Обмены веществ, происходящие в клетках человека
Реферат на тему:
"Обмены веществ, происходящие в клетках человека"
Строение и функции клетки
По наличию оформленного ядра все клеточные организмы делятся на две группы: прокариоты и эукариоты.
Прокариоты (безъядерные организмы) — примитивные организмы, не имеющие четко оформленного ядра. В таких клетках выделяется лишь ядерная зона, содержащая молекулу ДНК. Кроме того, в клетках прокариотов отсутствуют многие органоиды. У них имеются только наружная клеточная мембрана и рибосомы. К прокариотам относятся бактерии и синезеленые водоросли (цианеи).
Эукариоты — истинно ядерные, имеют четко оформленное ядро и все основные структурные компоненты клетки. К эукариотам относятся растения, животные, грибы. Эукариотная клетка имеет сложное строение. Она состоит из трех неразрывно связанных частей:
1) наружной клеточной мембраны, у некоторых дополнительно имеется оболочка;
2) цитоплазмы и ее органоидов;
3) ядра.
Наружная клеточная мембрана — двумем-бранная клеточная структура, которая ограничивает живое содержимое клетки всех организмов. Обладая избирательной проницаемостью, она защищает клетку, регулирует поступление веществ и обмен с внешней средой, поддерживает определенную форму клетки. Клеточная мембрана состоит из двойного слоя фосфолипидов, обращенных друг к другу своими гидрофобными концами из радикалов высших жирных кислот; снаружи располагаются гидрофильные остатки фосфорной кислоты и глицерина. В билипид-ный слой мозаично вкраплены молекулы белков, одна часть которых пронизывает мембрану, а другая — располагается на поверхности или частично погружена в нее. С наружной стороны с белками и липидами соединены углеводы.
Вещества поступают в клетку различными путями: диффузно (низкомолекулярные ионы); осмосом (вода); активным транспортом (через специальные белковые каналы) с затратой энергии; с помощью эндоцитоза (крупные частицы).
Клетки растительных организмов, грибов кроме мембраны снаружи имеют еще и оболочку. Эта неживая клеточная структура состоит из целлюлозы, придает прочность клетке, защищает ее, является «скелетом» растений и грибов. В оболочке имеются поры, через которые идет поступление веществ.
В цитоплазме, полужидком содержимом клетки, находятся все органоиды.
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) — одномембранная система канальцев, трубочек, цистерн, которая пронизывает всю цитоплазму. Она разделяет ее на отдельные отсеки, в которых идет синтез различных веществ, обеспечивает сообщение между отдельными частями клетки и транспорт веществ. Различают гладкую и гранулярную ЭПС. На гладкой — идет синтез липидов, на гранулярной — располагаются рибосомы и синтезируется белок.
Рибосомы — мелкие тельца грибовидной формы, в которых идет синтез белка. Они состоят из рибосомальной РНК и белка, образующих большую и малую субъединицы.
Аппарат Гольджи — одномембранная структура, связанная с ЭПС, обеспечивает упаковку и вынос синтезируемых веществ из клетки. Кроме того, из его структур образуются лизосомы.
Лизосомы — шарообразные тельца, содержащие гидролитические ферменты, которые расщепляют высокомолекулярные вещества, т. е. обеспечивают внутриклеточное переваривание.
Митохондрии — полуавтономные двумем-бранные структуры продолговатой формы. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя имеет складки — кристы, увеличивающие ее поверхность. Внутри митохондрия заполнена матриксом, в котором находятся кольцевая молекула ДНК, РНК, рибосомы.
Количество митохондрий в клетках различно, с ростом клеток их число увеличивается в результате деления. Митохондрии — это «энергетические станции» клетки. В процессе дыхания в них происходит окончательное окисление веществ кислородом воздуха. Выделяющаяся энергия запасается в молекулах АТФ, синтез которых происходит в этих структурах.
Пластиды характерны для растительных клеток. Существуют три вида пластид: хлоропласты, лейкопласты и хромопласты.
Хлоропласты — полуавтономные двумембранные органоиды продолговатой формы, зеленого цвета. Внутренняя часть заполнена стромой, в которую погружены граны. Граны образованы из мембранных структур — тилакоидов. В строме имеются кольцевая молекула ДНК, РНК, рибосомы. На мембранах располагается фотосинтезирующий пигмент — хлорофилл. В хлоропластах протекает процесс фотосинтеза. На мембране тилакоида идут реакции световой фазы, а в строме — темновой.
Хромопласты — двумембранные органоиды шарообразной формы, содержащие красный, оранжевый и желтый пигменты. Хромопласты придают окраску цветкам и плодам, образуются из хлоропластов.
Лейкопласты — бесцветные пластиды, находящиеся в неокрашенных частях растения. Содержат запасные питательные вещества, могут на свету переходить в хлоропласты.
Кроме хлоропластов растительные клетки имеют и вакуоли — мембранные тельца, заполненные клеточным соком и питательными веществами.
Клеточный центр обеспечивает процесс деления клетки. Он состоит из двух центриолей и центросферы, которые образуют нити веретена деления и способствуют равномерному распределению хромосом в делящейся клетке. Характерны для животных клеток. -
Ядро — центр регуляции жизнедеятельности клетки. Ядро отделено от цитоплазмы двойной ядерной мембраной, пронизанной порами. Внутри оно заполнено кариоплазмой, в которой находятся молекулы ДНК. Ядерный аппарат регулирует все процессы жизнедеятельности клетки, обеспечивает передачу наследственной информации. Здесь происходит синтез ДНК, РНК, рибосом. Часто в ядре можно увидеть одно или несколько темных округлых образований — ядрышек, в которых формируются и скапливаются рибосомы. Молекулы ДНК несут наследственную информацию, которая определяет признаки данного организма, органа, ткани, клетки. В ядре молекулы ДНК не видны, так как находятся в виде тонких нитей хроматина. Во время деления ДНК сильно спирализуются, утолщаются, образуют комплексы с белком и превращаются в хорошо заметные структуры — хромосомы.
Кроме перечисленных некоторые клетки имеют специфические органоиды — реснички и жгутики, которые обеспечивают движение, преимущественно одноклеточных организмов. Имеются они и у некоторых клеток многоклеточных организмов (ресничный эпителий). Реснички и жгутики представляют собой выросты цитоплазмы, окруженные клеточной мембраной. Внутри выростов находятся микротрубочки, сокращение которых приводит в движение клетку.
Обмен веществ и превращения энергии в клетке
Основой жизнедеятельности клетки является обмен веществ и превращение энергии. Обмен веществ — совокупность всех реакций синтеза и распада, протекающих в организме, связанных с выделением или поглощением энергии. Обмен веществ и энергии состоит из двух взаимосвязанных и противоположных процессов: ассимиляции и диссимиляции.
Ассимиляция, или пластический обмен, — совокупность реакций синтеза высокомолекулярных органических веществ, сопровождающихся поглощением энергии за счет распада молекул АТФ.
Диссимиляция, или энергетический обмен, — совокупность реакций распада и окисления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии и запасанием ее в синтезируемых молекулах АТФ.
Все реакции обмена веществ идут в присутствии ферментов. АТФ является основным веществом, которое обеспечивает все энергетические процессы в клетке, запасает энергию в процессе энергетического обмена и отдает в процессе пластического обмена.
Единственным источником энергии на земле является солнце. Клетки растений с помощью хлоропластов улавливают энергию солнца, превращая ее в энергию химических связей молекул синтезированных органических веществ. В растениях идет первичный синтез органических веществ из неорганических: углекислого газа и воды за счет энергии солнца. Все остальные организмы используют готовые органические вещества, расщепляют их, а выделяющаяся энергия запасается в молекулах АТФ. Запасенная энергия расходуется в процессе пластического обмена на синтез органических веществ, специфичных для каждого организма. Часть энергии в процессе обмена веществ постоянно теряется в виде тепла, поэтому в системы живых организмов необходим постоянный приток энергии. Таким образом, солнечная энергия аккумулируется в органических веществах, а затем используется в процессе жизнедеятельности организма.
По способу питания, источнику получения органических веществ и энергии организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные.
Автотрофные организмы синтезируют органические вещества в процессе фотосинтеза из неорганических (углекислого газа, воды, минеральных солей), используя энергию солнечного света. К ним относятся все растительные организмы, синезеленые водоросли (цианобактерии). К автотрофному питанию способны и хемо-синтезирующие бактерии, использующие энергию, которая выделяется при окислении неорганических веществ: серы, железа, азота.
Гетеротрофные организмы получают готовые органические вещества от автотрофов. Источником энергии являются органические вещества, которые распадаются и окисляются в процессе диссимиляции. К ним относятся животные, грибы, многие бактерии.
Автотрофы способны усваивать неорганический углерод и другие элементы. Гетеротрофы усваивают только органические вещества, получая энергию при их расщеплении. Автотрофные и гетеротрофные организмы связаны между собой процессами обмена веществ и энергии.
Энергетический обмен
Энергетический обмен состоит из трех этапов.
I этап — подготовительный. На первом этапе происходит расщепление высокомолекулярных органических веществ до низкомолекулярных в процессе реакций гидролиза, идущих при участии воды. Он протекает в пищеварительном тракте, а на клеточном уровне — в лизосомах. Вся энергия, выделяющаяся на подготовительном этапе, рассеивается в виде тепла.
Реакции подготовительного этапа:
белки + Н>2>0—» аминокислоты + С; углеводы + Н>2>0 —»глюкоза + ф; жиры + Н>2>0 —> глицерин + высшие жирные + кислоты
II этап — гликолиз, бескислородное окисление. Глюкоза является ключевым веществом обмена в организме. Все остальные вещества на разных стадиях втягиваются в процессы ее превращения. Дальнейшее расщепление органических веществ рассматривается на примере обмена глюкозы.
Процесс гликолиза протекает в цитоплазме. Глюкоза расщепляется до 2 молекул пировиноградной кислоты (ПВК), которые в зависимости от типа клеток и организмов могут превращаться в молочную кислоту, спирт или другие органические вещества. При этом выделяющаяся энергия частично запасается в 2 молекулах АТФ, а частично расходуется в виде тепла. Бескислородные процессы называются брожением.
Реакции гликолиза:
С>6>Н>12>0>6>-+>2С>3>Н>4>0>3>+4Н-глюкоза
ПВК2АТФ
2С>3>Н>6>0>3 >(молочная кислота) молочнокислое брожение
2С>2>Н>5>ОН + 2С0>2 >(этиловый спирт) спиртовое брожение
В результате ступенчатого расщепления глюкозы образуются 2 молекулы ПВК — С>3>Н>4>0>3>. При этом освобождаются еще 4 атома Н, которые соединяются с переносчиком НАД+, и образуются 2НАД • Н + Н+. Дальнейшая судьба ПВК зависит от наличия кислорода. В анаэробных условиях ПВК превращается в молочную кислоту или этанол с участием тех же двух молекул НАД • Н + Н+, которые возвращают водород. Если же процесс идет в аэробных условиях, то ПВК и 2НАД • Н + Н+ вступают в реакции биологического окисления.
III этап — кислородный. Биологическое окисление протекает в митохондриях. Пировиноградная кислота поступает в митохондрии, где преобразуется в уксусную кислоту, соединяется с ферментом-переносчиком и входит в серию циклических реакций — цикл Кребса. В результате этих реакций при участии кислорода образуются углекислый газ и вода, а на кристах митохондрий за счет выделяющейся энергии синтезируется 36 молекул АТФ.
Реакции кислородного этапа:
2С>3>Н>4>0>3> + 60>2> + 4Н - 6С0>2> + 6Н>2>0.
Таким образом, при расщеплении глюкозы на двух этапах образуется суммарно 38 молекул АТФ, причем основная часть — при кислородном окислении.
Процесс биологического окисления органических веществ называется дыханием.
Пластический обмен. Фотосинтез
Фотосинтез — процесс первичного синтеза органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) под действием солнечного света. Протекает у растений в хлоропластах. Выделяют две фазы фотосинтеза.
1. Световая фаза. Фотолиз воды. Синтез АТФ. Протекает на мембранах тилакоидов только при участии солнечного света. За счет энергии солнца протекают три группы реакций:
1) возбуждение хлорофилла, отрыв электронов и синтез АТФ за счет энергии возбужденных электронов;
2) фотолиз воды — расщепление молекулы воды;
3) связывание ионов водорода с переносчиком НАДФ.
Кванты света, попав на хлорофилл, приводят молекулу в возбужденное состояние. При этом электроны переходят в возбужденное состояние и проходят по электронной цепи на мембране до места синтеза АТФ. Одновременно под действием света идет расщепление молекулы воды и образование ионов водорода. На мембране тилакоидов происходит соединение ионов водорода с переносчиком НАДФ за счет электронов хлорофилла, а выделившаяся энергия идет на синтез АТФ. Образовавшиеся при фотолизе воды ионы кислорода отдают электроны на хлорофилл и превращаются в свободный кислород, который выделяется в атмосферу.
2. Темновая фаза. Фиксация углерода. Синтез глюкозы. Для протекания реакций второй стадии наличие света необязательно. Источником энергии являются синтезированные на первой стадии молекулы АТФ.
В строме хлоропластов, куда поступают НАДФ • Н 4- Н+, АТФ и углекислый газ из атмосферы, протекают циклические реакции, в результате которых идет фиксация углекислого газа, его восстановление водородом за счет НАДФ х х Н + Н+ и синтез глюкозы. Эти реакции идут за счет энергии АТФ, запасенной в световой фазе.
Схематично уравнение темновой фазы можно представить следующим образом:
С>6>Н>12>0>6> + НАДФ+С0>2> + НАДФ • Н + Н+2АДФ
Суммарное уравнение фотосинтеза:
6С0>2> + 6Н>2>0 -222+ С>6>Н>12>0>6> + 60>2>Т.
Пластический обмен. Биосинтез белка
Наиболее важным процессом пластического обмена является биосинтез белка. Он протекает во всех клетках организмов.
Генетический код. Аминокислотная последовательность в молекуле белка зашифрована в виде нуклеотидной последовательности в молекуле ДНК и называется генетическим кодом. Участок молекулы ДНК, ответственный за синтез одного белка, называется геном.
Характеристика генетического кода.
1.Код триплетен: каждой аминокислоте соответствует сочетание из 3 нуклеотидов. Всего таких сочетаний — 64 кода. Из них 61 код смысловой, т. е. соответствует 20 аминокислотам, а 3 кода — бессмысленные, стоп-коды, которые не соответствуют аминокислотам, а заполняют промежутки между генами.
2. Код однозначен — каждый триплет соответствует только одной аминокислоте.
3. Код вырожден — каждая аминокислота имеет более чем один код. Например, у аминокислоты глицин — 4 кода: ЦЦА, ЦЦГ, ЦЦТ, ЦЦЦ, чаще у аминокислот их 2—3.
4. Код универсален — все живые организмы имеют один и тот же генетический код аминокислот.
5. Код непрерывен — между кодами нет промежутков.
6. Код неперекрываем — конечный нуклеотид одного кода не может служить началом другого.
Условия биосинтеза. Для биосинтеза белка необходима генетическая информация молекулы ДНК; информационная РНК — переносчик этой информации из ядра к месту синтеза; рибосомы — органоиды, где происходит собственно синтез белка; набор аминокислот в цитоплазме; транспортные РНК, кодирующие аминокислоты и переносящие их к месту синтеза на рибосомы; АТФ — вещество, обеспечивающее энергией процесс кодирования и биосинтеза.
Этапы биосинтеза
Транскрипция — процесс биосинтеза всех видов РНК на матрице ДНК, который протекает в ядре.
Определенный участок молекулы ДНК деспирализуется, водородные связи между двумя цепочками разрушаются под действием ферментов. На одной цепи ДНК, как на матрице, по принципу комплементарное из нуклеотидов синтезируется РНК-копия. В зависимости от участка ДНК таким образом синтезируются рибосомные, транспортные, информационные РНК.
После синтеза иРНК она выходит из ядра и направляется в цитоплазму к месту синтеза белка на рибосомы.
Трансляция — процесс синтеза полипептидных цепей, осуществляемый на рибосомах, где иРНК является посредником в передаче информации о первичной структуре белка.
Биосинтез белка состоит из ряда реакций.
1. Активирование и кодирование аминокислот. тРНК имеет вид клеверного листа, в центральной петле которого располагается триплет-ный антикодон, соответствующий коду определенной аминокислоты и кодону на иРНК. Каждая аминокислота соединяется с соответствующей тРНК за счет энергии АТФ. Образуется комплекс тРНК—аминокислота, который поступает на рибосомы.
2. Образование комплекса иРНК—рибосома. иРНК в цитоплазме соединяется рибосомами на гранулярной ЭПС.
3. Сборка полипептидной цепи. тРНК с аминокислотами по принципу комплементарности антикодона с кодоном соединяются с иРНК и входят в рибосому. В пептидном центре рибосомы между двумя аминокислотами образуется пептидная связь, а освободившаяся тРНК покидает рибосому. При этом иРНК каждый раз продвигается на один триплет, внося новую тРНК — аминокислоту и вынося из рибосомы освободившуюся тРНК. Весь процесс обеспечивается энергией АТФ. Одна иРНК может соединяться с несколькими рибосомами, образуя полисому, где идет одновременно синтез многих молекул одного белка. Синтез заканчивается, когда на иРНК начинаются бессмысленные кодоны (стоп-коды). Рибосомы отделяются от иРНК, с них снимаются полипептидные цепи. Так как весь процесс синтеза протекает на гранулярной эндо-плазматической сети, то образовавшиеся полипептидные цепи поступают в канальца ЭПС, где приобретают окончательную структуру и превращаются в молекулы белка.
Все реакции синтеза катализируются специальными ферментами с затратой энергии АТФ. Скорость синтеза очень велика и зависит от длины полипептида. Например, в рибосоме кишечной палочки белок из 300 аминокислот синтезируется приблизительно за 15—20 с.