Die wichtigsten Prozesse, die in der Zelle ablaufen. Zellen mit Energie versorgen Prozesse, die die Zelle mit der notwendigen Energie versorgen

Reichlicher Wuchs fetter Bäume,
die im kargen Sand Wurzeln schlagen
genehmigt, stellt dies klar fest
Fettschichten Fett Fett aus der Luft
absorbieren...
M. V. Lomonossow

Wie wird Energie in einer Zelle gespeichert? Was ist Stoffwechsel? Was ist die Essenz der Prozesse Glykolyse, Fermentation und Zellatmung? Welche Prozesse laufen in der Hell- und Dunkelphase der Photosynthese ab? Wie hängen die Prozesse des Energie- und Kunststoffstoffwechsels zusammen? Was ist Chemosynthese?

Unterrichtsvorlesung

Die Fähigkeit, eine Energieart in eine andere umzuwandeln (Strahlungsenergie in die Energie chemischer Bindungen, chemische Energie in mechanische Energie usw.) ist eine der grundlegenden Eigenschaften von Lebewesen. Hier werden wir uns genauer ansehen, wie diese Prozesse in lebenden Organismen realisiert werden.

ATP IST DER HAUPTENERGIETRÄGER IN DER ZELLE. Um jegliche Manifestationen der Zellaktivität durchzuführen, ist Energie erforderlich. Autotrophe Organismen erhalten ihre anfängliche Energie von der Sonne bei Photosynthesereaktionen, während heterotrophe Organismen mit der Nahrung zugeführte organische Verbindungen als Energiequelle nutzen. Energie wird von Zellen in den chemischen Bindungen von Molekülen gespeichert ATP (Adenosintriphosphat), ein Nukleotid bestehend aus drei Phosphatgruppen, einem Zuckerrest (Ribose) und einem stickstoffhaltigen Basenrest (Adenin) (Abb. 52).

Reis. 52. ATP-Molekül

Die Bindung zwischen Phosphatresten wird als makroergisch bezeichnet, da beim Aufbrechen eine große Energiemenge freigesetzt wird. Typischerweise entzieht die Zelle ATP Energie, indem sie nur die terminale Phosphatgruppe entfernt. Dabei wird ADP (Adenosindiphosphat), Phosphorsäure gebildet und 40 kJ/mol freigesetzt:

ATP-Moleküle spielen die Rolle des universellen Energieverhandlungschips der Zelle. Sie werden an den Ort eines energieintensiven Prozesses geliefert, sei es die enzymatische Synthese organischer Verbindungen, die Arbeit von Proteinen – molekulare Motoren oder Membrantransportproteine ​​usw. Die umgekehrte Synthese von ATP-Molekülen erfolgt durch Anhängen einer Phosphatgruppe zu ADP unter Energieaufnahme. Bei Reaktionen speichert die Zelle Energie in Form von ATP Energiestoffwechsel. Es ist eng damit verbunden Plastikaustausch Dabei produziert die Zelle die für ihre Funktion notwendigen organischen Verbindungen.

STOFFWECHSEL UND ENERGIE IN DER ZELLE (METABOLISMUS). Der Stoffwechsel ist die Gesamtheit aller miteinander verbundenen Reaktionen des Kunststoff- und Energiestoffwechsels. Die Zellen synthetisieren ständig Kohlenhydrate, Fette, Proteine ​​und Nukleinsäuren. Die Synthese von Verbindungen erfolgt immer unter Energieaufwand, also unter unverzichtbarer Beteiligung von ATP. Energiequellen für die Bildung von ATP sind enzymatische Oxidationsreaktionen von Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten, die in die Zelle gelangen. Bei diesem Prozess wird Energie freigesetzt und in ATP gespeichert. Die Glukoseoxidation spielt eine besondere Rolle im zellulären Energiestoffwechsel. Glukosemoleküle durchlaufen eine Reihe aufeinanderfolgender Umwandlungen.

Die erste Stufe, genannt Glykolyse findet im Zytoplasma der Zellen statt und benötigt keinen Sauerstoff. Durch aufeinanderfolgende Reaktionen unter Beteiligung von Enzymen zerfällt Glukose in zwei Moleküle Brenztraubensäure. Dabei werden zwei ATP-Moleküle verbraucht und die bei der Oxidation freigesetzte Energie reicht aus, um vier ATP-Moleküle zu bilden. Dadurch ist der Energieausstoß der Glykolyse gering und beträgt zwei ATP-Moleküle:

C 6 H1 2 0 6 → 2C 3 H 4 0 3 + 4H + + 2ATP

Unter anaeroben Bedingungen (in Abwesenheit von Sauerstoff) können weitere Umwandlungen mit verschiedenen Typen verbunden sein Fermentation.

Jeder weiß Milchsäuregärung(Milchsäuerung), die durch die Aktivität von Milchsäurepilzen und -bakterien entsteht. Der Mechanismus ähnelt der Glykolyse, nur dass das Endprodukt hier Milchsäure ist. Diese Art der Glukoseoxidation findet in Zellen bei Sauerstoffmangel statt, beispielsweise in intensiv arbeitenden Muskeln. Der Milchsäuregärung kommt die alkoholische Gärung chemisch nahe. Der Unterschied besteht darin, dass die Produkte der alkoholischen Gärung Ethylalkohol und Kohlendioxid sind.

Die nächste Stufe, in der Brenztraubensäure zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert wird, heißt Zellatmung. Mit der Atmung verbundene Reaktionen finden in den Mitochondrien pflanzlicher und tierischer Zellen und nur in Gegenwart von Sauerstoff statt. Dabei handelt es sich um eine Reihe chemischer Umwandlungen vor der Bildung des Endprodukts – Kohlendioxid. In verschiedenen Phasen dieses Prozesses entstehen unter Abspaltung von Wasserstoffatomen Zwischenprodukte der Oxidation des Ausgangsstoffes. Dabei wird Energie freigesetzt, die in den chemischen Bindungen von ATP „konserviert“ wird, und es entstehen Wassermoleküle. Es wird deutlich, dass gerade zur Bindung der abgetrennten Wasserstoffatome Sauerstoff benötigt wird. Diese Reihe chemischer Umwandlungen ist recht komplex und findet unter Beteiligung der inneren Membranen von Mitochondrien, Enzymen und Trägerproteinen statt.

Die Zellatmung ist sehr effizient. 30 ATP-Moleküle werden synthetisiert, zwei weitere Moleküle entstehen bei der Glykolyse und sechs ATP-Moleküle entstehen durch Umwandlungen von Glykolyseprodukten auf Mitochondrienmembranen. Insgesamt entstehen durch die Oxidation eines Glucosemoleküls 38 ATP-Moleküle:

C 6 H 12 O 6 + 6H 2 0 → 6CO 2 + 6H 2 O + 38ATP

Die letzten Stufen der Oxidation nicht nur von Zuckern, sondern auch von Proteinen und Lipiden finden in den Mitochondrien statt. Diese Stoffe werden von den Zellen vor allem dann verbraucht, wenn die Kohlenhydratversorgung zur Neige geht. Zunächst wird Fett verbraucht, bei dessen Oxidation deutlich mehr Energie freigesetzt wird als bei einer gleichen Menge an Kohlenhydraten und Proteinen. Daher stellt Fett bei Tieren die wichtigste „strategische Reserve“ an Energieressourcen dar. Stärke spielt in Pflanzen die Rolle eines Energiespeichers. Bei der Lagerung nimmt es deutlich mehr Platz ein als die energieäquivalente Menge Fett. Für Pflanzen stellt dies kein Hindernis dar, da sie unbeweglich sind und keine Vorräte wie Tiere bei sich tragen. Aus Kohlenhydraten kann man viel schneller Energie gewinnen als aus Fetten. Proteine ​​erfüllen viele wichtige Funktionen im Körper und sind daher nur dann am Energiestoffwechsel beteiligt, wenn die Zucker- und Fettreserven aufgebraucht sind, beispielsweise bei längerem Fasten.

PHOTOSYNTHESE. Photosynthese ist ein Prozess, bei dem die Energie der Sonnenstrahlen in die Energie chemischer Bindungen organischer Verbindungen umgewandelt wird. In Pflanzenzellen finden Prozesse im Zusammenhang mit der Photosynthese in Chloroplasten statt. Im Inneren dieser Organelle befinden sich Membransysteme, in die Pigmente eingebettet sind, die die Strahlungsenergie der Sonne einfangen. Das Hauptpigment der Photosynthese ist Chlorophyll, das überwiegend blaue und violette sowie rote Strahlen des Spektrums absorbiert. Grünes Licht wird reflektiert, sodass Chlorophyll selbst und die Pflanzenteile, die es enthalten, grün erscheinen.

Die Photosynthese besteht aus zwei Phasen: Licht Und dunkel(Abb. 53). Die eigentliche Erfassung und Umwandlung der Strahlungsenergie erfolgt während der Lichtphase. Bei der Absorption von Lichtquanten geht Chlorophyll in einen angeregten Zustand über und wird zum Elektronendonor. Seine Elektronen werden entlang der Elektronentransportkette von einem Proteinkomplex zum anderen übertragen. Die Proteine ​​dieser Kette sind wie Pigmente auf der Innenmembran von Chloroplasten konzentriert. Wenn sich ein Elektron entlang einer Trägerkette bewegt, verliert es Energie, die für die ATP-Synthese verwendet wird. Ein Teil der durch Licht angeregten Elektronen wird zur Reduktion von NDP (Nicotinamidadenindinukleotiphosphat) oder NADPH verwendet.

Reis. 53. Reaktionsprodukte der hellen und dunklen Phasen der Photosynthese

Unter dem Einfluss von Sonnenlicht werden auch in Chloroplasten Wassermoleküle abgebaut – Photolyse; in diesem Fall erscheinen Elektronen, die ihre Verluste durch Chlorophyll ausgleichen; Als Nebenprodukt entsteht Sauerstoff:

Die funktionelle Bedeutung der Lichtphase ist somit die Synthese von ATP und NADPH durch Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie.

Für die Dunkelphase der Photosynthese ist kein Licht erforderlich. Der Kern der hier ablaufenden Prozesse besteht darin, dass die in der leichten Phase produzierten ATP- und NADPH-Moleküle in einer Reihe chemischer Reaktionen verwendet werden, die CO2 in Form von Kohlenhydraten „fixieren“. Alle Dunkelphasenreaktionen finden im Inneren von Chloroplasten statt, und das bei der „Fixierung“ freigesetzte Kohlendioxid ADP und NADP wird in Lichtphasenreaktionen erneut zur Synthese von ATP und NADPH verwendet.

Die Gesamtgleichung für die Photosynthese lautet wie folgt:

BEZIEHUNG UND EINHEIT VON KUNSTSTOFF- UND ENERGIEAUSTAUSCHPROZESSEN. Die Prozesse der ATP-Synthese finden im Zytoplasma (Glykolyse), in Mitochondrien (Zellatmung) und in Chloroplasten (Photosynthese) statt. Alle bei diesen Prozessen ablaufenden Reaktionen sind Reaktionen des Energieaustausches. Die in Form von ATP gespeicherte Energie wird in plastischen Austauschreaktionen zur Produktion von Proteinen, Fetten, Kohlenhydraten und Nukleinsäuren verbraucht, die für das Leben der Zelle notwendig sind. Beachten Sie, dass die dunkle Phase der Photosynthese eine Kette von Reaktionen und plastischem Austausch ist und die helle Phase der Energieaustausch ist.

Der Zusammenhang und die Einheit der Prozesse des Energie- und Kunststoffaustauschs werden durch die folgende Gleichung gut veranschaulicht:

Wenn wir diese Gleichung von links nach rechts lesen, erhalten wir den Prozess der Oxidation von Glukose zu Kohlendioxid und Wasser während der Glykolyse und der Zellatmung, der mit der Synthese von ATP (Energiestoffwechsel) verbunden ist. Wenn Sie es von rechts nach links lesen, erhalten Sie eine Beschreibung der Reaktionen der dunklen Phase der Photosynthese, bei der unter Beteiligung von ATP (Kunststoffaustausch) Glukose aus Wasser und Kohlendioxid synthetisiert wird.

CHEMOSYNTHESE. Neben Photoautotrophen sind auch einige Bakterien (Wasserstoffbakterien, nitrifizierende Bakterien, Schwefelbakterien usw.) in der Lage, organische Substanzen aus anorganischen zu synthetisieren. Sie führen diese Synthese aufgrund der Energie durch, die bei der Oxidation anorganischer Stoffe freigesetzt wird. Sie werden Chemoautotrophe genannt. Diese chemosynthetischen Bakterien spielen eine wichtige Rolle in der Biosphäre. Beispielsweise wandeln nitrifizierende Bakterien Ammoniumsalze, die den Pflanzen nicht zur Aufnahme zur Verfügung stehen, in Salpetersäuresalze um, die von ihnen gut aufgenommen werden.

Der Zellstoffwechsel besteht aus Reaktionen des Energie- und Kunststoffstoffwechsels. Beim Energiestoffwechsel entstehen organische Verbindungen mit energiereichen chemischen Bindungen – ATP. Die dafür benötigte Energie stammt aus der Oxidation organischer Verbindungen bei anaeroben (Glykolyse, Fermentation) und aeroben (Zellatmung) Reaktionen; aus Sonnenlicht, dessen Energie in der Lichtphase absorbiert wird (Photosynthese); aus der Oxidation anorganischer Verbindungen (Chemosynthese). ATP-Energie wird für die Synthese organischer Verbindungen aufgewendet, die die Zelle bei plastischen Austauschreaktionen benötigt, zu denen auch Reaktionen der dunklen Phase der Photosynthese gehören.

• Was sind die Unterschiede zwischen Kunststoff- und Energiestoffwechsel?
• Wie wird die Energie des Sonnenlichts in die Lichtphase der Photosynthese umgewandelt? Welche Prozesse laufen in der Dunkelphase der Photosynthese ab?
• Warum wird Photosynthese als Prozess bezeichnet, der die planetarisch-kosmische Interaktion widerspiegelt?

Detaillierter Lösungsabsatz Fassen Sie Kapitel 2 der Biologie für Schüler der 11. Klasse zusammen, Autoren I.N. Ponomareva, O.K. Kornilova, T.E. Loshchilina, P.V. Ischewsk Grundstufe 2012

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1. Formulieren Sie eine Definition des Biosystems „Zelle“..

Eine Zelle ist ein elementares lebendes System, die grundlegende Struktureinheit lebender Organismen, die zur Selbsterneuerung, Selbstregulierung und Selbstreproduktion fähig ist.

2. Warum wird die Zelle als Grundform des Lebens und als elementare Lebenseinheit bezeichnet?

Die Zelle ist die Grundform des Lebens und die elementare Einheit des Lebens, denn jeder Organismus besteht aus Zellen, und der kleinste Organismus ist eine Zelle (Protozoen). Einzelne Organellen können nicht außerhalb der Zelle leben.

Auf zellulärer Ebene laufen folgende Prozesse ab: Stoffwechsel (Metabolismus); Absorption und damit Einbau verschiedener chemischer Elemente der Erde in den Inhalt von Lebewesen; Übertragung erblicher Informationen von Zelle zu Zelle; Anhäufung von Veränderungen im genetischen Apparat als Folge der Interaktion mit der Umwelt; Reaktion auf Irritationen bei der Interaktion mit der äußeren Umgebung. Die Strukturelemente des zellulären Ebenensystems sind verschiedene Komplexe von Molekülen chemischer Verbindungen und alle Strukturteile der Zelle – der Oberflächenapparat, der Zellkern und das Zytoplasma mit ihren Organellen. Die Interaktion zwischen ihnen gewährleistet die Einheit und Integrität der Zelle bei der Manifestation ihrer Eigenschaften als lebendes System in Beziehungen zur äußeren Umgebung.

3. Erklären Sie die Mechanismen der Zellstabilität als Biosystem.

Eine Zelle ist ein elementares biologisches System, und jedes System ist ein Komplex miteinander verbundener und interagierender Komponenten, die ein einziges Ganzes bilden. In einer Zelle sind diese Bestandteile Organellen. Die Zelle ist zum Stoffwechsel, zur Selbstregulierung und zur Selbsterneuerung fähig, wodurch ihre Stabilität erhalten bleibt. Das gesamte genetische Programm der Zelle befindet sich im Zellkern und verschiedene Abweichungen davon werden vom enzymatischen System der Zelle wahrgenommen.

4. Vergleichen Sie eukaryotische und prokaryotische Zellen.

Alle lebenden Organismen auf der Erde werden in zwei Gruppen eingeteilt: Prokaryoten und Eukaryoten.

Eukaryoten sind Pflanzen, Tiere und Pilze.

Prokaryoten sind Bakterien (einschließlich Cyanobakterien (Blaualgen).

Der Hauptunterschied. Prokaryoten haben keinen Kern; zirkuläre DNA (zirkuläres Chromosom) befindet sich direkt im Zytoplasma (dieser Abschnitt des Zytoplasmas wird Nukleoid genannt). Eukaryoten haben einen geformten Kern (die Erbinformation [DNA] ist durch die Kernhülle vom Zytoplasma getrennt).

Andere Unterschiede.

Da Prokaryoten keinen Kern haben, gibt es bei ihnen keine Mitose/Meiose. Bakterien vermehren sich durch Spaltung in zwei Teile und sprießen aus

Eukaryoten haben je nach Art eine unterschiedliche Anzahl an Chromosomen. Prokaryoten haben ein einzelnes Chromosom (ringförmig).

Eukaryoten haben Organellen, die von Membranen umgeben sind. Prokaryoten haben keine von Membranen umgebenen Organellen, d. h. Es gibt kein endoplasmatisches Retikulum (seine Rolle spielen zahlreiche Vorsprünge der Zellmembran), keine Mitochondrien, keine Plastiden, kein Zellzentrum.

Eine prokaryotische Zelle ist viel kleiner als eine eukaryotische Zelle: 10-mal im Durchmesser, 1000-mal im Volumen.

Ähnlichkeit. Die Zellen aller lebenden Organismen (alle Reiche der lebenden Natur) enthalten eine Plasmamembran, Zytoplasma und Ribosomen.

5. Beschreiben Sie die intrazelluläre Struktur von Eukaryoten.

Die Zellen, aus denen das Gewebe von Tieren und Pflanzen besteht, unterscheiden sich erheblich in Form, Größe und innerer Struktur. Sie alle weisen jedoch Ähnlichkeiten in den Hauptmerkmalen der Lebensprozesse, des Stoffwechsels, der Reizbarkeit, des Wachstums, der Entwicklung und der Fähigkeit zur Veränderung auf.

Zellen aller Art enthalten zwei Hauptbestandteile, die eng miteinander verbunden sind – das Zytoplasma und den Zellkern. Der Zellkern ist durch eine poröse Membran vom Zytoplasma getrennt und enthält Kernsaft, Chromatin und den Nukleolus. Halbflüssiges Zytoplasma füllt die gesamte Zelle und wird von zahlreichen Tubuli durchzogen. Außen ist es mit einer Zytoplasmamembran bedeckt. Es enthält spezialisierte Organellenstrukturen, die ständig in der Zelle vorhanden sind, und temporäre Formationen – Einschlüsse. Membranorganellen: Zytoplasmatische Membran (CM), endoplasmatisches Retikulum (ER), Golgi-Apparat, Lysosomen, Mitochondrien und Plastiden. Der Aufbau aller Membranorganellen basiert auf einer biologischen Membran. Alle Membranen haben einen grundsätzlich einheitlichen Strukturplan und bestehen aus einer Doppelschicht aus Phospholipiden, in die Proteinmoleküle von verschiedenen Seiten unterschiedlich tief eintauchen. Die Membranen von Organellen unterscheiden sich voneinander nur durch die Proteinsätze, die sie enthalten.

6. Wie wird das Prinzip „Zelle – von Zelle“ umgesetzt?

Die Fortpflanzung prokaryontischer und eukaryontischer Zellen erfolgt ausschließlich durch Teilung der ursprünglichen Zelle, der die Reproduktion ihres genetischen Materials (DNA-Reduplikation) vorausgeht.

In eukaryotischen Zellen ist die Mitose (oder Meiose bei der Bildung von Keimzellen) die einzige vollständige Teilungsmethode. Dabei entsteht ein spezieller Zellteilungsapparat – die Zellspindel, mit deren Hilfe zuvor verdoppelte Chromosomen gleichmäßig und genau auf die beiden Tochterzellen verteilt werden. Diese Art der Teilung wird in allen eukaryotischen Zellen, sowohl pflanzlichen als auch tierischen, beobachtet.

Auch prokaryotische Zellen, die sich im sogenannten binären Modus teilen, nutzen einen speziellen Zellteilungsapparat, der deutlich an die mitotische Teilungsmethode der Eukaryoten erinnert. Auch die Mutterzelle wird in zwei Teile geteilt.

7. Beschreiben Sie die Phasen und die Bedeutung der Mitose.

Der Prozess der Mitose wird normalerweise in vier Hauptphasen unterteilt: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase. Da es kontinuierlich ist, erfolgt der Phasenwechsel reibungslos – eine geht unmerklich in die andere über.

In der Prophase nimmt das Volumen des Zellkerns zu und durch die Spiralisierung des Chromatins werden Chromosomen gebildet. Am Ende der Prophase ist klar, dass jedes Chromosom aus zwei Chromatiden besteht. Die Nukleolen und die Kernmembran lösen sich allmählich auf und die Chromosomen erscheinen zufällig im Zytoplasma der Zelle verteilt. Zentriolen divergieren zu den Polen der Zelle hin. Es entsteht eine Achromatin-Spaltungsspindel, deren Fäden teils von Pol zu Pol verlaufen, teils an den Zentromeren der Chromosomen befestigt sind. Der Gehalt an genetischem Material in der Zelle bleibt unverändert (2n4c).

In der Metaphase erreichen die Chromosomen ihre maximale Spiralisierung und sind am Äquator der Zelle geordnet angeordnet, sodass sie in diesem Zeitraum gezählt und untersucht werden. Der Inhalt des genetischen Materials ändert sich nicht (2n4c).

In der Anaphase „spaltet“ sich jedes Chromosom in zwei Chromatiden, die dann Tochterchromosomen genannt werden. Die an den Zentromeren befestigten Spindelstränge ziehen sich zusammen und ziehen die Chromatiden (Tochterchromosomen) zu den entgegengesetzten Polen der Zelle. Der Inhalt des genetischen Materials in der Zelle an jedem Pol wird durch einen diploiden Chromosomensatz dargestellt, aber jedes Chromosom enthält ein Chromatid (4n4c).

In der Telophase despiralieren die an den Polen befindlichen Chromosomen und werden schlecht sichtbar. Um die Chromosomen an jedem Pol wird aus Membranstrukturen des Zytoplasmas eine Kernmembran gebildet, und in den Kernen bilden sich Nukleolen. Die Spaltspindel wird zerstört. Gleichzeitig teilt sich das Zytoplasma. Tochterzellen haben einen diploiden Chromosomensatz, der jeweils aus einem Chromatid (2n2c) besteht.

Die biologische Bedeutung der Mitose besteht darin, dass sie die erbliche Übertragung von Merkmalen und Eigenschaften in einer Reihe von Zellgenerationen während der Entwicklung eines vielzelligen Organismus gewährleistet. Aufgrund der präzisen und gleichmäßigen Verteilung der Chromosomen während der Mitose sind alle Zellen eines einzelnen Organismus genetisch identisch.

Die mitotische Zellteilung liegt allen Formen der asexuellen Fortpflanzung sowohl in einzelligen als auch in mehrzelligen Organismen zugrunde. Mitose bestimmt die wichtigsten Phänomene des Lebens: Wachstum, Entwicklung und Wiederherstellung von Geweben und Organen sowie die ungeschlechtliche Fortpflanzung von Organismen.

8. Was ist der Zellzyklus?

Der Zellzyklus (Mitosezyklus) ist der gesamte Zeitraum der Zellexistenz vom Erscheinen der Mutterzelle während der Teilung bis zu ihrer eigenen Teilung (einschließlich der Teilung selbst) oder dem Tod. Es besteht aus Interphase und Zellteilung.

9. Welche Rolle spielte die Zelle in der Evolution der Organismen?

Die Zelle führte zur Weiterentwicklung der organischen Welt. Im Laufe dieser Entwicklung wurde eine erstaunliche Vielfalt an Zellformen erreicht, es entstand Vielzelligkeit, Zellspezialisierung und Zellgewebe entstanden.

10. Nennen Sie die wichtigsten Prozesse des Zelllebens.

Stoffwechsel – Nährstoffe gelangen in die Zelle und unnötige werden entfernt. Bewegung des Zytoplasmas – transportiert Stoffe in der Zelle. Atmung – Sauerstoff gelangt in die Zelle und Kohlendioxid wird entfernt. Ernährung – Nährstoffe gelangen in die Zelle. Wachstum – die Zelle nimmt an Größe zu. Entwicklung – die Struktur der Zelle wird komplexer.

11. Weisen Sie auf die Bedeutung von Mitose und Meiose in der Zellentwicklung hin.

Dank der mitotischen Zellteilung findet die individuelle Entwicklung des Organismus statt – sein Wachstum nimmt zu, Gewebe werden erneuert, alternde und abgestorbene Zellen werden ersetzt und es kommt zu einer ungeschlechtlichen Fortpflanzung von Organismen. Auch die Konstanz der Karyotypen der Individuen der Art ist gewährleistet.

Dank der Meiose kommt es zum Crossing Over (Austausch von Abschnitten homologer Chromosomen). Dadurch wird die Rekombination genetischer Informationen gefördert und es entstehen Zellen mit völlig neuen Genen (Vielfalt der Organismen).

12. Was sind die wichtigsten Ereignisse in der Entwicklung lebender Materie, die während des Evolutionsprozesses auf zellulärer Ebene stattfanden?

Wichtige Aromorphosen (Mitose, Meiose, Gameten, Sexualprozess, Zygote, vegetative und sexuelle Fortpflanzung).

Das Auftreten von Zellkernen in Zellen (Eukaryonten).

Symbiotische Prozesse in Einzellern – die Entstehung von Organellen.

Autotrophie und Heterotrophie.

Mobilität und Immobilität.

Die Entstehung mehrzelliger Organismen.

Differenzierung von Zellfunktionen in mehrzelligen Organismen.

13. Beschreiben Sie die allgemeine Bedeutung der zellulären Ebene lebender Materie in der Natur und für den Menschen.

Die einst als elementares Biosystem entstandene Zelle wurde zur Grundlage aller weiteren Entwicklungen der organischen Welt. Die Entwicklung von Bakterien, Cyanobakterien, verschiedenen Algen und Protozoen erfolgte ausschließlich aufgrund der strukturellen, funktionellen und biochemischen Transformationen der primären lebenden Zelle. Im Laufe dieser Entwicklung wurde eine erstaunliche Vielfalt an Zellformen erreicht, der allgemeine Plan der Zellstruktur erfuhr jedoch keine grundlegenden Änderungen. Im Laufe der Evolution entstand auf der Grundlage einzelliger Lebensformen Vielzelligkeit, Zellspezialisierung und Zellgewebe.

Sagen Sie Ihre Meinung

1. Warum genau auf der zellulären Ebene der Lebensorganisation entstanden Eigenschaften von Lebewesen wie Autotrophie und Heterotrophie, Mobilität und Immobilität, Vielzelligkeit und Spezialisierung in Struktur und Funktion? Was hat zu solchen Ereignissen im Leben der Zelle beigetragen?

Die Zelle ist die grundlegende strukturelle und funktionelle Einheit von Lebewesen. Hierbei handelt es sich um eine Art lebendes System, das durch Atmung, Ernährung, Stoffwechsel, Reizbarkeit, Diskretion, Offenheit und Vererbung gekennzeichnet ist. Auf zellulärer Ebene entstanden die ersten lebenden Organismen. In einer Zelle erfüllt jedes Organell eine spezifische Funktion und hat eine spezifische Struktur. Zusammengenommen und funktionsfähig stellen sie ein einziges Biosystem dar, das alle Eigenschaften eines Lebewesens aufweist.

Auch die Zelle als vielzelliger Organismus hat sich über viele Jahrhunderte hinweg weiterentwickelt. Verschiedene Umweltbedingungen, Naturkatastrophen und biotische Faktoren haben zur Komplexität der Zellorganisation geführt.

Deshalb entstanden Autotrophie und Heterotrophie, Mobilität und Immobilität, Vielzelligkeit und Spezialisierung in Struktur und Funktion genau auf der Zellebene, wo alle Organellen und die Zelle als Ganzes harmonisch und zielgerichtet existieren.

2. Auf welcher Grundlage haben alle Wissenschaftler Cyanobakterien sehr lange und erst Ende des 20. Jahrhunderts den Pflanzen, insbesondere Algen, zugeordnet? Wurden sie dem Reich der Bakterien zugeordnet?

Die relativ große Größe der Zellen (Nostok bildet zum Beispiel ziemlich große Kolonien, die man sogar aufnehmen kann), führten in ähnlicher Weise wie höhere Pflanzen eine Photosynthese unter Freisetzung von Sauerstoff durch, und auch die äußere Ähnlichkeit mit Algen war die Grund für ihre frühere Betrachtung als Bestandteil von Pflanzen („Blaualgen“).

Und am Ende des 20. Jahrhunderts wurde bewiesen, dass Zellen keine blaugrünen Kerne haben und das Chlorophyll in ihren Zellen nicht dasselbe wie in Pflanzen ist, sondern charakteristisch für Bakterien. Mittlerweile gehören Cyanobakterien zu den am komplexesten organisierten und morphologisch differenziertesten prokaryotischen Mikroorganismen.

3. Aus welchem ​​pflanzlichen und tierischen Zellgewebe bestehen die Kleidungsstücke und Schuhe, die Sie heute in der Schule getragen haben?

Wählen Sie diejenigen aus, die zu Ihnen passen. Sie können viele Beispiele nennen. Beispielsweise wird Flachs (Bastfasern – leitfähiger Stoff) zur Herstellung von Stoffen mit langlebiger Struktur (Herrenhemden, Damenanzüge, Unterwäsche, Socken, Hosen, Sommerkleider) verwendet. Baumwolle wird zur Herstellung von Unterwäsche, T-Shirts, Hemden, Hosen und Sommerkleidern verwendet. Schuhe (Schuhe, Sandalen, Stiefel) und Gürtel werden aus Tierhaut (Epithelgewebe) hergestellt. Warme Kleidung wird aus der Wolle von Pelztieren hergestellt. Pullover, Socken, Mützen und Fäustlinge werden aus Wolle hergestellt. Hergestellt aus Seide (das Geheimnis der Seidenraupendrüsen ist Bindegewebe) – Hemden, Schals, Unterwäsche.

Problem zur Diskussion

Charles Darwins Großvater Erasmus Darwin, ein Arzt, Naturforscher und Dichter, schrieb Ende des 18. Jahrhunderts. das Gedicht „Der Tempel der Natur“, das 1803 nach seinem Tod veröffentlicht wurde. Lesen Sie einen kurzen Auszug aus diesem Gedicht und überlegen Sie, welche Vorstellungen über die Rolle der zellulären Lebensebene in diesem Werk zu finden sind (der Auszug ist im Buch enthalten).

Die Entstehung des irdischen Lebens erfolgte aus den kleinsten Zellformen. Auf zellulärer Ebene entstanden die ersten lebenden Organismen. Auch die Zelle als Organismus wuchs und entwickelte sich und gab dadurch den Anstoß zur Bildung vieler Zellformen. Sie konnten sowohl den „Schluff“ als auch die „Wassermasse“ besiedeln. Höchstwahrscheinlich führten verschiedene Umweltbedingungen, Naturkatastrophen und biotische Faktoren zu einer komplexeren Organisation der Zellen, was zur „Mitgliedergewinnung“ (was Mehrzelligkeit impliziert) führte.

Grundlegendes Konzept

Prokaryoten oder pränukleäre Organismen sind Organismen, deren Zellen keinen gebildeten Kern haben, der von einer Membran begrenzt ist.

Eukaryoten oder Kernorganismen sind Organismen, deren Zellen einen wohlgeformten Kern haben, der durch eine Kernhülle vom Zytoplasma getrennt ist.

Ein Organoid ist eine Zellstruktur, die bestimmte Funktionen erfüllt.

Der Zellkern ist der wichtigste Teil einer eukaryotischen Zelle und reguliert alle ihre Aktivitäten. trägt Erbinformationen in DNA-Makromolekülen.

Ein Chromosom ist eine DNA-haltige fadenförmige Struktur im Zellkern, die Gene, Erbeinheiten, in linearer Reihenfolge trägt.

Eine biologische Membran ist eine elastische Molekülstruktur, die aus Proteinen und Lipiden besteht. Trennt den Inhalt jeder Zelle von der äußeren Umgebung und gewährleistet so deren Integrität.

Mitose (indirekte Zellteilung) ist eine universelle Methode zur Teilung eukaryotischer Zellen, bei der Tochterzellen genetisches Material erhalten, das mit dem der ursprünglichen Zelle identisch ist.

Meiose ist eine Methode zur Teilung eukaryotischer Zellen, die mit einer Halbierung (Verringerung) der Chromosomenzahl einhergeht; Aus einer diploiden Zelle entstehen vier haploide Zellen.

Der Zellzyklus ist der Fortpflanzungszyklus einer Zelle, der aus mehreren aufeinanderfolgenden Ereignissen besteht (z. B. Interphase und Mitose bei Eukaryoten), bei denen sich der Inhalt der Zelle verdoppelt und sie sich in zwei Tochterzellen teilt.

Die zelluläre Strukturebene der Organisation lebender Materie ist eine der Strukturebenen des Lebens, deren strukturelle und funktionelle Einheit der Organismus und die Einheit die Zelle ist. Auf der Ebene des Organismus treten folgende Phänomene auf: Fortpflanzung, Funktion des Gesamtorganismus, Ontogenese usw.

Alle lebenden Organismen, mit Ausnahme von Viren, bestehen aus Zellen. Sie sorgen für alle Prozesse, die für das Leben einer Pflanze oder eines Tieres notwendig sind. Eine Zelle selbst kann ein separater Organismus sein. Und wie kann ein so komplexes Gebilde ohne Energie leben? Natürlich nicht. Wie gewinnen Zellen also Energie? Es basiert auf den Prozessen, die wir im Folgenden betrachten werden.

Zellen mit Energie versorgen: Wie gelingt das?

Nur wenige Zellen erhalten Energie von außen; sie produzieren sie selbst. haben einzigartige „Stationen“. Und die Energiequelle in der Zelle ist das Mitochondrium, das Organell, das sie produziert. Darin findet der Prozess der Zellatmung statt. Dadurch werden die Zellen mit Energie versorgt. Sie kommen jedoch nur in Pflanzen, Tieren und Pilzen vor. Bakterienzellen haben keine Mitochondrien. Daher erfolgt die Energieversorgung ihrer Zellen hauptsächlich durch Fermentationsprozesse und nicht durch Atmung.

Die Struktur der Mitochondrien

Dabei handelt es sich um ein Doppelmembranorganell, das im Laufe der Evolution durch die Aufnahme eines kleineren Organells in eine eukaryotische Zelle entstand. Dies kann die Tatsache erklären, dass Mitochondrien ihre eigene DNA und RNA sowie mitochondriale Ribosomen enthalten, die produzieren Proteine, die für Organellen notwendig sind.

Die innere Membran weist Vorsprünge auf, die Cristae oder Grate genannt werden. Der Prozess der Zellatmung findet an den Cristae statt.

Was sich innerhalb der beiden Membranen befindet, wird Matrix genannt. Es enthält Proteine, Enzyme, die zur Beschleunigung chemischer Reaktionen notwendig sind, sowie RNA, DNA und Ribosomen.

Die Zellatmung ist die Grundlage des Lebens

Es findet in drei Etappen statt. Schauen wir uns jeden von ihnen genauer an.

Die erste Phase ist vorbereitend

In dieser Phase werden komplexe organische Verbindungen in einfachere zerlegt. So zerfallen Proteine ​​in Aminosäuren, Fette in Carbonsäuren und Glycerin, Nukleinsäuren in Nukleotide und Kohlenhydrate in Glukose.

Glykolyse

Dies ist die sauerstofffreie Phase. Es liegt darin, dass die in der ersten Stufe gewonnenen Stoffe weiter aufgespalten werden. Die Hauptenergiequellen, die die Zelle in diesem Stadium nutzt, sind Glukosemoleküle. Jedes von ihnen zerfällt während der Glykolyse in zwei Pyruvatmoleküle. Dies geschieht während zehn aufeinanderfolgender chemischer Reaktionen. Durch die ersten fünf wird Glucose phosphoryliert und anschließend in zwei Phosphotriosen gespalten. Die nächsten fünf Reaktionen produzieren zwei Moleküle und zwei Moleküle PVA (Brenztraubensäure). Die Energie der Zelle wird in Form von ATP gespeichert.

Der gesamte Prozess der Glykolyse kann wie folgt vereinfacht werden:

2NAD+ 2ADP + 2H 3 PO 4 + C 6 H 12 O 6 → 2H 2 O + 2NAD. H 2 + 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP

Durch die Verwendung eines Moleküls Glucose, zwei Molekülen ADP und zwei Molekülen Phosphorsäure erhält die Zelle also zwei Moleküle ATP (Energie) und zwei Moleküle Brenztraubensäure, die sie im nächsten Schritt verwenden wird.

Die dritte Stufe ist die Oxidation

Dieses Stadium findet nur in Gegenwart von Sauerstoff statt. Die chemischen Reaktionen dieser Stufe finden in den Mitochondrien statt. Dies ist der Hauptteil, in dem die meiste Energie freigesetzt wird. In diesem Stadium reagiert es mit Sauerstoff und zerfällt in Wasser und Kohlendioxid. Darüber hinaus werden 36 ATP-Moleküle gebildet. Daraus können wir schließen, dass die Hauptenergiequellen in der Zelle Glukose und Brenztraubensäure sind.

Indem wir alle chemischen Reaktionen zusammenfassen und Details weglassen, können wir den gesamten Prozess der Zellatmung mit einer vereinfachten Gleichung ausdrücken:

6O 2 + C 6 H 12 O 6 + 38ADP + 38H 3 PO 4 → 6CO 2 + 6H2O + 38ATP.

So erhält die Zelle bei der Atmung aus einem Molekül Glukose, sechs Molekülen Sauerstoff, achtunddreißig Molekülen ADP und der gleichen Menge Phosphorsäure 38 Moleküle ATP, in deren Form Energie gespeichert wird.

Vielfalt mitochondrialer Enzyme

Energie für lebenswichtige Aktivitäten erhält die Zelle durch die Atmung – die Oxidation von Glukose und dann Brenztraubensäure. Alle diese chemischen Reaktionen könnten ohne Enzyme – biologische Katalysatoren – nicht stattfinden. Schauen wir uns diejenigen an, die sich in den Mitochondrien befinden, den Organellen, die für die Zellatmung verantwortlich sind. Sie alle werden Oxidoreduktasen genannt, weil sie für den Ablauf von Redoxreaktionen notwendig sind.

Alle Oxidoreduktasen lassen sich in zwei Gruppen einteilen:

• Oxidasen;
• Dehydrogenase;

Dehydrogenasen wiederum werden in aerobe und anaerobe unterteilt. Aerobe enthalten das Coenzym Riboflavin, das der Körper aus Vitamin B2 erhält. Aerobe Dehydrogenasen enthalten NAD- und NADP-Moleküle als Coenzyme.

Oxidasen sind vielfältiger. Zunächst werden sie in zwei Gruppen eingeteilt:

• solche, die Kupfer enthalten;
• solche, die Eisen enthalten.

Zu den ersten gehören Polyphenoloxidasen und Ascorbatoxidase, zu den zweiten Katalase, Peroxidase und Cytochrome. Letztere wiederum werden in vier Gruppen eingeteilt:

• Cytochrome a;
• Cytochrome b;
• Cytochrome c;
• Cytochrome d.

Cytochrome a enthalten Eisenformylporphyrin, Cytochrome b – Eisenprotoporphyrin, c – substituiertes Eisenmesoporphyrin, d – Eisendihydroporphyrin.

Gibt es andere Möglichkeiten, Energie zu gewinnen?

Obwohl die meisten Zellen es durch Zellatmung erhalten, gibt es auch anaerobe Bakterien, die keinen Sauerstoff benötigen, um zu existieren. Sie produzieren die nötige Energie durch Fermentation. Hierbei handelt es sich um einen Prozess, bei dem mit Hilfe von Enzymen Kohlenhydrate ohne Beteiligung von Sauerstoff abgebaut werden, wodurch die Zelle Energie erhält. Abhängig vom Endprodukt chemischer Reaktionen gibt es verschiedene Arten der Fermentation. Es kann Milchsäure, Alkoholsäure, Buttersäure, Aceton-Butan oder Zitronensäure sein.

Betrachten Sie zum Beispiel: Es kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

C 6 H 12 O 6 → C 2 H 5 OH + 2CO 2

Das heißt, das Bakterium zerlegt ein Molekül Glucose in ein Molekül Ethylalkohol und zwei Moleküle Kohlenoxid (IV).

1. Arten der Ernährung lebender Organismen
2. Photosynthese
3. Energiestoffwechsel

1. Lebensaktivität aller Organismen ist nur möglich, wenn sie über Energie verfügen. Nach der Methode der Energiegewinnung werden alle Zellen und Organismen in zwei Gruppen eingeteilt: Autotrophe Und Heterotrophe.

Heterotrophe(Griechisch Heteros – anders, anders und trophe – Nahrung, Ernährung) sind nicht in der Lage, organische Verbindungen selbst aus anorganischen zu synthetisieren, sie müssen sie aus der Umwelt aufnehmen. Organische Stoffe dienen ihnen nicht nur als Nahrung, sondern auch als Energiequelle. Zu den Heterotrophen zählen alle Tiere, Pilze, die meisten Bakterien sowie Landpflanzen und Algen, die kein Chlorophyll sind.

Je nach Art der Nahrungsgewinnung werden heterotrophe Organismen unterteilt in Holozoen(Tiere), die feste Partikel einfangen, und osmotroph(Pilze, Bakterien), die sich von gelösten Stoffen ernähren.

Verschiedene heterotrophe Organismen sind in der Lage, alle Substanzen, die von Autotrophen synthetisiert werden, sowie Mineralstoffe, die als Ergebnis menschlicher Produktionsaktivitäten synthetisiert werden, kollektiv abzubauen. Heterotrophe Organismen bilden zusammen mit Autotrophen ein einziges biologisches System auf der Erde, das durch trophische Beziehungen verbunden ist.

Autotrophe- Organismen, die sich von anorganischen Verbindungen ernähren (d. h. Energie aufnehmen), das sind einige Bakterien und alle grünen Pflanzen. Autotrophe werden in Chemotrophe und Phototrophe unterteilt.

Chemotrophe- Organismen, die die bei Redoxreaktionen freigesetzte Energie nutzen. Zu den Chemotrophen zählen nitrifizierende (Stickstoff-fixierende) Bakterien, Schwefel-, Wasserstoff- (Methan-bildende), Mangan-, Eisen-bildende und Kohlenmonoxid-verwendende Bakterien.

Phototrophe- nur grüne Pflanzen. Die Energiequelle für sie ist Licht.

2. Photosynthese(Griechisch Phos - Gen. Herbst. Fotos - Licht und Synthese - Verbindung) - die Bildung organischer Substanzen unter Beteiligung von Lichtenergie durch die Zellen grüner Pflanzen sowie einige Bakterien, der Prozess der Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. Tritt mit Hilfe von Pigmenten (Chlorophyll und einige andere) in den Thylakoiden von Chloroplasten und Chromatophoren von Zellen auf. Die Photosynthese basiert auf Redoxreaktionen, bei denen Elektronen von einem Donor-Reduzierer (Wasser, Wasserstoff usw.) auf einen Akzeptor (lateinisch Akzeptor – Empfänger) – Kohlendioxid, Acetat – unter Bildung reduzierter Verbindungen – Kohlenhydrate und der Freisetzung von – übertragen werden Sauerstoff, wenn Wasser oxidiert wird.

Photosynthetische Bakterien, die andere Spender als Wasser verwenden, produzieren keinen Sauerstoff.

Lichtreaktionen der Photosynthese(verursacht durch Licht) treten in den Grana von Chloroplasten-Thylakoiden auf. Sichtbare Lichtquanten (Photonen) interagieren mit Chlorophyllmolekülen und überführen sie in einen angeregten Zustand. Ein Elektron im Chlorophyll absorbiert ein Lichtquant einer bestimmten Länge und bewegt sich wie in Schritten entlang der Kette der Elektronenträger, wobei es Energie verliert, die der Phosphorylierung von ADP zu ATP dient. Dies ist ein sehr effizienter Prozess: Chloroplasten produzieren 30-mal mehr ATP als die Mitochondrien derselben Pflanzen. Dadurch wird die Energie angesammelt, die für die folgenden Dunkelreaktionen der Photosynthese erforderlich ist. Als Elektronenträger fungieren folgende Stoffe: Cytochrome, Plastoquinon, Ferredoxin, Flavoprotein, Reduktase etc. Ein Teil der angeregten Elektronen wird zur Reduktion von NADP+ zu NADPH genutzt. Bei Sonneneinstrahlung zerfällt Wasser in Chloroplasten – Photolyse, in diesem Fall werden Elektronen gebildet, die ihre Verluste durch Chlorophyll ausgleichen; Als Nebenprodukt entsteht Sauerstoff, der in die Atmosphäre unseres Planeten abgegeben wird. Dies ist der Sauerstoff, den wir atmen und der für alle aeroben Organismen notwendig ist.

Die Chloroplasten höherer Pflanzen, Algen und Cyanobakterien enthalten zwei Photosysteme unterschiedlicher Struktur und Zusammensetzung. Wenn Lichtquanten durch Pigmente (das Reaktionszentrum – ein Komplex aus Chlorophyll mit einem Protein, das Licht mit einer Wellenlänge von 680 nm absorbiert – P680) des Photosystems II absorbiert werden, werden Elektronen vom Wasser auf einen Zwischenakzeptor und durch eine Trägerkette übertragen zum Reaktionszentrum des Photosystems I. Und dieses Photosystem ist das Reaktionszentrum, das Stift-Chlorophyll-Moleküle im Komplex mit einem speziellen Protein-KOM freigibt, das Licht mit einer Wellenlänge von 700 nm absorbiert - P700. In den Molekülen von Chlorophyll F1 gibt es „Löcher“ – ungefüllte Stellen, an denen Elektronen auf PLDPH übertragen werden. Diese „Löcher“ werden mit Elektronen gefüllt, die während der Funktion des PI entstehen. Das heißt, Photosystem II liefert Elektronen an Photosystem I, die dort für die Reduktion von NADP + und NADPH aufgewendet werden. Auf dem Weg der Bewegung der durch Licht angeregten Elektronen des Photosystems II zum endgültigen Akzeptor – dem Chlorophyll des Photosystems I – wird ADP zu energiereichem ATP phosphoryliert. Somit wird Lichtenergie in ATP-Molekülen gespeichert und weiter für die Synthese von Kohlenhydraten, Proteinen, Nukleinsäuren und anderen lebenswichtigen Prozessen von Pflanzen und damit für die lebenswichtige Aktivität aller Organismen, die sich von Pflanzen ernähren, genutzt.

Dunkelreaktionen oder Kohlenstofffixierungsreaktionen, nicht mit Licht verbunden, werden im Stroma von Chloroplasten durchgeführt. Den Schlüsselplatz nimmt dabei die Fixierung von Kohlendioxid und die Umwandlung von Kohlenstoff in Kohlenhydrate ein. Diese Reaktionen sind zyklischer Natur, da einige der Zwischenkohlenhydrate einen Prozess der Kondensation und Umlagerung zu Ribulosediphosphat, dem primären Akzeptor von CO 2, durchlaufen, der den kontinuierlichen Ablauf des Zyklus gewährleistet. Dieser Prozess wurde erstmals vom amerikanischen Biochemiker Melvin Calvin beschrieben

Die Umwandlung der anorganischen Verbindung CO 2 in organische Verbindungen – Kohlenhydrate, in deren chemischen Bindungen Sonnenenergie gespeichert ist, erfolgt mit Hilfe eines komplexen Enzyms – Ribulose-1,5-diphosphat-Carboxylase. Es sorgt für die Addition eines CO 2 -Moleküls an das Ribulose-1,5-diphosphat mit fünf Kohlenstoffatomen, was zur Bildung einer kurzlebigen Zwischenverbindung mit sechs Kohlenstoffatomen führt. Diese Verbindung zerfällt aufgrund der Hydrolyse in zwei Phosphoglycerinsäuremoleküle mit drei Kohlenstoffatomen, die mithilfe von ATP und NADPH zu Zuckern mit drei Kohlenstoffatomen (Triosephosphaten) reduziert werden. Aus ihnen entsteht das Endprodukt der Photosynthese, die Glukose.

Einige der Triosephosphate werden, nachdem sie Kondensations- und Umlagerungsprozesse durchlaufen haben und sich zunächst in Ribulosemonophosphat und dann in Ribulosediphosphat umwandeln, wieder in den kontinuierlichen Kreislauf der Bildung von Glucosemolekülen einbezogen. Glucose kann enzymatisch polymerisiert werden

Stärke und Zellulose sind die unterstützenden Polysaccharide der Pflanzen.

Ein Merkmal der Photosynthese einiger Pflanzen (Zuckerrohr, Mais, Amaranth) ist die anfängliche Umwandlung von Kohlenstoff durch Verbindungen mit vier Kohlenstoffatomen. Solche Pflanzen erhielten den Index C 4 -Pflanzen, und die Photosynthese in ihnen ist der Kohlenstoffstoffwechsel. C4-Pflanzen erregen aufgrund ihrer photosynthetischen Produktivität die Aufmerksamkeit der Forscher.

Möglichkeiten zur Steigerung der Produktivität landwirtschaftlicher Pflanzen:

Ausreichende mineralische Ernährung, die einen optimalen Ablauf der Stoffwechselprozesse gewährleisten kann;

Eine vollständigere Ausleuchtung, die durch bestimmte Aussaatmengen unter Berücksichtigung des Lichtverbrauchs lichtliebender und schattentoleranter Pflanzen erreicht werden kann;

Normaler Kohlendioxidgehalt in der Luft (mit einer Erhöhung seines Gehalts wird der Prozess der Pflanzenatmung, der mit der Photosynthese verbunden ist, gestört);

Bodenfeuchtigkeit entsprechend dem Feuchtigkeitsbedarf der Pflanzen, abhängig von klimatischen und agrotechnischen Bedingungen.

Die Bedeutung der Photosynthese in der Natur.

Durch die Photosynthese auf der Erde werden jährlich 150 Milliarden Tonnen organisches Material gebildet und etwa 200 Milliarden Tonnen freier Sauerstoff freigesetzt. Die Photosynthese sorgt nicht nur für die Bereitstellung und Aufrechterhaltung der aktuellen Zusammensetzung der Erdatmosphäre, die für das Leben ihrer Bewohner notwendig ist, sondern verhindert auch einen Anstieg der CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre und verhindert so eine Überhitzung unseres Planeten (aufgrund des sogenannten Treibhauses). Wirkung). Der bei der Photosynthese freigesetzte Sauerstoff ist für die Atmung von Organismen und den Schutz vor schädlicher kurzwelliger ultravioletter Strahlung notwendig.

Chemosynthese(spätes griechisches Chemeta – Chemie und griechische Synthese – Verbindung) – ein autotropher Prozess der Bildung organischer Materie durch Bakterien, die kein Chlorophyll enthalten. Die Chemosynthese erfolgt durch Oxidation anorganischer Verbindungen: Wasserstoff, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Eisen(II)-oxid usw. Die Aufnahme von CO 2 erfolgt wie bei der Photosynthese (Calvin-Zyklus), mit Ausnahme der Methanbildung, Homo -Acetatbakterien. Die durch Oxidation gewonnene Energie wird in Bakterien in Form von ATP gespeichert.

Chemosynthetische Bakterien spielen eine äußerst wichtige Rolle in den biogeochemischen Kreisläufen chemischer Elemente in der Biosphäre. Die lebenswichtige Aktivität nitrifizierender Bakterien ist einer der wichtigsten Faktoren für die Bodenfruchtbarkeit. Chemosynthetische Bakterien oxidieren Verbindungen von Eisen, Mangan, Schwefel usw.

Die Chemosynthese wurde 1887 vom russischen Mikrobiologen Sergei Nikolaevich Vinogradsky (1856-1953) entdeckt.

3. Energiestoffwechsel

Unter Beteiligung spezieller Enzyme in verschiedenen Teilen von Zellen und Organismen werden drei Stufen des Energiestoffwechsels durchgeführt.

Die erste Phase ist vorbereitend- tritt (bei Tieren in den Verdauungsorganen) unter der Wirkung von Enzymen auf, die Moleküle von Di- und Polysacchariden, Fetten, Proteinen, Nukleinsäuren in kleinere Moleküle zerlegen: Glucose, Glycerin und Fettsäuren, Aminosäuren, Nukleotide. Dabei wird eine kleine Menge Energie freigesetzt, die als Wärme abgegeben wird.

Die zweite Stufe ist die sauerstofffreie oder unvollständige Oxidation. Es wird auch anaerobe Atmung (Fermentation) oder genannt Glykolyse. Glykolyseenzyme sind im flüssigen Teil des Zytoplasmas – dem Hyaloplasma – lokalisiert. Glukose wird abgebaut, wobei jedes Mol schrittweise unter Beteiligung von Enzymen zu zwei Molekülen Brenztraubensäure CH 3 - CO - COOH mit drei Kohlenstoffatomen gespalten und oxidiert wird, wobei COOH eine für organische Säuren charakteristische Carboxylgruppe ist.

An dieser Glukoseumwandlung sind nacheinander neun Enzyme beteiligt. Bei der Glykolyse werden Glucosemoleküle oxidiert, d. h. Wasserstoffatome gehen verloren. Der Wasserstoffakzeptor (und das Elektron) in diesen Reaktionen sind Nicotinamid-Nindinukleotidmoleküle (NAD+), die in ihrer Struktur NADP+ ähneln und sich nur durch das Fehlen eines Phosphorsäurerests im Ribosemolekül unterscheiden. Wenn Brenztraubensäure aufgrund reduzierter NAD reduziert wird, entsteht das Endprodukt der Glykolyse – Milchsäure. Phosphorsäure und ATP sind am Abbau von Glukose beteiligt.

Zusammenfassend sieht dieser Prozess so aus:

C 6 H 12 O 6 + 2 H 3 P0 4 + 2 ADP = 2 C 3 H 6 0 3 + 2 ATP + 2 H 2 0.

Bei Hefepilzen wird ein Glukosemolekül ohne Beteiligung von Sauerstoff in Ethylalkohol und Kohlendioxid umgewandelt (alkoholische Gärung):

C 6 H 12 O 6 +2H 3 P0 4 +2ADP - 2C 2 H b 0H+2C0 2 +2ATP+2H 2 O.

Bei einigen Mikroorganismen kann der Abbau von Glukose ohne Sauerstoff zur Bildung von Essigsäure, Aceton usw. führen. In allen Fällen geht der Abbau eines Glukosemoleküls mit der Bildung von zwei ATP-Molekülen in den hochenergetischen Bindungen einher Dabei werden 40 % der Energie gespeichert, der Rest wird als Wärme abgegeben.

Die dritte Stufe des Energiestoffwechsels(Sauerstoffspaltungsstufe , oder Stadium der aeroben Atmung) findet in Mitochondrien statt. Dieses Stadium ist mit der mitochondrialen Matrix und der inneren Membran verbunden; Dabei handelt es sich um Enzyme, die einen enzymatischen Ring namens „Förderer“ darstellen Krebs Zyklus, benannt nach dem Wissenschaftler, der es entdeckt hat. Diese komplexe und lange Wirkungsweise vieler Enzyme wird auch als Tricarbonsäurezyklus.

In den Mitochondrien wird Brenztraubensäure (PVA) oxidiert und in eine energiereiche Substanz umgewandelt – Acetyl-Coenzym A, kurz Acetyl-CoA. Im Krebszyklus stammen Acetyl-CoA-Moleküle aus verschiedenen Energiequellen. Im Prozess der PVK-Oxidation werden die Elektronenakzeptoren NAD + zu NADH und ein anderer Akzeptortyp reduziert – FAD zu FADH 2 (FAD ist ein Flavinadenindinukleotid). Die in diesen Molekülen gespeicherte Energie wird für die Synthese von ATP genutzt – einem universellen biologischen Energiespeicher. Während der aeroben Atmungsphase bewegen sich Elektronen von NADH und FADH 2 entlang einer mehrstufigen Übertragungskette zum endgültigen Elektronenakzeptor – molekularem Sauerstoff. An der Übertragung sind mehrere Elektronenträger beteiligt: ​​Coenzym Q, Cytochrome und vor allem Sauerstoff. Wenn sich Elektronen von Stufe zu Stufe des Atmungsförderers bewegen, wird Energie freigesetzt, die für die ATP-Synthese aufgewendet wird. In den Mitochondrien verbinden sich H + -Kationen mit O 2 ~-Anionen zu Wasser. Im Krebszyklus entsteht CO 2 und in der Elektronenübertragungskette Wasser. In diesem Fall trägt ein Molekül Glucose, das unter Zugang von Sauerstoff zu C0 2 und H 2 0 vollständig oxidiert, zur Bildung von 38 ATP-Molekülen bei. Daraus folgt, dass die Hauptrolle bei der Energieversorgung der Zelle der Sauerstoffabbau organischer Stoffe bzw. die aerobe Atmung spielt. Bei Sauerstoffmangel oder Sauerstoffmangel kommt es zum sauerstofffreien, anaeroben Abbau organischer Stoffe; Die Energie eines solchen Prozesses reicht nur aus, um zwei ATP-Moleküle zu erzeugen. Dadurch können Lebewesen für kurze Zeit ohne Sauerstoff überleben.

Der Lebenszyklus einer Zelle zeigt deutlich, dass das Leben einer Zelle in eine Phase der Interkinese und Mitose unterteilt ist. Während der Interkinese werden alle Lebensprozesse außer der Teilung aktiv ausgeführt. Konzentrieren wir uns zunächst auf sie. Der wichtigste Lebensprozess einer Zelle ist der Stoffwechsel.

Darauf aufbauend kommt es zur Bildung spezifischer Stoffe, zum Wachstum, zur Differenzierung von Zellen sowie zur Reizbarkeit, Bewegung und Selbstreproduktion von Zellen. In einem vielzelligen Organismus ist die Zelle Teil des Ganzen. Daher werden die morphologischen Merkmale und die Natur aller Lebensprozesse der Zelle unter dem Einfluss des Organismus und der umgebenden äußeren Umgebung geformt. Der Körper übt seinen Einfluss auf die Zellen hauptsächlich über das Nervensystem sowie durch den Einfluss von Hormonen aus den endokrinen Drüsen aus.

Der Stoffwechsel ist eine bestimmte Reihenfolge der Stoffumwandlung, die zur Erhaltung und Selbsterneuerung der Zelle führt. Beim Stoffwechsel gelangen einerseits Stoffe in die Zelle, die verarbeitet werden und Teil des Zellkörpers werden, andererseits werden Stoffe, die Zerfallsprodukte sind, aus der Zelle, also der Zelle und dem Körper, entfernt Umweltaustauschstoffe. Chemisch gesehen drückt sich der Stoffwechsel in chemischen Reaktionen aus, die in einer bestimmten Reihenfolge aufeinander folgen. Für eine strikte Ordnung bei der Stoffumwandlung sorgen Eiweißstoffe – Enzyme, die die Rolle von Katalysatoren spielen. Enzyme sind spezifisch, das heißt, sie wirken nur auf bestimmte Stoffe auf eine bestimmte Weise. Unter dem Einfluss von Enzymen verändert sich dieser Stoff von allen möglichen Umwandlungen um ein Vielfaches schneller in nur eine Richtung. Die dabei entstehenden neuen Stoffe verändern sich unter dem Einfluss anderer, ebenso spezifischer Enzyme etc. weiter.

Das treibende Prinzip des Stoffwechsels ist das Gesetz der Einheit und des Kampfes der Gegensätze. Tatsächlich wird der Stoffwechsel durch zwei widersprüchliche und zugleich einheitliche Prozesse bestimmt – Assimilation und Dissimilation. Aus der äußeren Umgebung aufgenommene Stoffe werden von der Zelle verarbeitet und in für die Zelle charakteristische Stoffe umgewandelt (Assimilation). Dadurch wird die Zusammensetzung seines Zytoplasmas und seiner Kernorganellen erneuert, trophische Einschlüsse werden gebildet, Sekrete und Hormone werden produziert. Assimilationsprozesse sind synthetisch; sie finden statt, wenn Energie absorbiert wird. Die Quelle dieser Energie sind die Prozesse der Dissimilation. Dadurch werden ihre zuvor gebildeten organischen Substanzen zerstört, Energie wird freigesetzt und es entstehen Produkte, von denen einige zu neuen Zellsubstanzen synthetisiert werden, während andere aus der Zelle ausgeschieden werden. Die bei der Dissimilation freigesetzte Energie wird bei der Assimilation genutzt. Somit sind Assimilation und Dissimilation zwei zwar unterschiedliche, aber eng miteinander verbundene Aspekte des Stoffwechsels.

Die Art des Stoffwechsels variiert nicht nur zwischen verschiedenen Tieren, sondern sogar innerhalb desselben Organismus in verschiedenen Organen und Geweben. Diese Besonderheit äußert sich darin, dass die Zellen jedes Organs nur bestimmte Stoffe aufnehmen, daraus bestimmte Stoffe ihres Körpers aufbauen und ganz bestimmte Stoffe an die äußere Umgebung abgeben können. Neben dem Stoffwechsel findet auch ein Energieaustausch statt, das heißt, die Zelle nimmt Energie aus der äußeren Umgebung in Form von Wärme, Licht auf und gibt wiederum Strahlungs- und andere Energiearten ab.

Der Stoffwechsel besteht aus einer Reihe privater Prozesse. Die wichtigsten:

1) Eindringen von Substanzen in die Zelle;

2) ihre „Verarbeitung“ mithilfe der Prozesse der Ernährung und Atmung (aerob und anaerob);

3) die Verwendung „verarbeiteter“ Produkte für verschiedene Syntheseprozesse, ein Beispiel hierfür kann die Proteinsynthese und die Bildung von Sekreten sein;

4) Entfernung von Abfallprodukten aus der Zelle.

Das Plasmalemma spielt eine wichtige Rolle beim Eindringen von Stoffen sowie beim Abtransport von Stoffen aus der Zelle. Beide Prozesse können aus physikalisch-chemischer und morphologischer Sicht betrachtet werden. Durchlässigkeit erfolgt durch passiven und aktiven Transport. Die erste tritt aufgrund der Diffusions- und Osmosephänomene auf. Allerdings können entgegen diesen Gesetzen Stoffe in die Zelle gelangen, was auf die Aktivität der Zelle selbst und ihre Selektivität hinweist. Es ist beispielsweise bekannt, dass Natriumionen aus der Zelle gepumpt werden, auch wenn ihre Konzentration in der äußeren Umgebung höher ist als in der Zelle, Kaliumionen hingegen werden in die Zelle gepumpt. Dieses Phänomen wird als „Natrium-Kalium-Pumpe“ bezeichnet und geht mit einem Energieaufwand einher. Die Fähigkeit, in eine Zelle einzudringen, nimmt ab, wenn die Anzahl der Hydroxylgruppen (OH) im Molekül zunimmt, wenn eine Aminogruppe (NH2) in das Molekül eingeführt wird. Organische Säuren dringen leichter ein als anorganische Säuren. Aus Laugen dringt Ammoniak besonders schnell ein. Auch die Größe des Moleküls ist für die Permeabilität von Bedeutung. Die Permeabilität einer Zelle ändert sich je nach Reaktion, Temperatur, Beleuchtung, Alter und physiologischem Zustand der Zelle selbst. Diese Gründe können die Permeabilität einiger Substanzen erhöhen und gleichzeitig die Permeabilität anderer schwächen.

Das morphologische Bild der Durchlässigkeit von Stoffen aus der Umwelt ist gut nachvollziehbar und erfolgt durch Phagozytose (Phagein – verschlingen) und Pinozytose (Pynein – trinken). Die Mechanismen beider sind offenbar ähnlich und unterscheiden sich nur quantitativ. Mit Hilfe der Phagozytose werden größere Partikel eingefangen, mit Hilfe der Pinozytose werden kleinere und weniger dichte Partikel eingefangen. Zunächst werden die Substanzen von der mit Mucopolysacchariden beschichteten Oberfläche des Plasmalemmas adsorbiert, dann sinken sie zusammen mit dieser tiefer und es bildet sich eine Blase, die dann vom Plasmalemma getrennt wird (Abb. 19). Die Verarbeitung infiltrierter Stoffe erfolgt in verdauungsähnlichen Prozessen, die in der Bildung relativ einfacher Stoffe münden. Die intrazelluläre Verdauung beginnt damit, dass phagozytotische oder pinozytotische Vesikel mit primären Lysosomen, die Verdauungsenzyme enthalten, verschmelzen und ein sekundäres Lysosom oder eine Verdauungsvakuole gebildet wird. In ihnen werden Stoffe mit Hilfe von Enzymen in einfachere Stoffe zerlegt. An diesem Prozess sind nicht nur Lysosomen, sondern auch andere Zellbestandteile beteiligt. Somit stellen Mitochondrien die Energieseite des Prozesses bereit; Kanäle des Zytoplasmatischen Retikulums können zum Transport verarbeiteter Substanzen genutzt werden.

Die intrazelluläre Verdauung endet mit der Bildung einerseits relativ einfacher Produkte, aus denen neu synthetisierte komplexe Substanzen (Proteine, Fette, Kohlenhydrate) zur Erneuerung zellulärer Strukturen oder zur Bildung von Sekreten verwendet werden, und andererseits Produkten, die entstehen sollen werden als Exkremente aus der Zelle ausgeschieden. Beispiele für die Verwendung verarbeiteter Produkte sind die Proteinsynthese und die Bildung von Sekreten.

Reis. 19. Schema der Pinozytose:

L – Bildung des Pinozytosekanals (1) und der Pinozytosevesikel (2). Pfeile zeigen die Richtung der Plasmalemma-Invagination an. B-G – aufeinanderfolgende Stadien der Pinozytose; 3 – adsorbierte Partikel; 4 – von Zellauswüchsen eingefangene Partikel; 5 - Plasmamembranzellen; D, E, B – aufeinanderfolgende Stadien der Bildung einer pinozytotischen Vakuole; F – Speisereste werden von der Vakuolenhülle befreit.

Die Proteinsynthese findet an Ribosomen statt und verläuft üblicherweise in vier Stufen.

Die erste Stufe beinhaltet die Aktivierung von Aminosäuren. Ihre Aktivierung erfolgt in der zytoplasmatischen Matrix unter Beteiligung von Enzymen (Aminoacyl-RNA-Synthetasen). Es sind etwa 20 Enzyme bekannt, von denen jedes nur für eine Aminosäure spezifisch ist. Die Aktivierung einer Aminosäure erfolgt, wenn sie sich mit einem Enzym und ATP verbindet.

Durch die Wechselwirkung wird Pyrophosphat vom ATP abgespalten und die in der Bindung zwischen der ersten und zweiten Phosphatgruppe befindliche Energie wird vollständig auf die Aminosäure übertragen. Die so aktivierte Aminosäure (Aminoacyladenylat) wird reaktiv und erhält die Fähigkeit, sich mit anderen Aminosäuren zu verbinden.

Die zweite Stufe ist die Bindung der aktivierten Aminosäure an Transfer-RNA (tRNA). In diesem Fall bindet ein tRNA-Molekül nur ein Molekül aktivierter Aminosäure. An diesen Reaktionen ist das gleiche Enzym wie in der ersten Stufe beteiligt, und die Reaktion endet mit der Bildung eines t-RNA-Komplexes und einer aktivierten Aminosäure. Das tRNA-Molekül besteht aus einer kurzen Doppelhelix, die an einem Ende geschlossen ist. Das geschlossene (Kopf-)Ende dieser Helix wird durch drei Nukleotide (Anticodon) dargestellt, die die Bindung dieser t-RNA an einen bestimmten Abschnitt (Codon) eines langen Messenger-RNA-Moleküls (i-RNA) bestimmen. Am anderen Ende der tRNA ist eine aktivierte Aminosäure angebracht (Abb. 20). Wenn beispielsweise ein tRNA-Molekül am Kopfende ein UAA-Triplett aufweist, kann sich an seinem gegenüberliegenden Ende nur die Aminosäure Lysin anlagern. Somit hat jede Aminosäure ihre eigene spezifische tRNA. Wenn die drei terminalen Nukleotide in verschiedenen tRNAs gleich sind, wird ihre Spezifität durch die Nukleotidsequenz in einer anderen Region der tRNA bestimmt. Die Energie der an die tRNA gekoppelten aktivierten Aminosäure wird zur Bildung von Peptidbindungen im Polypeptidmolekül genutzt. Die aktivierte Aminosäure wird durch tRNA durch das Hyaloplasma zu den Ribosomen transportiert.

Die dritte Stufe ist die Synthese von Polypeptidketten. Messenger-RNA, die den Kern verlässt, wird durch die kleinen Untereinheiten mehrerer Ribosomen eines bestimmten Polyribosoms gezogen, und in jeder von ihnen werden die gleichen Syntheseprozesse wiederholt. Beim Räumen wird die molekulare

Reis. 20. Schema der Polypeptidsynthese an Ribosomen unter Verwendung von mRNA und t-RNA: /, 2-Ribosom; 3 – tRNA, die an einem Ende Anticodons trägt: ACC, AUA. Ayv AGC und am anderen Ende jeweils Aminosäuren: Tryptophan, Roller, Lysin, Serin (5); 4-nRNA, in der sich die Codes befinden: UGG (Tryptophan)“ URU (Valin). UAA (Lysin), UCG (Serin); 5 – synthetisiertes Polypeptid.

Ein t-RNA-Code, dessen Triplett dem i-RNA-Codewort entspricht. Das Codewort wandert dann nach links und mit ihm die daran hängende tRNA. Die von ihm eingebrachte Aminosäure ist durch eine Peptidbindung mit der zuvor eingebrachten Aminosäure des synthetisierenden Polypeptids verbunden; t-RNA wird von i-RNA getrennt, es kommt zur Translation (Kopierung) der i-RNA-Informationen, also zur Proteinsynthese. Offensichtlich werden zwei tRNA-Moleküle gleichzeitig an Ribosomen gebunden: eines an der Stelle, die die zu synthetisierende Polypeptidkette trägt, und das andere an der Stelle, an der die nächste Aminosäure befestigt wird, bevor sie ihren Platz in der Kette einnimmt.

Die vierte Stufe ist die Entfernung der Polypeptidkette vom Ribosom und die Bildung einer räumlichen Konfiguration, die für das synthetisierte Protein charakteristisch ist. Schließlich wird das Proteinmolekül, das seine Bildung abgeschlossen hat, unabhängig. t-RNA kann für eine wiederholte Synthese verwendet werden und mRNA wird zerstört. Die Dauer der Bildung eines Proteinmoleküls hängt von der Anzahl der darin enthaltenen Aminosäuren ab. Es wird angenommen, dass die Zugabe einer Aminosäure 0,5 Sekunden dauert.

Der Syntheseprozess erfordert Energie, deren Quelle ATP ist, das hauptsächlich in Mitochondrien und in geringen Mengen im Zellkern und bei erhöhter Zellaktivität auch im Hyaloplasma gebildet wird. Im Zellkern des Hyaloplasmas entsteht ATP nicht auf der Grundlage des oxidativen Prozesses wie in den Mitochondrien, sondern auf der Grundlage der Glykolyse, also eines anaeroben Prozesses. Somit erfolgt die Synthese dank der koordinierten Arbeit des Zellkerns, des Hyaloplasmas, der Ribosomen, der Mitochondrien und des körnigen zytoplasmatischen Retikulums der Zelle.

Die sekretorische Aktivität einer Zelle ist auch ein Beispiel für die koordinierte Arbeit einer Reihe zellulärer Strukturen. Unter Sekretion versteht man die Produktion spezieller Produkte durch eine Zelle, die in einem vielzelligen Organismus am häufigsten im Interesse des gesamten Organismus genutzt werden. So dienen Speichel, Galle, Magensaft und andere Sekrete der Verarbeitung von Nahrungsmitteln

Reis. 21. Schema einer der möglichen Arten der Sekretionssynthese in einer Zelle und ihrer Entfernung:

1 – im Kern abgesondert; 2 - Pro-Secret-Ausgang aus dem Kernel; 3 - Ansammlung von Prosecrete im Tank des zytoplasmatischen Retikulums; 4 – Trennung des Sekretionstanks vom zytoplasmatischen Retikulum; 5 - Lamellenkomplex; 6 - ein Sekrettropfen im Bereich des Lamellenkomplexes; 7- reifes Sekretkörnchen; 8-9 – aufeinanderfolgende Sekretionsstadien; 10 - Sekretion außerhalb der Zelle; 11 - Plasmalemma der Zelle.

Verdauungsorgane. Sekrete können entweder nur durch Proteine ​​(eine Reihe von Hormonen, Enzymen) gebildet werden oder aus Glykoproteinen (Schleim), Ligyu-Proteinen, Glykolipoproteinen bestehen, seltener werden sie durch Lipide (Milchfett und Talgdrüsen) oder anorganische Substanzen (Salzsäure) repräsentiert Säure der Fundusdrüsen).

Bei sekretorischen Zellen können normalerweise zwei Enden unterschieden werden: basal (dem perikapillären Raum zugewandt) und apikal (dem Raum zugewandt, in dem das Sekret freigesetzt wird). Bei der Anordnung der Komponenten der sekretorischen Zelle wird eine Zonierung beobachtet, und von den basalen bis zu den apikalen Enden (Polen) bilden sie die folgende Reihe: körniges zytoplasmatisches Retikulum, Kern, Lamellenkomplex, Sekretionskörnchen (Abb. 21). Das Plasmalemma des basalen und apikalen Pols trägt häufig Mikrovilli, wodurch sich die Oberfläche für den Eintritt von Stoffen aus Blut und Lymphe durch den basalen Pol und den Austritt des fertigen Sekrets durch den apikalen Pol vergrößert.

Bei der Bildung eines proteinartigen Sekrets (Bauchspeicheldrüse) beginnt der Prozess mit der Synthese von für das Sekret spezifischen Proteinen. Daher ist der Kern sekretorischer Zellen reich an Chromatin und verfügt über einen gut definierten Nukleolus, dank dessen alle drei Arten von RNA gebildet werden, in das Zytoplasma gelangen und an der Proteinsynthese beteiligt sind. Manchmal beginnt die Synthese des Sekrets offenbar im Zellkern und endet im Zytoplasma, am häufigsten jedoch im Hyaloplasma und setzt sich im körnigen zytoplasmatischen Retikulum fort. Die Tubuli des Zytoplasmatischen Retikulums spielen eine wichtige Rolle bei der Ansammlung von Primärprodukten und deren Transport. In dieser Hinsicht verfügen sekretorische Zellen über viele Ribosomen und ein gut entwickeltes zytoplasmatisches Retikulum. Abschnitte des Zytoplasmatischen Retikulums mit der Primärsekretion werden abgerissen und zum Lamellenkomplex geleitet, wo sie in dessen Vakuolen gelangen. Hier kommt es zur Bildung sekretorischer Granula.

Gleichzeitig bildet sich um das Sekret herum eine Lipoproteinmembran und das Sekret selbst reift (verliert Wasser) und wird stärker konzentriert. Das fertige Sekret in Form von Körnchen oder Vakuolen verlässt den Lamellenkomplex und wird durch den apikalen Pol der Zellen abgegeben. Mitochondrien liefern Energie für diesen gesamten Prozess. Geheimnisse, die nicht proteinischer Natur sind, werden offenbar im Zytoplasmatischen Retikulum und in einigen Fällen sogar in Mitochondrien (Lipidsekrete) synthetisiert. Der Sekretionsvorgang wird durch das Nervensystem reguliert. Neben aufbauenden Proteinen und Sekreten können durch den Stoffwechsel in der Zelle auch Stoffe trophischer Natur (Glykogen, Fett, Pigmente etc.) gebildet und Energie (Strahlungs-, Wärme- und elektrische Bioströme) erzeugt werden.

Der Stoffwechsel wird durch die Freisetzung einer Reihe von Stoffen in die äußere Umgebung vervollständigt, die in der Regel nicht und häufig von der Zelle genutzt werden

Sogar schädlich für sie. Der Abtransport von Stoffen aus der Zelle erfolgt wie der Eintrag auf der Grundlage passiver physikalisch-chemischer Prozesse (Diffusion, Osmose) und durch aktiven Transfer. Das morphologische Bild der Ausscheidung hat oft einen der Phagozytose entgegengesetzten Charakter. Die ausgeschiedenen Stoffe sind von einer Membran umgeben.

Die entstehende Blase nähert sich der Zellmembran, kommt mit ihr in Kontakt, bricht dann durch und der Inhalt der Blase erscheint außerhalb der Zelle.

Der Stoffwechsel bestimmt, wie bereits erwähnt, andere lebenswichtige Erscheinungsformen der Zelle, wie z. B. Zellwachstum und -differenzierung, Reizbarkeit und die Fähigkeit der Zellen, sich selbst zu reproduzieren.

Zellwachstum ist eine äußere Manifestation des Stoffwechsels, die sich in einer Zunahme der Zellgröße äußert. Wachstum ist nur möglich, wenn im Stoffwechselprozess die Assimilation gegenüber der Dissimilation überwiegt und jede Zelle nur bis zu einer bestimmten Grenze wächst.

Zelldifferenzierung ist eine Reihe qualitativer Veränderungen, die in verschiedenen Zellen unterschiedlich ablaufen und durch die Umgebung und die Aktivität von DNA-Abschnitten, sogenannten Genen, bestimmt werden. Dadurch entstehen Zellen unterschiedlicher Qualität in verschiedenen Geweben, die später altersbedingte Veränderungen erfahren, die wenig untersucht sind. Es ist jedoch bekannt, dass den Zellen Wasser entzogen wird, Proteinpartikel größer werden, was zu einer Verringerung der Gesamtoberfläche der dispergierten Phase des Kolloids und infolgedessen zu einer Verringerung der Stoffwechselrate führt. Daher nimmt das Vitalpotential der Zelle ab, oxidative, Reduktions- und andere Reaktionen verlangsamen sich, die Richtung einiger Prozesse ändert sich, weshalb sich verschiedene Stoffe in der Zelle ansammeln.

Die Reizbarkeit einer Zelle ist ihre Reaktion auf Veränderungen in der äußeren Umgebung, wodurch vorübergehende Widersprüche zwischen Zelle und Umwelt beseitigt werden und die lebende Struktur an die bereits veränderte äußere Umgebung angepasst wird.

Beim Phänomen der Reizbarkeit lassen sich folgende Punkte unterscheiden:

1) Exposition gegenüber einem Umwelteinfluss (z. B. mechanisch, chemisch, Strahlung usw.)

2) der Übergang der Zelle in einen aktiven, d. es können elektrische Aktionsströme usw. auftreten;

3) die Reaktion der Zelle auf den Einfluss der Umwelt, und in verschiedenen Zellen manifestiert sich die Reaktion unterschiedlich. So kommt es zu einer lokalen Stoffwechselveränderung im Bindegewebe, zu einer Kontraktion im Muskelgewebe, zur Freisetzung von Sekreten im Drüsengewebe (Speichel, Galle etc.), zu einem Nervenimpuls in den Nervenzellen und im Drüsenepithel , Muskel- und Nervengewebe, Erregung entsteht in einem Bereich und breitet sich im gesamten Gewebe aus. In einer Nervenzelle kann sich die Erregung nicht nur auf andere Elemente desselben Gewebes ausbreiten (was zur Bildung komplexer erregbarer Systeme – Reflexbögen) führt, sondern auch auf andere Gewebe. Dadurch wird die regulatorische Rolle des Nervensystems wahrgenommen. Der Grad der Komplexität dieser Reaktionen hängt vom Organisationsgrad des Tieres ab. Abhängig von der Stärke und Art des Reizmittels werden die folgenden drei Arten von Reizbarkeit unterschieden: normal, Zustand der Paranekrose und nekrotisch. Wenn die Stärke des Reizes nicht über die normalen Grenzen hinausgeht, die der Umgebung, in der die Zelle oder der Organismus als Ganzes lebt, innewohnen, beseitigen die in der Zelle ablaufenden Prozesse letztendlich den Widerspruch zur äußeren Umgebung und die Zelle kehrt zu ihr zurück ein normaler Zustand. In diesem Fall kommt es zu keiner unter dem Mikroskop sichtbaren Störung der Zellstruktur. Ist die Stärke des Reizes groß oder wirkt er über einen längeren Zeitraum auf die Zelle ein, führt eine Veränderung intrazellulärer Prozesse zu einer erheblichen Störung der Funktion, Struktur und Chemie der Zelle. Darin treten Einschlüsse auf, es bilden sich Strukturen in Form von Fäden, Klumpen, Maschen usw. Die Reaktion des Zytoplasmas verschiebt sich in Richtung Säure, eine Veränderung der Struktur und der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Zelle stört die normale Funktion der Zelle, heißt es am Rande von Leben und Tod. Nasonov und Aleksandrov nannten diesen Zustand paranekrotisch*. Er ist reversibel und kann zur Wiederherstellung der Zelle führen, aber auch zu deren Tod. Wenn der Wirkstoff schließlich mit sehr großer Kraft einwirkt, werden die Prozesse im Inneren der Zelle so stark gestört, dass eine Wiederherstellung unmöglich ist und die Zelle stirbt. Danach kommt es zu einer Reihe struktureller Veränderungen, das heißt, die Zelle gerät in einen Zustand der Nekrose oder Nekrose.

Bewegung. Die Art der Bewegung, die einer Zelle innewohnt, ist sehr vielfältig. Erstens erfährt die Zelle eine kontinuierliche Bewegung des Zytoplasmas, was offensichtlich mit der Durchführung von Stoffwechselprozessen verbunden ist. Darüber hinaus können sich verschiedene zytoplasmatische Formationen sehr aktiv in der Zelle bewegen, beispielsweise Flimmerhärchen im Flimmerepithel, Mitochondrien; Macht Bewegung und den Kern. In anderen Fällen äußert sich die Bewegung in einer Änderung der Länge oder des Volumens der Zelle mit anschließender Rückkehr in ihre ursprüngliche Position. Diese Bewegung wird in Muskelzellen, Muskelfasern und Pigmentzellen beobachtet. Auch Bewegung im Raum ist weit verbreitet. Dies kann mit Hilfe von Pseudopodien wie bei einer Amöbe durchgeführt werden. Auf diese Weise bewegen sich Leukozyten und einige Zellen des Bindegewebes und anderer Gewebe. Spermien haben eine besondere Form der Bewegung im Raum. Ihre Vorwärtsbewegung erfolgt durch eine Kombination aus schlangenförmigen Biegungen des Schwanzes und der Drehung der Spermien um die Längsachse. Bei relativ einfach organisierten Lebewesen und in einigen Zellen hochorganisierter vielzelliger Tiere wird die Bewegung im Raum durch verschiedene Faktoren der äußeren Umgebung verursacht und gesteuert und wird Taxis genannt.

Es gibt: Chemotaxis, Thigmotaxis und Rheotaxis. Unter Chemotaxis versteht man die Bewegung hin oder weg von Chemikalien. Solche Taxis werden durch Blutleukozyten erkannt, die sich amöbisch auf Bakterien zubewegen, die in den Körper eingedrungen sind und bestimmte Substanzen absondern. Thigmotaxis ist die Bewegung auf einen berührten festen Körper zu oder von diesem weg. Wenn beispielsweise eine Amöbe leicht mit Speiseresten in Berührung kommt, umhüllt sie diese und verschluckt sie dann. Bei starker mechanischer Reizung kann es zu einer Bewegung in die entgegengesetzte Richtung zum Reizursprung kommen. Rheotaxis ist eine Bewegung gegen den Flüssigkeitsfluss. Spermien, die sich in der Gebärmutter gegen den Schleimfluss in Richtung Eizelle bewegen, haben die Fähigkeit zur Rheotaxis.

Die Fähigkeit, sich selbst zu reproduzieren, ist die wichtigste Eigenschaft lebender Materie, ohne die Leben unmöglich ist. Jedes lebende System ist durch eine Kette irreversibler Veränderungen gekennzeichnet, die im Tod gipfeln. Wenn diese Systeme nicht neue Systeme hervorbringen würden, die in der Lage wären, den Kreislauf von vorne zu beginnen, würde das Leben aufhören.

Die Selbstreproduktionsfunktion der Zelle erfolgt durch Teilung, die eine Folge der Zellentwicklung ist. Während ihres Lebens nimmt die Zellmasse aufgrund des Vorherrschens der Assimilation gegenüber der Dissimilation zu, aber das Volumen der Zelle nimmt schneller zu als ihre Oberfläche. Unter diesen Bedingungen nimmt die Intensität des Stoffwechsels ab, es kommt zu tiefgreifenden physikalisch-chemischen und morphologischen Veränderungen in der Zelle und Assimilationsprozesse werden allmählich gehemmt, was mit Hilfe markierter Atome überzeugend nachgewiesen werden konnte. Dadurch stoppt zunächst das Wachstum der Zelle, dann wird ihre weitere Existenz unmöglich und es kommt zur Teilung.

Der Übergang zur Teilung ist ein qualitativer Sprung oder eine Folge quantitativer Veränderungen in der Assimilation und Dissimilation, ein Mechanismus zur Auflösung von Widersprüchen zwischen diesen Prozessen. Nach der Teilung scheinen sich die Zellen zu verjüngen, ihr Vitalpotential steigt, da durch die Größenverringerung der Anteil der aktiven Oberfläche zunimmt, der Stoffwechsel im Allgemeinen und seine Assimilationsphase im Besonderen intensiviert werden.

Somit besteht das individuelle Leben einer Zelle aus einer Phase der Interphase, die durch einen erhöhten Stoffwechsel gekennzeichnet ist, und einer Phase der Teilung.

Interphase ist mit einem gewissen Maß an Konvention unterteilt:

1) während der präsynthetischen Periode (Gj), wenn die Intensität der Assimilationsprozesse allmählich zunimmt, die DNA-Reduplikation jedoch noch nicht begonnen hat;

2) synthetisch (S), gekennzeichnet durch die Höhe der Synthese, bei der eine DNA-Verdoppelung auftritt, und

3) postsynthetisch (G2), wenn die Prozesse der DNA-Synthese aufhören.

Folgende Hauptarten der Teilung werden unterschieden:

1) indirekte Teilung (Mitose oder Karyokinese);

2) Meiose oder Reduktionsteilung und

3) Amitose oder direkte Teilung.