Биология / Биология / ЕГЭ. Биология. Пошаговая подг. Садовниченко, 2019, 368с

НЕДЕЛЯ 4. Клетка как биологическая система

питание одноклеточных животных и защиту организма (лейкоциты человека). Пут¸м пиноцитоза происходит поглощение белков, комплексов антиген-антитело в процессе иммунных реакций и т. д.

Экзоцитоз — процесс, обратный эндоцитозу. Таким образом выделяются непереваренные остатки пищи из пищеварительных вакуолей, выводятся вещества, необходимые для жизнедеятельности клетки и организма в целом. Например, передача нервных импульсов другим клеткам происходит благодаря выделению посылающим импульс нейроном химиче- ских посредников — медиаторов, а в растительных клетках так выделяются вспомогательные углеводы клеточной оболочки.

Клеточные оболочки клеток растений, грибов и бактерий. Снаружи от мембраны клетка может выделять прочный каркас — клеточную оболочку, èëè клеточную стенку.

У растений основу клеточной оболочки составляет целлюлоза. Она пронизана канальцами — плазмодесмами (рис. 27), через которые проходят мембраны эндоплазматической сети. По плазмодесмам осуществляется транспорт веществ между клетками. Со временем клеточная оболочка растений может одревесневать. Клеточные стенки клеток грибов образованы хитином — углеводом, содержащим азот. У бактерий в состав

Рис. 27. Плазмодесмы клеточной стенки входит углевод с фрагментами пептидов —

муреин.

Оболочка определяет форму клетки, служит механической опорой, выполняет защитную функцию, обеспечивает осмотические свойства клетки, ограничивая растяжение живого содержимого и предотвращая разрыв клетки, увеличивающейся вследствие поступления воды.

Цитоплазма

Цитоплазма — это внутреннее содержимое клетки. В не¸ погружены все органоиды клетки, ядро и разнообразные продукты жизнедеятельности.

Цитоплазма связывает все части клетки между собой, в ней протекают многочисленные реакции обмена веществ. Жидкая часть цитоплазмы без органоидов называется гиалоплазмой. Гиалоплазма (матрикс цитоплазмы, или цитозоль) представляет собой коллоидный раствор, в котором находится своеобразная взвесь достаточно крупных частиц, например белков, окруж¸нных диполями молекул воды. Осаждения этой взвеси не происходит вследствие того, что частицы имеют одинаковый заряд и отталкиваются друг от друга.

Органоиды

Органоиды — постоянные компоненты клетки, выполняющие определ¸нные функции. Существуют мембранные и немембранные органоиды. Мембранные органоиды бывают одномембранными (эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы и вакуоли) и двумембранными (митохондрии, пластиды и ядро). Немембранными органоидами являются рибосомы, микротрубочки, микрофиламенты и клеточный центр. Прокариотам из пе-

речисленных органоидов присущи только рибосомы.

Строение и функции ядра. ßäðî — крупный двумембранный органоид эукариотической клетки, лежащий в центре или на периферии клетки. Размеры ядра могут колебаться в пределах 3–35 мкм. Форма ядра чаще сферическая или эллипсоидная. Большинство клеток имеет одно ядро. В образующих скелетные мышцы позвоночных волокнах содержится много ядер. Эритроциты и ситовидные клетки флоэмы растений относятся к безъядерным.

Ядро окружено ядерной оболочкой, а его внутреннее пространство заполнено нуклеоплазмой (кариоплазмой), в которую погружены хроматин è ядрышко. Функции ядра — хранение и передача наследственной информации, контроль жизнедеятельности клетки (рис. 28).

момент.

По химическому составу хроматин является комплексом нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и белков. Белки необходимы для поддержания структуры хроматина и его реструктуризации, а также для процессов удвоения ДНК, репарации и синтеза РНК.

Ядрышко — сферическое, хорошо заметное под микроскопом тельце диаметром 1–3 мкм. Ядрышко в ядре часто одно. Функции ядрышек — синтез рРНК и сборка субъединиц рибосом пут¸м объединения рРНК с белками, поступающими из цитоплазмы.

Митохондрии — двумембранные органоиды чаще округлой, овальной или палочковидной формы. Диаметр митохондрий составляет до 1 мкм, а длина — до 7 мкм. Пространство внутри митохондрий заполнено коллоидным матриксом — основным веществом митохон-

НЕДЕЛЯ 4. Клетка как биологическая система

НЕДЕЛЯ 4. Клетка как биологическая система

Лейкопласты — это белые или бесцветные пластиды в основном округлой или овальной формы. Они распространены в нефотосинтезирующих частях растений, например в кожице листа, клубнях картофеля и т. д. В них откладываются в запас питательные вещества, чаще всего крахмал, но у некоторых растений это могут быть белки или жидкие жиры — масла.

Пластиды и митохондрии называют полуавтономными органоидами клетки, так как они имеют собственные молекулы ДНК и рибосомы, осуществляют синтез белка и делятся независимо от деления клеток. Эти особенности объясняются их происхождением от одноклеточных прокариотических организмов. Однако автономность митохондрий и пластид ограничена, так как их ДНК содержит только часть генов, необходимых для свободного существования, остальная же информация закодирована в хромосомах ядра.

Эндоплазматическая сеть (ÝÏÑ), èëè эндоплазматический

1ретикулум (ЭР), — это одномембранный органоид, представляющий собой сеть мембранных полостей (цистерн) и канальцев.

2Различают два вида ЭПС — шероховатую и гладкую. Шероховатая ЭПС нес¸т рибосомы, на ней происходит синтез белков (рис. 31).

Гладкая ЭПС лишена рибосом. Е¸ функция — синтез липидов и углеводов, а также транспорт, запасание веществ и обезвре-

Лизосомы — небольшие одномембранные органоиды до 1 мкм в диаметре, в которых содержатся гидролитические ферменты, участвующие во внутриклеточном пищеварении, например в процессе фагоцитоза, образуя пищеварительные вакуоли.

Вакуоль — это полость в цитоплазме клеток, ограниченная мембраной и заполненная жидкостью. В клетках простейших животных обнаруживаются пищеварительные и сократительные вакуоли. Первые принимают участие в процессе фагоцитоза, так как в них происходит расщепление питательных веществ. Вторые обеспечивают поддержание водно-солевого баланса за сч¸т осморегуляции. У многоклеточных животных в основном встречаются пищеварительные вакуоли.

В растительных клетках вакуоли присутствуют всегда, они заполнены клеточным соком. Клеточный сок — это водный раствор минеральных солей, органических кислот, углеводов, белков, гликозидов, алкалоидов и др. Вакуоль выполняет запасающую, выделительную, осмотическую, защитную, лизосомную и другие функции.

Вакуоли имеются также и в клетках некоторых грибов и бактерий, однако у грибов они выполняют только функцию осморегуляции, а у цианобактерий поддерживают плавучесть и участвуют в процессах усвоения азота из воздуха.

НЕДЕЛЯ 4. Клетка как биологическая система

НЕДЕЛЯ 4. Клетка как биологическая система

Заполните таблицу.

Сравнительная характеристика видов мембранного транспорта

Фагоцитоз

Пиноцитоз

Экзоцитоз

Заполните таблицу.

Строение и функции структур клетки

НЕДЕЛЯ 4. Клетка как биологическая система

НЕДЕЛЯ 5. Клетка как биологическая система

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ — СВОЙСТВА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ

Обмен веществ, èëè метаболизм, — совокупность процессов преобразования веществ и энергии.

Протекание химических реакций в живых организмах обеспечивается благодаря биологическим катализаторам белковой природы — ферментам, èëè энзимам. Ферменты значи- тельно ускоряют протекание химических реакций в клетке, а в некоторых случаях делают их принципиально возможными при физиологических условиях. При этом сами ферменты не изменяются. Ферменты могут быть простыми и сложными белками, в состав которых входит небелковая часть — кофактор (кофермент). Примерами ферментов являются амилаза слюны, расщепляющая полисахариды при длительном переж¸вывании, пепсин, обеспе- чивающий переваривание белков в желудке и др.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ И ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН, ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ

Метаболизм складывается из двух одновременно протекающих в клетке процессов: пластического и энергетического обменов.

Пластический обмен (анаболизм, ассимиляция) представляет собой совокупность реакций синтеза, которые идут с затратой энергии АТФ. В процессе пластического обмена синтезируются органические вещества, необходимые клетке. Примером реакций пластического обмена являются темновая фаза фотосинтеза, биосинтез белка и репликация (самоудвоение) ДНК.

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — это процессы расщепления веществ с высвобождением энергии. Высвобожденная энергия преобразуется в энергию АТФ. Наиболее важными процессами энергетического обмена являются дыхание и брожение.

Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны, поскольку для биосинтетических процессов необходима энергия АТФ, а синтезированные соединения могут расщепляться с высвобождением энергии.

СТАДИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА

Энергетический обмен подразделяют на три этапа: подготовительный, анаэробный (бескислородный) и аэробный (кислородный).

Íà подготовительном этапе молекулы полисахаридов, липидов, белков и нуклеиновых кислот расщепляются на более простые, например, глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты и нуклеотиды соответственно. Этот этап может протекать в клетках или вне их, например в кишечнике. Энергия рассеивается в виде тепла.

Анаэробный этап протекает в цитоплазме. Он не требует присутствия кислорода и сопровождается дальнейшим расщеплением мономеров до ещ¸ более простых продуктов, например пировиноградной кислоты, или пирувата. Наиболее важным субстратом анаэробного этапа является глюкоза, а процесс е¸ бескислородного расщепления называется гликолизом (рис. 39). При гликолизе молекула глюкозы теряет четыре атома водорода, и при этом образуются две молекулы пировиноградной кислоты. Окисление одной молекулы глюкозы сопряжено с образованием двух молекул АТФ и восстановлением двух молекул кофермента НАД — переносчика электронов:

Ñ6Í12Î6 + 2Í3ÐÎ4 + 2ÀÄÔ + 2ÍÀÄ+2Ñ3Í4Î3 + 2ÀÒÔ + 2ÍÀÄÍ + Í+ + 2Í2Î.

Образование АТФ из АДФ происходит вследствие прямого

переноса фосфат-аниона и называется субстратным фосфо-

рилированием.

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

1.Энергетический обмен не может происходить без пластического, так как в ходе пластического обмена образуются

1)молекулы АТФ

2)макроэргические соединения

3)вода и углекислый газ

4)органические вещества

2.Выберите правильную последовательность стадий энергетического обмена

1)подготовительный этап аэробный этап анаэробный этап

2)аэробный этап подготовительный этап анаэробный этап

3)подготовительный этап анаэробный этап аэробный этап

4)анаэробный этап подготовительный этап аэробный этап

3.При аэробном клеточном дыхании происходит

1)фотолиз воды

2)расщепление пировиноградной кислоты

3)синтез глюкозы

4)окисление хлорофилла

4.Окислительное фосфорилирование происходит

1)в матриксе митохондрий

2)на внутренних мембранах митохондрий

3)в межмембранном пространстве митохондрий

4)в гиалоплазме

5.Представители какой из перечисленных ниже групп не способны синтезировать собственную АТФ?

6.В катализируемых ферментами реакциях молекулы ферментов способны ко всему, за исключением

1)изменения равновесия химических реакций

2)снижения энергии активации реакции

3)увеличения скорости реакции

4)связывания молекул, отличающихся от молекул субстрата

НЕДЕЛЯ 5. Клетка как биологическая система

НЕДЕЛЯ 5. Клетка как биологическая система

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

7.Гликолиз характеризуется тем, что

1)его конечным продуктом является гликоген

2)в результате образуется углекислый газ

3)это анаэробный процесс

4)акцептором электронов является кислород

8.Брожение отличается от кислородного дыхания тем, что

1)его конечными продуктами являются углекислый газ и вода

2)в процессе брожения образуются ещё богатые энергией органические вещества

3)он является основным поставщиком энергии у аэробных организмов

4)отсутствует у растений

9.Организмы, не нуждающиеся в поступлении кислорода для осуществления нормальной жизнедеятельности, относятся к

10.Что из нижеследующего имеет место в процессе окислительного фосфорилирования в митохондриях?

1)протоны поступают из матрикса в межмембранное пространство

2)протоны поступают из межмембранного пространства в матрикс

3)электроны выкачиваются из матрикса в межмембранное пространство

4)электроны выкачиваются из межмембранного пространства в матрикс

11.Заполнение «электронной дырки» молекулы хлорофилла фотосистемы II происходит благодаря

1)транспорту электронов по элек- трон-транспортной цепи хлоропластов

2)фотофосфорилированию

3)расщеплению переносчиков водорода НАДФН + Н+

4)фотолизу воды

ДЫХАНИЕ

Аэробное дыхание (рис. 39) происходит в митохондриях, при этом пировиноградная кислота сначала превращается в ацетилкофермент А (ацетил-КоА):

Ñ3Í4Î3+ÍÀÄ++Í~ÊîÀ ÑÍ3ÑÎ~ÊîÀ+ÍÀÄÍ+Í++ÑÎ2 . Ацетил-КоА в матриксе митохондрий вовлекается в цепь химических реакций, совокупность которых на-

зывается циклом Кребса (циклом трикарбоновых кислот). В ходе этих превращений образуются две молекулы АТФ, ацетил-КоА полностью окисляется до углекислого газа, а за сч¸т его электронов восстанавливаются коферменты НАД+ и ФАД. Эти соединения отдают электроны акцепторным белкам дыхательной электронтранспортной цепи (ЭТЦ) внутренней мембраны митохондрий и окисляются. Конечным акцептором электронов является молекула кислорода:

21 Î2 + 2e + 2Í+ Í2Î.

Функционирование дыхательной цепи сопровождается переносом протонов в межмембранное пространство, в результате чего по обе стороны внутренней мембраны митохондрий создается разница концентраций протонов. Из межмембранного пространства Н+ транспортируются обратно в матрикс митохондрий с помощью АТФ-синтаз — ферментов, которые используют энергию разницы концентраций протонов для синтеза АТФ. Процесс синтеза АТФ в митохондриях, сопря- ж¸нный с окислением, называется окислительным фосфорилированием. Аэробное окисление одной молекулы глюкозы сопровождается синтезом 36 молекул АТФ:

2Ñ3Í4Î3 + 6Î2 + 36Í3ÐÎ4 + 36ÀÄÔ6ÑÎ2 + 38Í2Î + 36ÀÒÔ.

Совокупность реакций гликолиза и кислородного дыхания в митохондриях может быть выражена суммар-

ным уравнением:

Ñ6Í12Î6 + 6Î2 + 38Í3ÐÎ4 + 38ÀÄÔ

6ÑÎ2 + 40Í2Î + 38ÀÒÔ.

БРОЖЕНИЕ

В отсутствие кислорода или при его недостатке происходит брожение. Брожение является эволюционно более ранним способом получения энергии, чем дыхание, однако оно энергетически менее выгодно, поскольку конечными продуктами брожения являются органические вещества, богатые энергией. Существует несколько видов брожения, названия которых определяются конечными продуктами: молочнокислое, спиртовое, уксуснокислое и др. Так, в скелетных мышцах в отсутствие кислорода

протекает молочнокислое брожение, в ходе которого пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты. При этом восстановленные ранее коферменты НАД расходуются на восстановление пирувата:

2Ñ3Í4Î3 + 2ÍÀÄÍ + Í+ 2Ñ3Í6Î3 + 2ÍÀÄ+.

Энергетическая эффективность молочнокислого брожения составляет две молекулы АТФ, образованные в процессе окисления глюкозы до пирувата.

Для многих микроорганизмов брожение является единственным способом ассимиляции энергии. Большинство таких организмов жив¸т в анаэробных условиях и погибает в присутствии кислорода, но есть и такие, которые нормально существуют и в присутствии кислорода, и без него. Например, дрожжевые грибы при спиртовом брожении окисляют пировиноградную кислоту до этилового спирта и оксида углерода (IV):

Ñ3Í4Î3 + ÍÀÄÍ + Í+ Ñ2Í5ÎÍ + ÑÎ2 + ÍÀÄ+.

ФОТОСИНТЕЗ

Значение и космическая роль фотосинтеза

Фотосинтезом называют процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических соединений с участием хлорофилла.

В результате фотосинтеза образуется около 150 млрд тонн органического вещества и приблизительно 200 млрд тонн кислорода ежегодно. Этот процесс обеспечивает круговорот углерода в биосфере, не давая накапливаться углекислому газу и препятствуя тем самым возникновению парникового эффекта и перегреву Земли. Образующиеся в результате фотосинтеза органические вещества частично расходуются гетеротрофными организмами, но значительная их часть в течение миллионов лет образовала залежи полезных ископаемых (каменного и бурого угля, нефти).

К. А. Тимирязев (1843–1920) назвал роль фотосинтеза «космической», поскольку он связывает Землю с Солнцем (космосом), обеспечивая приток энергии на планету.

Световые и темновые реакции фотосинтеза

Выделяют две фазы фотосинтеза: световую è темновую. Сущность световой стадии фотосинтеза заключается

Ñфотосистемой II связан белковый комплекс, обеспечивающий выделение кислорода

âпроцессе фотосинтеза.

 световой фазе фотоны, попадая на молекулы хлорофилла, переводят их в возбуж- д¸нное состояние, которое характеризуется более высокой энергией электронов. При этом

НЕДЕЛЯ 5. Клетка как биологическая система