую переходит вновь образовавшаяся молекула ДНК: получаются двухроматидные хромосомы. В постсинтетический период происходит синтез белка, накопление энергии, подготовка клетки к делению.

Фазы митоза

1. Профаза. Двухроматидные хромосомы спирализуются, ядрышки растворяются, центриоли расходятся, ядерная оболочка растворяется, образуются нити веретена деления.

2. Метафаза (фаза скопления хромосом). Нити веретена деления присоединяются к центромерам хромосом, двухроматидные хромосомы сосредоточиваются на экваторе клетки.

3. Анафаза (фаза расхождения хромосом). Центромеры делятся, однохроматидные хромосомы растягиваются к полюсам клетки.

4.Телофаза — фаза окончания деления. Однохроматидные хромосомы деспирализуются, сформировывается ядрышко, восстанавливается ядерная оболочка, на экваторе начинает закладываться перегородка между клетками, растворяются нити веретена деления.

Иногда выделяют прометофазу. Эта фаза начинается с разрушения ядерной оболочки.

Биологическое значение митоза заключается в точном идентичном распределении дочерних хромосом с содержащейся в них генетической информацией между ядрами дочерних клеток.

Первое опиеание отдельных фаз митоза сделал И. Д. Чистяков в 1874 г., а подробное описание принадлежит Ф. Ф л е м и н гу в 1878—1882 гг. в животных клетках и Э. С т р а с бургеру (1875, 1880 гг.) в растительных.

Амитоз или прямое деление представляет собой деление ядра без спирализации хромосом и без равномерного их распределения, так как митотический аппарат не образуется. Амитоз описал Р. Р е м а к в 1841 г. Прямое деление характеризуется первоначально перешнуровкой ядрышка, затем ядра и цитоплазмы. Ядро может делиться на две равномерные части (равномерный амитоз) или на две неравномерные части (неравномерный амитоз), либо ядро делится на несколько частей (шизогония у малярийного плазмодия). Иногда после деления ядра цитоплазма не делится и возникают многоядерные клетки (амитоз без цитотомии). В зависимости от факторов, обусловивших амитоз, выделяют три его вида (Жилкин Л. Н., 1966 г):

1. Генеративный амитоз отмечается при делении высокоспециализированных полиплоидных клеток. Наблюдается у инфузории при делении макронуклеуса, в некоторых клетках млекопитающих (печени, эпидермиса).

2. Реактивный амитоз выявляется при различных повреждающих воздействиях (γ-лучи), нарушении обменных процессов (голодании, нарушении нуклеинового обмена). Этот вид амитоза обычно не завершается цитотомией и приводит к образованию многоядерных клеток. Вероятно, его следует рассматривать как компенсаторную реакцию, приводящую к увеличению поверхности обмена между ядром и цитоплазмой.

3. Дегенеративный амитоз возникает в стареющих клетках с угасающими жизненными свойствами. Этот вид представлен фрагментацией и почкованием ядер. Он не имеет отношения к репродукции клеток. Появление дегенеративных форм амитоза служит одним из признаков некробиотических процессов.

Биологическое значение амитоза: увеличение клеточной массы с наименьшей затратой энергии и веществ.

Эндомитоз — один из видов митоза, суть которого заключается в редупликации хромосом без разрушения ядерной оболочки и без деления клетки. Вследствие этого в клетке происходит умножение числа хромосом, иногда в десятки раз по сравнению с исходным. Эндомитоз встречается в интенсивно функционирующих клетках различных тканей: клетки печени, в тканях нематод, насекомых, ракообразных, в корешках некоторых растений. Допускают, что эндомитоз возникает в процессе эволюции, как один из вариантов митоза.

Частный случай эндомитоза — политения. Иногда воспроизведение хромосом происходит без увеличения их числа в клетке. Каждая хромосома многократно удваивается, но дочерние хроматиды остаются связанными между собой. Явление и получило название политении. Оно приводит к увеличению массы ядра и цитоплазмы, соответственно числу удвоений хромосом. Политения встречается у двукрылых насекомых, инфузорий, некоторых растений. В клетках слюнных желез дрозофилы из-за политенизации хромосомплоидность достигает 1024 ядра.

Мейоз — это процесс деления специализированных диплоидных клеток, приводящий к уменьшению числа хромосом вдвое. Мейоз состоит из двух последовательных делений (редукционного и эквационного), которым предшествует однократная репликация ДНК- Интерфаза мейоза аналогична интерфазе митоза.

Редукционное деление. В профазе мейоза I гомологичные хромосомы коньюгируют и обмениваются гомологичными участками (кроссинговер). Профаза I состоит из 5 стадий:

. • Лептотена — реплицированные хромосомы конденсируются.

• Зиготена — начинается коньюгация гомологичных хромосом. Образуются биваленты или тетрады, состоящие их 4-х сестринских хроматид.

• Пахитена — стадия, на которой происходит кроссинговер.

• Диплотена — коньюгировавшие хромосомы разделяются, хромосомы биваленты отодвигаются друг от друга, но продолжают быть связанными хиазмами — местами, где произошел кроссинговер.

• Диакинез — ядерная оболочка и ядрышки исчезают. Каждый бивалент состоит из 4-х хроматид. Сестринские хроматиды соединены центромерой, несестринские — хиазмами.

Далее следуют метафаза I, анафаза I, телофаза I. В телофазе мейоза I каждая дочерняя клетка получает гаплоидный набор хромосом и сразу же наступает мейоз II.

Эквационное деление состоит из профазы II, метафазы II, анафазы II, телофазы II и цитокинеза. Профаза II бывает очень короткой или вообще не наступает. В метафазе II хромосомы, состоящие их двух хроматид, располагаются в экваториальной плоскости, а в анафазе II хроматиды расходятся к противоположным полюсам. В телофазе II образуются четыре гаплоидные клетки.

Биологическое значение мейоза

1. Мейоз обеспечивает поддержание постоянства числа хромосом. Если бы не происходило редукции числа хромосом при га-метогенезе, то из поколения в поколение их число возрастало бы и был бы утрачен один из существенных признаков вида — постоянство числа хромосом.

2. При мейозе образуется большое количество различных новых комбинаций негомологичных хромосом. В диплоидном наборе они двойного происхождения — одна хромосома от отца, а другая от матери.

3. В процессе кроссинговера также происходит рекомбинация генетического материала. Этим достигается еще большая степень перекомбинации наследственного материала.