Органические вещества клеток и их функции.

Белкии их функции. Белки занимают первое место как по количеству, так и по значению.

Строительная функция белков заключается в том, что они участвуют в образовании всех клеточных мем­бран в органоидах клетки, а также внеклеточных структур.

Каталитическая функция (от греч. katalysis — разрушение). Все биологические катализаторы (ферменты) - вещества белковой природы. Они ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз. Фермент катализирует только одну реакцию, т.е. он узкоспецифичен.

Двигательная функция обеспечивается сократитель­ными белками, которые участвуют во всех видах движения клетки.

Транспортная функциябелков заключается в присоединении химических элементов (например, кислорода) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к различным тканям и органам тела.

При поступлении в организм чужеродных белков или микро­организмов в белых кровяных тельцах — лейкоцитах — образуют­ся особые белки — антитела. Они связывают и обезвреживают несвойственные организму вещества. В этом выражается защитная функция белков.

Белки служат и одним из источников энергии в клетке, т.е. вы­полняют энергетическую функцию.

Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Например, целлюлоза образует стенки раститель­ных клеток; сложный полисахарид хитин — главный структурный компонент наружного скелета членистоногих. Углеводы играют роль основ­ного источника энергии в клетке. Крахмал у растений и гли­коген у животных, откладываясь в клетках, служат энергетиче­ским резервом. Углеводы также участвуют в обезвреживании и выведении из организма ядовитых веществ.

Липиды - это нейтральные жиры, воск, фосфолипиды. Одна из основных функций жиров — энергетическая. Содержание жира в клетке составляет 5— 15 % массы сухого вещества. В клетках жировой тка­ни количество жира возрастает до 90%. Накапливаясь в клетках жировой ткани животных, в семенах и плодах растений, жир слу­жит запасным источником энергии.

Липиды и липоиды выполняют и строительную функцию: они входят в состав клеточных мембран. Вследствие плохой теплопро­водности жир способен выполнять теплоизолирующую функцию. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в под­кожной жировой ткани, которая у китов образует слой толщиной до 1 м.

Нуклеиновые кислоты – это молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и РНК (рибонуклеиновой кислоты), основными функциями которых являются запись, хранение и воспроизведение наследственной информации.

Клетки животных и растений значительно различаются по форме, размерам и внутреннему строению. Однако у тех и других есть сходство в главных чертах процессов жизнедеятельности, обмене веществ, в раздражимости, росте, развитии, способности к изменчивости.

Клетки всех типов содержат два основных компонента, тесно связанных между собой, — цитоплазму и ядро (рис. 3).

Рис. 3 Строение клетки (снимок электронного микроскопа).

Клеточное ядро - это важнейшая часть клетки. Оно есть почти во всех клетках многоклеточных организмов. Клеточное ядро содержит ДНК- вещество наследственности, в котором зашифрованы все свойства клетки. Поэтому ядро необходимо для осуществления двух важнейших функций. Во-первых, это деление, при котором образуются новые клетки, во всём подобные материнской. Во-вторых, ядро регулирует все процессы белкового синтеза, обмена веществ и энергии, идущие в клетке. Ядроклетки играет основную роль в ее жизнедеятельности, с его удалением клетка прекращает свои функции и гибнет. От цитоплазмы ядро отделено оболочкой, состоящей из двух мембран.

Цитоплазма – это коллоидное вещество, которое заполняет всю клетку. Цитоплазма состоит на 85 % из воды, на 10 % — из белков, остальной объем приходится на долю липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и минеральных соединений; все эти вещества образуют коллоидный раствор, близкий по консистенции глицерину. Движение цитоплазмы осуществляется непрерывно и способствует перемещению питательных веществ и воздуха внутри клетки.

Цитоплазма пронизана канальцами различной формы и величины. Их стенки представляют собой мембраны, тесно контактирующие со всеми органоидами клетки и составляющие вместе с ними единую функционально-структурную систему для осуществления обмена веществ и энергии и перемещения веществ внутри клетки.

В клетках всех живых организмов происходит интенсивное обновление веществ и структур. Из окружающей среды клетка получает вещества, которые подвергаются различным превращениям и затем из них синтезируются органические соединения, необходимые для построения структур клетки. Продукты разложения из клетки выводятся также во внешнюю среду.

В клетке осуществляется пластический и энергетический обмен веществ.

Пластический обмен (или ассимиляция) – это совокупность реакций синтеза органических молекул, идущих на построение тела клетки.

Разновидности пластического обмена – биосинтез белков (у животных и человека), фотосинтез и хемосинтез (в основном у растений).

- Биосинтез белков. Любая клетка организма способна синтезировать свои белки. Эта способность передается из поколения в поколение.

Информация о структуре белков содержится в ДНК. Один из участков молекулы ДНК, который содержит информацию о первичной структуре конкретного белка, называется геном.

Синтез белка начинается с транскрипции – процесса списания информации о структуре белка с участием ДНК(гена) на информационную молекулу РНК, которая выполняет транспортную роль: переносит информацию, а также захватывает необходимые аминокислоты и переносит все это к рибосомам цитоплазмы, где и происходит биосинтез белка.

Если этот процесс нарушается (изменения в окружающей среде, заболевания, канцерогены), часть информации может не списаться (исказиться) или затеряться. В результате ген будет построен не как копия, а измененным (искаженным). Это называется мутацией (от лат. mutatio - изменение, перемена) – т.е. качественные, внезапно появляющиеся изменения генов, передаваемые далее из поколения в поколение. Процесс возникновения мутаций получил название мутагенеза.

- Фотосинтез – это процесс синтеза (построения) органических соединений (глюкоза) из неорганических при помощи солнечного света. Фотосинтез делает энергию Солнца и углерод доступными для живых организмов:

6СО₂ + 6Н₂О + солнечный свет (энергия) → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Для осуществления фотосинтеза необходим хлорофилл – вещество зеленого цвета, поглощающее солнечные лучи.

- Хемосинтез – это синтез органических соединений из неорганических при помощи химической энергии, которая выделяется в реакциях окисления неорганических веществ. Процесс хемосинтеза протекает без участия хлорофилла, для его осуществления необязательно наличие света. Хемосинтез осуществляют некоторые группы бактерий – нитрифицирующие, железобактерии, серобактерии, которые играют важную роль в круговороте веществ.

Энергетический обмен. Процессом, противоположным биосинтезу, является диссими­ляция, или катаболизм — совокупность реакций расщепления. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энер­гия, необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиля­цию называют еще энергетическим обменом клетки.

Химическая энергия питательных веществ заключена в различ­ных ковалентных связях между атомами в молекуле органических соединений. Например, при разрыве пептидных связей освобож­дается около 12 кДж/моль. В глюкозе количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О, состав­ляет 2800 кДж/моль (т. е. на 180 г глюкозы). При расщеплении глю­козы энергия выделяется поэтапно при участии ряда ферментов согласно итоговому уравнению:

С₆Н₁₂0₆ + 60₂ → 6Н₂0 + 6С0₂ + 2800 кДж

Этапы энергетического обмена. Энергетический обмен обычно делят на три этапа, каждый из которых осуществляется при учас­тии специальных ферментов.

Первый этап — подготовительный. На этом этапе в пищевари­тельном тракте молекулы ди- и полисахаридов, жиров, белков распадаются на мелкие молекулы — глюкозу, глицерин и жир­ные кислоты, аминокислоты, крупные молекулы нуклеиновых кислот — на нуклеотиды. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.

Второй этап — бескислородный, или неполный. Он называется также анаэробным дыханием, или брожением. Термин «брожение» обычно применяют по отношению к процессам, протекающим в клетках микроорганизмов или растений. Образующиеся на этом этапе вещества при участии ферментов подвергаются дальнейше­му расщеплению. Например, в мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы пировиноградной кислоты, которые затем восстанавливаются в молоч­ную кислоту (С₃Н₆0₃). В реакциях расщепления глюкозы участву­ют фосфорная кислота и АТФ. В суммарном виде этот процесс выглядит так:

С₆Н₁₂О₆ + 3Н₃РО₄ + 2АДФ → 2С₃Н₆О₃ + 2АТФ + 2Н₂O

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение).

С₆Н₁₂O₆ + 2Н₃РO₄ + АДФ → 2С₂Н₅OН + 2СO₂ + 2АТФ + 2Н₂O

У других микроорганизмов расщепление глюкозы — гликолиз — может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и др. Во всех случаях распад одной молекулы сопровождается образова­нием двух молекул АТФ. В ходе бескислородного расщепления глю­козы в виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40% энергии, а остальная рассеивается в виде теплоты.

Третий этап энергетического обмена — стадия кислородного расщепления, или аэробного дыхания. При доступе кислорода к клетке образовавшиеся во время предыдущего этапа вещества окисляют­ся до конечных продуктов — Н₂О и СО₂. Кислородное дыхание сопровождается выделением большого количества энергии и ак­кумуляцией ее в молекулах АТФ. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так:

2С₃Н₆0₃ + 60, + 36Н₃Р0₄ + 36АДФ →6С0₂ + 6Н₂0 + 36АТФ + 36Н₂0

Таким образом, при окислении двух молекул молочной кисло­ты образуется 36 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.

Совокупность процессов ассимиляции (пластического обмена) и диссимиляции (энергетического обмена), в результате которых реализуется связь клетки с окружающей средой, называется обменом веществ, или метаболизмом:

ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН + ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН = МЕТАБОЛИЗМ

У представителей неклеточных форм организации живого (вирусыи бактериофаги(фаги)), строение которых крайне упрощено (состоят из ДНКлибо РНК и белкового футляра), функции обмена веществ и размножения осуществляются только внутри клеток другого организма: у вирусов — внутри клеток растений и животных, у фагов — в бактериальных клетках.

Внеклточную форму живого вещества представляют внрусы, открытые в 1892 г. Д.И.Ивановским (1864 -1920).

Они неспособны к самостоятельному существованию и развиваются в клетках других живых организмов: бактерий, растений, животных, включая человека. В биосфере вирусы выполняют особую функцию. Они вызывают тяжелые заболевания живых организмов, приводящие многих из них к гибели. Тем самым вирусы способствуют гибели ослабленных и выживанию наиболее приспособленных организмов. Существует несколько систем их классификации. Мы будем использовать систему, которая выглядит следующим образом:

А. Надцарство. Доядерные организмы или прокариоты.

1. Царство Бактерий.

2. Царство Архебактерий.

Б. Надцарство. Ядерные организмы или эукариоты.

1. Царство Животных.

1.1 Подцарство Простейших.

1.2 Подцарство Многоклеточных.

2. Царство Грибы.

2.1 Низшие Грибы.

2.2 Высшие Грибы.

3. Царство Растения.

3.1 Подцарство Багрянки.

3.2 Подцарство Настоящие водоросли.

3.3 Подцарство Высшие растения.

Царство Бактерий держит рекорд по разнообразию способов питания: оно единственное, в котором есть представители всех типов питания.

К бактериям - древнейшим фотоавтотрофным организмам на планете - относятся около 50 видов. Гетеротрофные бактерии выполняют в биосфере две основные роли. Первая - разложение отмерших организмов и возвращение исходных элементов в окружающую среду. Значительная часть этой работы происходит в пищеварительных трактах многоклеточных животных. Вторая - непрерывное вовлечение в круговорот новых порций минеральных веществ.

Диаметр большинства бактериальных клеток составляет от 0,1 до 1 мкм, в длину некоторые бактерии достигают от 10 до 30 мкм. Хотя каждая бактериальная клетка очень мала, тем не менее, общая масса бактерий, обитающих на Земле, превышает массу всех других живых организмов вместе взятых.

Крупнейшим событием в современном естествознании явилось открытие архебактерий(от греч. archaioc - древний). Архебактерии обитают в крайне неблагоприятных условиях. Для анаэробных серных архебактерийоптимальными являются температуры от 85°С до 105°С, аэробные серные бактерии живут в среде с водородным показателем рН около 1. Есть бактерии, которые живут в водах, в которых концентрация поваренной соли достигает 20-30%.

По способам питания архебактерии разнообразны. Среди них есть хемо- и фотоавтотрофы, а также гетеротрофы. Удивительно, но среди архебактерийнет форм, вызывающих заболевания растений и животных.

Цианобактерии- древнейшие обитатели планеты. Всем известна слизистая пленка оливкового цвета, покрывающая лужи и прибрежные камни. Это и есть колонии цианобактерий или синезеленые водоросли. Цианобактерии называют экологическим феноменом. Они первыми заселяют вулканические пеплы и туфы, их находят даже в ядерных реакторах. Цианобактерии встречаются повсеместно - на суше и в океане, в горячих источниках и на снегу и даже на шерсти некоторых животных. Среди цианобактерий имеются группы с различным питанием: фотоавтотрофы, хемотрофы, гетеротрофы. Около сотни видов цианобактерий способны фиксировать азот атмосферы.

Фиксация азота по своему значению сравнима только с фотосинтезом. Из фиксируемого естественным путем азота около 90% связывается прокариотами и только 10% - при атмосферных электрических процессах - молниях.

Цианобактерий совместно с бактериями и почвенными насекомыми создают почвы на бесплодных прежде скалах. Тем самым биосферная роль цианобактерий определяется тем, что они заселяют бесплодные прежде субстраты, подготавливая их для заселения разнородным живым веществом.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: