Энергетический обмен: гликолиз, клеточное дыхание.

Для жизни клетки, роста, синтеза органических веществ необходима энергия, ее клетки получают при расщеплении органических веществ.

Энергетический обмен (диссимиляция) - совокупность реакций ферментативного расщепления органических соединений (белков, жиров, углеводов) с образованием богатых энергией молекул АТФ. При этом сложные органические вещества превращаются в простые органические и неорганические. Этот процесс включает три этапа.

Первый этап - подготовительный - протекает в цитоплазме клеток растений, в желудочно-кишечном тракте животных в процессе пищеварения, когда сложные органические соединения (полимеры) расщепляются под действием ферментов на простые органические (мономеры): жиры на глицерин и жирные кислоты, полисахариды на моносахариды, белки на аминокислоты. Этот процесс сопровождается выделением небольшого количества энергии, которая рассеивается в виде тепла.

Второй этап - бескислородный (анаэробный) - идет в цитоплазме клеток. На этом этапе мономеры, образовавшиеся на подготовительном этапе, расщепляются без участия кислорода с выделением энергии. Примером является гликолиз – многоступенчатое бескислородное расщепление глюкозы. Молекула глюкозы расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты.

При этом от каждой молекулы глюкозы отщепляется четыре атома водорода, которые восстанавливают НАД (переносчик водородных атомов) до НАД ^. Н₂. На этом этапе выделяется 200 кДж энергии, из которых 40% накапливается в 2 молекулах АТФ (80 кДж), а 60% (120 кДж) рассеивается в виде тепла.

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ + 2НАД⁺®2С₃Н₄О₃ + 2АТФ + 2НАД ^. Н₂ + 2Н₂О+200кДж

У анаэробных организмов этот этап является конечным. Он относительно неэффективен, так как продукты расщепления содержат в себе еще большое количество энергии.

Третий этап - кислородный (аэробный, дыхание) - проходит на кристах митохондрий. Представляет собой ряд последовательно идущих реакций, каждая из которых катализируется определенным ферментом. Для протекания этого этапа необходим кислород. Пировиноградная кислота подвергается дальнейшему расщеплению до углекислого газа.

Одновременно происходит восстановление переносчиков водородных атомов НАД и ФАД до НАД ^. Н₂ и ФАД ^. Н₂ и образуется 2 молекулы АТФ.

2С₃Н₄О₃ + 6Н₂О + 8НАД⁺ + 2ФАД⁺ ® 6СО₂ + 8НАД ^. Н₂ + 2ФАД ^. Н₂ + 2АТФ

Атомы водорода вступают в цепь реакций, называемых электротранспортная цепь, в которой в результате переноса Н⁺ через внутреннюю мембрану митохондрий выделяется большое количество энергии, которая используется для синтеза 34 молекул АТФ. Для этого процесса необходим кислород, который выполняет функцию акцептора электронов, отщепившихся от протонов водорода Н⁺.

В сумме на кислородном этапе выделяется около 2600 кДж энергии, часть её запасаетсяв 36 молекулах АТФ.

Таким образом, вместе бескислородный и кислородный этапы приводят к накоплению в виде 38 молекул АТФ 1520 кДж энергии.

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 38АДФ + 38Н₃РО₄ ® 6СО₂ + 38АТФ + 44Н₂О + 2800 кДж

Синтезированная в митохондриях АТФ по каналам эндоплазматической сети поступает в рибосомы и другие органоиды. Там АТФ превращается в АДФ и отдает накопленную энергию на синтез белков, жиров и углеводов.

Клеточный цикл. Подготовка клетки к делению. Прямое и непрямое деление клетки. Митоз, биологическая сущность и значение.

Продолжительность жизни многоклеточного организма больше продолжительности жизни каждой отдельно взятой его клетки. Поэтому необходимым условием существования организма является постоянное обновление клеток. Это происходит путем деления ранее существовавших клеток. Различают несколько способов деления клеток.

Митоз - непрямое деление клеток, при котором происходит точное распределение хромосом между дочерними клетками.

Амитоз - прямое деление клетки, при котором сохраняется интерфазное состояние ядра. Ядро делится путем перетяжки на две примерно равные части без образования хромосом. Амитоз встречается в клетках эпителия, скелетной мускулатуре, а также в других клетках при некоторых заболеваниях (например, в клетках злокачественных опухолей).

Мейоз - разновидность митоза - особый способ деления клеток, в результате которого уменьшается число хромосом вдвое, и из клетки с диплоидным набором хромосом, образуются гаплоидные клетки.

Совокупность процессов, происходящих в клетке в период подготовки клетки к делению и в период деления, называется митотическим циклом.

Весь период существования клетки от момента ее образования до собственного деления или гибели называется клеточным (жизненным) циклом. В непрерывно размножающихся клетках клеточный цикл совпадает с митотическим и состоит из интерфазы и собственно деления (митоза).

Интерфаза – это период подготовки клетки к делению. Она состоит из пресинтетического, синтетического и постсинтетического периодов.

Пресинтетический (g₁) период идет сразу за делением. В этот период синтезируются РНК, различные белки, АТФ, увеличивается число органоидов. Клетка растет, восстанавливает объем цитоплазмы и выполняет свои функции. Она содержит диплоидный набор деспирализованных хромосом, каждая хромосома состоит из одной хроматиды. Содержание генетического материала будет 2n2с (n - количество хромосом в гаплоидном наборе, с - содержание ДНК в гаплоидном наборе хромосом).

В синтетический период (S) происходит редупликация (удвоение) молекул ДНК, а также синтез РНК и белков. К концу периода хромосомы из однохроматидных становятся двухроматидными и содержание генетического материала будет 2n4с.

В постсинтетический период (G₂) клетка запасается энергией, продолжается синтез РНК и белков (синтезируются белки веретена деления), содержание генетического материала остается прежним - 2n4с. После периода интерфазы клетка приступает к делению.

Митоз - непрямое деление клеток. Митозом делятся соматические клет­ки, в результате чего дочерние клетки получают такой же набор хромосом, какой имела материнская клетка. В митозе выделяют несколько фаз: профазу, метафазу, анафазу, телофазу.

В профазе происходит: 1) спирализация хромосом, к концу профазы они становятся видимыми; 2) исчезает ядрышко; 3) растворяется ядерная оболочка и хромосомы оказываются в цитоплазме; 4) центриоли расходятся к полюсам клетки и 5) формируется веретено деления (2n4с).

В метафазе хромосомы максимально спирализованы и выстраиваются в плоскости экватора; каждая хромосома состоит из двух хроматид, которые соединены в области центромеры. К центромерам прикрепляются нити веретена деления. В этой фазе проводят изучение и подсчет хромосом (2n4с).

В анафазе каждая хромосома делится в области центромеры на две хроматиды (дочерние хромосомы). Сокращаясь нити веретена деления растягивают хромотиды к полюсам клетки. После расхождения хромотиды можно называть дочерними хромосомами. Генетический материал в клетке – 4n4с.

Рис. Митоз животной клетки. А – интерфаза; Б-В – профаза; Г-Д – метафаза; Е – анафаза; Ж-З – телофаза.

 

В телофазе происходят события обратные профазе: хромосомы деспирализуются и становятся невидимыми в световой микроскоп; исчезает веретено деления; формируются ядерная оболочка и яд­рышко. После этого идет деление цитоплазмы (цитокинез): путем образования перетяжки в животных клетках или путем построения перегородки из мембраны в клетках растений. Органоиды при этом распределяются между клетками относительно равномерно. Содержание генетического материала в каждой образовавшейся клетке – 2n2с.

Биологическое значение митоза.

1. В результате митоза дочерние клетки получают такой же набор хромосом, какой был у материнской клетки, что обеспечивает эмбриональное развитие, рост организма, процессы регенерации тканей и органов.

3. У одноклеточных организмов митоз является способом размножения.