Principalele procese care au loc în celulă. Furnizarea celulelor cu energie Procese care furnizează celulei energia necesară

Creșterea abundentă a copacilor grasi,
care rădăcinează pe nisipul sterp
aprobat, precizează clar că
foi de grasime grasime grasa din aer
absorbi...
M. V. Lomonosov

Cum este stocată energia într-o celulă? Ce este metabolismul? Care este esența proceselor de glicoliză, fermentație și respirație celulară? Ce procese au loc în timpul fazelor de lumină și întuneric ale fotosintezei? Cum sunt legate procesele de metabolism energetic și plastic? Ce este chimiosinteza?

Lecție-prelecție

Capacitatea de a converti un tip de energie în altul (energia radiației în energia legăturilor chimice, energia chimică în energie mecanică etc.) este una dintre proprietățile fundamentale ale viețuitoarelor. Aici vom arunca o privire mai atentă asupra modului în care aceste procese sunt realizate în organismele vii.

ATP-ul este principalul purtător de energie din celulă. Pentru a efectua orice manifestări ale activității celulare, este necesară energie. Organismele autotrofe își primesc energia inițială de la Soare în timpul reacțiilor de fotosinteză, în timp ce organismele heterotrofe folosesc compuși organici furnizați cu alimente ca sursă de energie. Energia este stocată de celule în legăturile chimice ale moleculelor ATP (adenozin trifosfat), care sunt o nucleotidă constând din trei grupe fosfat, un reziduu de zahăr (riboză) și un reziduu de bază azotată (adenină) (Fig. 52).

Orez. 52. Molecula de ATP

Legătura dintre reziduurile de fosfat se numește macroergică, deoarece atunci când se rupe, se eliberează o cantitate mare de energie. În mod obișnuit, celula extrage energie din ATP prin îndepărtarea doar a grupului fosfat terminal. În acest caz, se formează ADP (adenozin difosfat) și acid fosforic și se eliberează 40 kJ/mol:

Moleculele de ATP joacă rolul de cip de negociere a energiei universale a celulei. Ele sunt livrate la locul unui proces consumatoare de energie, fie că este vorba de sinteza enzimatică a compușilor organici, de lucrul proteinelor - motoare moleculare sau proteine de transport membranar etc. Sinteza inversă a moleculelor de ATP se realizează prin atașarea unui grup fosfat. la ADP cu absorbția de energie. Celula stochează energie sub formă de ATP în timpul reacțiilor metabolismul energetic. Este strâns legat de schimb plastic, timp în care celula produce compușii organici necesari funcționării sale.

METABOLISM ȘI ENERGIE ÎN CELULĂ (METABOLISM). Metabolismul este totalitatea tuturor reacțiilor metabolismului plastic și energetic, interconectate. Celulele sintetizează constant carbohidrați, grăsimi, proteine și acizi nucleici. Sinteza compușilor are loc întotdeauna cu cheltuirea energiei, adică cu participarea indispensabilă a ATP. Sursele de energie pentru formarea ATP sunt reacțiile enzimatice de oxidare a proteinelor, grăsimilor și carbohidraților care intră în celulă. În timpul acestui proces, energia este eliberată și stocată în ATP. Oxidarea glucozei joacă un rol special în metabolismul energetic celular. Moleculele de glucoză suferă o serie de transformări succesive.

Prima etapă, numită glicoliza, are loc în citoplasma celulelor și nu necesită oxigen. Ca rezultat al reacțiilor succesive care implică enzime, glucoza se descompune în două molecule de acid piruvic. În acest caz, două molecule de ATP sunt consumate, iar energia eliberată în timpul oxidării este suficientă pentru a forma patru molecule de ATP. Ca rezultat, producția de energie a glicolizei este mică și se ridică la două molecule de ATP:

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

În condiții anaerobe (în absența oxigenului), transformările ulterioare pot fi asociate cu diferite tipuri fermentaţie.

Toata lumea stie fermentarea acidului lactic(acrisul laptelui), care apare din cauza activității ciupercilor și bacteriilor acidului lactic. Mecanismul este similar cu glicoliza, doar produsul final aici este acidul lactic. Acest tip de oxidare a glucozei apare în celule atunci când există o lipsă de oxigen, cum ar fi în mușchii care lucrează intens. Fermentația alcoolică este aproape în chimie de fermentația acidului lactic. Diferența este că produsele fermentației alcoolice sunt alcoolul etilic și dioxidul de carbon.

Următoarea etapă, în timpul căreia acidul piruvic este oxidat în dioxid de carbon și apă, se numește respirație celulară. Reacțiile asociate cu respirația au loc în mitocondriile celulelor vegetale și animale și numai în prezența oxigenului. Aceasta este o serie de transformări chimice înainte de formarea produsului final - dioxid de carbon. În diferite etape ale acestui proces, se formează produse intermediare de oxidare a substanței de pornire cu eliminarea atomilor de hidrogen. În acest caz, se eliberează energie, care este „conservată” în legăturile chimice ale ATP și se formează molecule de apă. Devine clar că tocmai pentru a lega atomii de hidrogen separați este necesar oxigenul. Această serie de transformări chimice este destul de complexă și are loc cu participarea membranelor interne ale mitocondriilor, a enzimelor și a proteinelor purtătoare.

Respirația celulară este foarte eficientă. Se sintetizează 30 de molecule de ATP, se formează încă două molecule în timpul glicolizei și se formează șase molecule de ATP ca urmare a transformărilor produselor de glicoliză pe membranele mitocondriale. În total, ca urmare a oxidării unei molecule de glucoză, se formează 38 de molecule de ATP:

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

Etapele finale ale oxidării nu numai a zaharurilor, ci și a proteinelor și lipidelor apar în mitocondrii. Aceste substanțe sunt folosite de celule, în principal atunci când aprovizionarea cu carbohidrați se încheie. În primul rând, se consumă grăsimi, a căror oxidare eliberează semnificativ mai multă energie decât dintr-un volum egal de carbohidrați și proteine. Prin urmare, grăsimea la animale reprezintă principala „rezervă strategică” de resurse energetice. La plante, amidonul joacă rolul unei rezerve de energie. Când este depozitat, ocupă mult mai mult spațiu decât cantitatea echivalentă de energie de grăsime. Acest lucru nu este o piedică pentru plante, deoarece acestea sunt imobile și nu poartă provizii asupra lor, ca animalele. Puteți extrage energie din carbohidrați mult mai repede decât din grăsimi. Proteinele îndeplinesc multe funcții importante în organism și, prin urmare, sunt implicate în metabolismul energetic doar atunci când resursele de zaharuri și grăsimi sunt epuizate, de exemplu, în timpul postului prelungit.

FOTOSINTEZĂ. Fotosinteză este un proces în timpul căruia energia razelor solare este transformată în energia legăturilor chimice ale compușilor organici. În celulele vegetale, procesele asociate cu fotosinteza au loc în cloroplaste. În interiorul acestui organel există sisteme membranare în care sunt încorporați pigmenți care captează energia radiantă a Soarelui. Principalul pigment al fotosintezei este clorofila, care absoarbe predominant albastrul și violetul, precum și razele roșii ale spectrului. Lumina verde este reflectată, astfel încât clorofila însăși și părțile plantelor care o conțin par verzi.

Există două faze în fotosinteză - ușoarăȘi întuneric(Fig. 53). Captarea și conversia efectivă a energiei radiante au loc în timpul fazei de lumină. Când absoarbe cuante de lumină, clorofila intră într-o stare excitată și devine un donor de electroni. Electronii săi sunt transferați de la un complex proteic la altul de-a lungul lanțului de transport de electroni. Proteinele acestui lanț, ca și pigmenții, sunt concentrate pe membrana interioară a cloroplastelor. Când un electron se mișcă de-a lungul unui lanț de purtători, acesta pierde energie, care este folosită pentru sinteza ATP. Unii dintre electronii excitați de lumină sunt utilizați pentru a reduce NDP (nicotinamidă adenin dinucleotiphosphate) sau NADPH.

Orez. 53. Produși de reacție ai fazelor luminoase și întunecate ale fotosintezei

Sub influența luminii solare, moleculele de apă sunt de asemenea descompuse în cloroplaste - fotoliză; în acest caz, apar electroni care compensează pierderile lor prin clorofilă; Aceasta produce oxigen ca produs secundar:

Astfel, sensul funcțional al fazei luminoase este sinteza ATP și NADPH prin conversia energiei luminoase în energie chimică.

Lumina nu este necesară pentru a efectua faza întunecată a fotosintezei. Esența proceselor care au loc aici este că moleculele de ATP și NADPH produse în faza luminoasă sunt folosite într-o serie de reacții chimice care „fixează” CO2 sub formă de carbohidrați. Toate reacțiile în fază întunecată au loc în interiorul cloroplastelor, iar dioxidul de carbon ADP și NADP eliberat în timpul „fixării” sunt din nou utilizate în reacțiile în fază ușoară pentru sinteza ATP și NADPH.

Ecuația generală pentru fotosinteză este următoarea:

RELAȚIA ȘI UNITATEA PROCESELOR DE SCHIMB DE PLASTICE ȘI ENERGIE. Procesele de sinteză a ATP au loc în citoplasmă (glicoliză), în mitocondrii (respirația celulară) și în cloroplaste (fotosinteză). Toate reacțiile care apar în timpul acestor procese sunt reacții de schimb de energie. Energia stocată sub formă de ATP este consumată în reacții de schimb plastic pentru producerea de proteine, grăsimi, carbohidrați și acizi nucleici necesari vieții celulei. Rețineți că faza întunecată a fotosintezei este un lanț de reacții, schimb plastic, iar faza luminoasă este schimb de energie.

Interrelația și unitatea proceselor de energie și schimb plastic este bine ilustrată de următoarea ecuație:

Când citim această ecuație de la stânga la dreapta, obținem procesul de oxidare a glucozei în dioxid de carbon și apă în timpul glicolizei și respirației celulare, asociat cu sinteza ATP (metabolismul energetic). Dacă îl citiți de la dreapta la stânga, obțineți o descriere a reacțiilor fazei întunecate a fotosintezei, când glucoza este sintetizată din apă și dioxid de carbon cu participarea ATP (schimb de plastic).

CHIMOSINTEZA. Pe lângă fotoautotrofe, unele bacterii (bacteriile cu hidrogen, bacteriile nitrificante, bacteriile sulfuroase etc.) sunt și ele capabile să sintetizeze substanțe organice din cele anorganice. Ei realizează această sinteză datorită energiei eliberate în timpul oxidării substanțelor anorganice. Se numesc chimioautotrofe. Aceste bacterii chemosintetice joacă un rol important în biosferă. De exemplu, bacteriile nitrificatoare transformă sărurile de amoniu care nu sunt disponibile pentru absorbție de către plante în săruri de acid azotic, care sunt bine absorbite de acestea.

Metabolismul celular constă din reacții de metabolism energetic și plastic. În timpul metabolismului energetic, se formează compuși organici cu legături chimice de înaltă energie - ATP. Energia necesară pentru aceasta provine din oxidarea compușilor organici în timpul reacțiilor anaerobe (glicoliză, fermentație) și aerobe (respirație celulară); din lumina soarelui, a cărei energie este absorbită în faza de lumină (fotosinteză); din oxidarea compuşilor anorganici (chemosinteză). Energia ATP este cheltuită pentru sinteza compușilor organici necesari celulei în timpul reacțiilor de schimb plastic, care includ reacții ale fazei întunecate a fotosintezei.

Care sunt diferențele dintre metabolismul plastic și cel energetic?
Cum se transformă energia luminii solare în faza luminoasă a fotosintezei? Ce procese au loc în timpul fazei întunecate a fotosintezei?
De ce se numește fotosinteza proces de reflectare a interacțiunii planetar-cosmice?

Paragraf soluție detaliată Rezumat capitolul 2 de biologie pentru elevii clasei a XI-a, autori I.N. Ponomareva, O.K. Kornilova, T.E. Loshchilina, P.V. Izhevsk Nivel de bază 2012

GD în Biologie pentru clasa a 11-a poate fi găsit
Caietul de lucru Gdz despre biologie pentru clasa a 11-a poate fi găsit

1. Formulați o definiție a biosistemului „celulă”..

O celulă este un sistem viu elementar, unitatea structurală de bază a organismelor vii, capabilă de auto-reînnoire, autoreglare și auto-reproducere.

2. De ce se numește celula forma de bază a vieții și unitatea elementară a vieții?

Celula este forma de bază a vieții și unitatea elementară a vieții, deoarece orice organism este format din celule, iar cel mai mic organism este o celulă (protozoare). Organelele individuale nu pot trăi în afara celulei.

La nivel celular au loc următoarele procese: metabolism (metabolism); absorbția și, prin urmare, încorporarea diferitelor elemente chimice ale Pământului în conținutul viețuitoarelor; transferul de informații ereditare de la celulă la celulă; acumularea de modificări în aparatul genetic ca urmare a interacțiunii cu mediul; răspuns la iritații atunci când interacționează cu mediul extern. Elementele structurale ale sistemului de nivel celular sunt diverse complexe de molecule de compuși chimici și toate părțile structurale ale celulei - aparatul de suprafață, nucleul și citoplasma cu organele lor. Interacțiunea dintre ele asigură unitatea și integritatea celulei în manifestarea proprietăților sale de sistem viu în relațiile cu mediul extern.

3. Explicați mecanismele stabilității celulare ca biosistem.

O celulă este un sistem biologic elementar, iar orice sistem este un complex de componente interconectate și care interacționează care alcătuiesc un singur întreg. Într-o celulă, aceste componente sunt organite. Celula este capabilă de metabolism, autoreglare și auto-reînnoire, datorită cărora se menține stabilitatea. Întregul program genetic al celulei este localizat în nucleu, iar diferitele abateri de la acesta sunt percepute de sistemul enzimatic al celulei.

4. Comparați celulele eucariote și procariote.

Toate organismele vii de pe Pământ sunt împărțite în două grupe: procariote și eucariote.

Eucariotele sunt plante, animale și ciuperci.

Procariotele sunt bacterii (inclusiv cianobacteriile (alge albastre-verzi).

Principala diferență. Procariotele nu au nucleu ADN-ul circular (cromozomul circular) este situat direct în citoplasmă (această secțiune a citoplasmei se numește nucleoid). Eucariotele au un nucleu format (informația ereditară [ADN] este separată de citoplasmă prin învelișul nuclear).

Alte diferente.

Deoarece procariotele nu au nucleu, nu au mitoză/meioză. Bacteriile se reproduc prin fisiune în două, înmugurire

Eucariotele au un număr diferit de cromozomi, în funcție de specie. Procariotele au un singur cromozom (în formă de inel).

Eucariotele au organele înconjurate de membrane. Procariotele nu au organele înconjurate de membrane, adică. nu există reticul endoplasmatic (rolul său este jucat de numeroase proeminențe ale membranei celulare), fără mitocondrii, fără plastide, fără centru celular.

O celulă procariotă este mult mai mică decât o celulă eucariotă: de 10 ori în diametru, de 1000 de ori în volum.

Similitudine. Celulele tuturor organismelor vii (toate regnurile naturii vii) conțin o membrană plasmatică, citoplasmă și ribozomi.

5. Descrieți structura intracelulară a eucariotelor.

Celulele care formează țesuturile animalelor și plantelor variază semnificativ în formă, dimensiune și structură internă. Cu toate acestea, toate prezintă asemănări în principalele caracteristici ale proceselor de viață, metabolism, iritabilitate, creștere, dezvoltare și capacitatea de schimbare.

Celulele de toate tipurile conțin două componente principale, strâns legate între ele - citoplasma și nucleul. Nucleul este separat de citoplasmă printr-o membrană poroasă și conține seva nucleară, cromatina și nucleolul. Citoplasma semi-lichidă umple întreaga celulă și este pătrunsă de numeroși tubuli. La exterior este acoperit cu o membrană citoplasmatică. Conține structuri organice specializate care sunt prezente în mod constant în celulă și formațiuni temporare - incluziuni. Organele membranare: membrana citoplasmatică (CM), reticulul endoplasmatic (RE), aparatul Golgi, lizozomi, mitocondrii și plastide. Structura tuturor organitelor membranare se bazează pe o membrană biologică. Toate membranele au un plan structural fundamental uniform și constau dintr-un strat dublu de fosfolipide, în care moleculele de proteine sunt scufundate din diferite părți la diferite adâncimi. Membranele organelelor diferă între ele doar prin seturile de proteine pe care le conțin.

6. Cum este implementat principiul „celulă - din celulă”?

Reproducerea celulelor procariote și eucariote are loc numai prin diviziunea celulei originale, care este precedată de reproducerea materialului său genetic (reduplicarea ADN).

În celulele eucariote, singura metodă completă de diviziune este mitoza (sau meioza în formarea celulelor germinale). În acest caz, se formează un aparat special de diviziune celulară - fusul celular, cu ajutorul căruia cromozomii, care anterior s-au dublat în număr, sunt distribuiți uniform și precis între cele două celule fiice. Acest tip de diviziune se observă în toate celulele eucariote, atât vegetale, cât și animale.

Celulele procariote, care se divid în așa-numita manieră binară, folosesc, de asemenea, un aparat special de diviziune celulară, care amintește semnificativ de metoda mitotică de diviziune a eucariotelor. De asemenea, împărțind celula mamă în două.

7. Descrieți fazele și semnificația mitozei.

Procesul de mitoză este de obicei împărțit în patru faze principale: profază, metafază, anafază și telofază. Deoarece este continuă, schimbarea fazelor se realizează fără probleme - una trece imperceptibil în cealaltă.

În profază, volumul nucleului crește, iar din cauza spiralizării cromatinei se formează cromozomi. Până la sfârșitul profazei, este clar că fiecare cromozom este format din două cromatide. Nucleolii și membrana nucleară se dizolvă treptat, iar cromozomii apar localizați aleatoriu în citoplasma celulei. Centriolii diverg spre polii celulei. Se formează un fus de fisiune a acromatinei, dintre care unele fire merg de la pol la pol, iar altele sunt atașate de centromerii cromozomilor. Conținutul de material genetic din celulă rămâne neschimbat (2n4c).

În metafază, cromozomii ating spiralarea maximă și sunt aranjați ordonat la ecuatorul celulei, astfel încât sunt numărați și studiați în această perioadă. Conținutul materialului genetic nu se modifică (2n4c).

În anafază, fiecare cromozom „se împarte” în două cromatide, care se numesc apoi cromozomi fiice. Șuvițele fusului atașate de centromeri se contractă și trage cromatidele (cromozomii fiice) către polii opuși ai celulei. Conținutul de material genetic din celulă la fiecare pol este reprezentat de un set diploid de cromozomi, dar fiecare cromozom conține o cromatidă (4n4c).

In telofaza, cromozomii situati la poli despira si devin slab vizibili. În jurul cromozomilor de la fiecare pol, din structurile membranare ale citoplasmei se formează o membrană nucleară, iar în nuclei se formează nucleoli. Fusiunea de fisiune este distrusă. În același timp, citoplasma se împarte. Celulele fiice au un set diploid de cromozomi, fiecare dintre care constă dintr-o cromatidă (2n2c).

Semnificația biologică a mitozei este aceea că asigură transmiterea ereditară a caracteristicilor și proprietăților într-o serie de generații de celule în timpul dezvoltării unui organism multicelular. Datorită distribuției precise și uniforme a cromozomilor în timpul mitozei, toate celulele unui singur organism sunt identice genetic.

Diviziunea celulară mitotică stă la baza tuturor formelor de reproducere asexuată atât în organismele unicelulare, cât și în cele multicelulare. Mitoza determină cele mai importante fenomene ale vieții: creșterea, dezvoltarea și refacerea țesuturilor și organelor și reproducerea asexuată a organismelor.

8. Ce este ciclul celular?

Ciclul celular (ciclul mitotic) este întreaga perioadă de existență celulară din momentul în care celula mamă apare în timpul diviziunii până la propria sa diviziune (inclusiv diviziunea însăși) sau moartea. Se compune din interfaza si diviziunea celulara.

9. Ce rol a jucat celula în evoluția organismelor?

Celula a dat naștere dezvoltării ulterioare a lumii organice. În timpul acestei evoluții, s-a atins o diversitate uimitoare de forme celulare, a apărut multicelularitatea, a apărut specializarea celulară și au apărut țesuturile celulare.

10. Numiți principalele procese ale vieții celulare.

Metabolism – nutrienții intră în celulă și cei inutile sunt îndepărtați. Mișcarea citoplasmei – transportă substanțe în celulă. Respirația - oxigenul intră în celulă și dioxidul de carbon este îndepărtat. Nutriție - nutrienții intră în celulă. Creștere - celula crește în dimensiune. Dezvoltare - structura celulei devine mai complexă.

11. Indicați importanța mitozei și meiozei în evoluția celulară.

Datorită diviziunii celulare mitotice, are loc dezvoltarea individuală a organismului - creșterea acestuia crește, țesuturile sunt reînnoite, celulele îmbătrânite și moarte sunt înlocuite și are loc reproducerea asexuată a organismelor. Este asigurată și constanța cariotipurilor indivizilor din specie.

Datorită meiozei, are loc încrucișarea (schimbul de secțiuni de cromozomi omologi). Acest lucru promovează recombinarea informațiilor genetice și se formează celule cu un set complet nou de gene (diversitate de organisme).

12. Care sunt cele mai importante evenimente în dezvoltarea materiei vii care au avut loc la nivel celular în timpul procesului de evoluție?

Aromorfoze majore (mitoză, meioză, gameți, proces sexual, zigot, reproducere vegetativă și sexuală).

Apariția nucleelor în celule (eucariote).

Procese simbiotice în organismele unicelulare - apariția organelelor.

Autotrofie și heterotrofie.

Mobilitate și imobilitate.

Apariția organismelor pluricelulare.

Diferențierea funcțiilor celulare în organismele pluricelulare.

13. Descrieți semnificația generală a nivelului celular al materiei vii în natură și pentru oameni.

Celula, care a apărut odată sub forma unui biosistem elementar, a devenit baza pentru dezvoltarea ulterioară a lumii organice. Evoluția bacteriilor, cianobacteriilor, diferitelor alge și protozoarelor s-a produs în întregime datorită transformărilor structurale, funcționale și biochimice ale celulei vii primare. În timpul acestei evoluții, s-a realizat o varietate uimitoare de forme celulare, dar planul general al structurii celulare nu a suferit modificări fundamentale. În procesul de evoluție, bazat pe forme de viață unicelulare, a apărut multicelularitatea, a apărut specializarea celulară și au apărut țesuturile celulare.

Spune-ți cuvântul

1. De ce tocmai la nivelul celular al organizării vieții au apărut astfel de proprietăți ale ființelor vii precum autotrofia și heterotrofia, mobilitatea și imobilitatea, multicelularitatea și specializarea în structură și funcție? Ce a contribuit la astfel de evenimente din viața celulei?

Celula este unitatea structurală și funcțională de bază a viețuitoarelor. Acesta este un fel de sistem viu, care se caracterizează prin respirație, nutriție, metabolism, iritabilitate, discreție, deschidere și ereditate. La nivel celular au apărut primele organisme vii. Într-o celulă, fiecare organel îndeplinește o funcție specifică și are o structură specifică unite și funcționând împreună, ele reprezintă un singur biosistem, care are toate caracteristicile unui lucru viu;

Celula, ca organism multicelular, a evoluat de-a lungul multor secole. Diverse condiții de mediu, dezastre naturale și factori biotici au dus la complicarea organizării celulare.

De aceea, autotrofia și heterotrofia, mobilitatea și imobilitatea, multicelularitatea și specializarea în structură și funcție au apărut tocmai la nivelul celulei, unde toate organelele și celula în ansamblu există armonios și intenționat.

2. Pe ce bază au clasificat toți oamenii de știință cianobacteriile ca plante, în special alge, pentru o perioadă foarte lungă de timp și abia la sfârșitul secolului al XX-lea. au fost plasați în regatul bacteriilor?

Dimensiunea relativ mare a celulelor (nostok, de exemplu, formează colonii destul de mari pe care chiar le puteți ridica), efectuează fotosinteza cu eliberarea de oxigen într-un mod similar cu plantele superioare și, de asemenea, asemănarea externă cu algele a fost motiv pentru care au fost considerate mai devreme ca parte a plantelor („alge albastre-verzi”).

Și la sfârșitul secolului al XX-lea, s-a dovedit că celulele nu au nuclee albastru-verzui, iar clorofila din celulele lor nu este aceeași ca la plante, ci caracteristică bacteriilor. Acum, cianobacteriile sunt printre cele mai complex organizate și diferențiate morfologic microorganisme procariote.

3. Din ce țesuturi celulare vegetale și animale sunt făcute hainele și pantofii pe care le-ați purtat astăzi la școală?

Alege-le pe cele care ti se potrivesc. Puteți da o mulțime de exemple. De exemplu, inul (fibre de liben - țesătură conductoare) este folosit pentru a face țesături cu o structură durabilă (cămașă pentru bărbați, costume pentru femei, lenjerie intima, șosete, pantaloni, rochii de soare). Bumbacul este folosit pentru a face lenjerie intimă, tricouri, cămăși, pantaloni, rochii de soare). Pantofii (pantofi, sandale, cizme) și curelele sunt fabricate din piele de animale (țesut epitelial). Îmbrăcămintea caldă este făcută din lâna animalelor purtătoare de blană. Puloverele, șosetele, pălăriile și mănușile sunt făcute din lână. Fabricat din mătase (secretul glandelor de viermi de mătase este țesutul conjunctiv) - cămăși, eșarfe, lenjerie intimă.

Problema de discutat

Bunicul lui Charles Darwin, Erasmus Darwin, medic, naturalist și poet, a scris la sfârșitul secolului al XVIII-lea. poezia „Templul naturii”, publicată în 1803, după moartea sa. Citiți un scurt fragment din această poezie și gândiți-vă ce idei despre rolul nivelului celular al vieții pot fi găsite în această lucrare (fragmentul este dat în carte).

Apariția vieții pământești a avut loc din cele mai mici forme celulare. La nivel celular au apărut primele organisme vii. Celula, ca organism, a crescut și a evoluat, dând astfel impuls formării multor forme celulare. Ei au reușit să populeze atât „nămolul”, cât și „masa de apă”. Cel mai probabil, diversele condiții de mediu, dezastrele naturale și factorii biotici au condus la o organizare mai complexă a celulelor, ceea ce a dus la „achiziția de membri” (ceea ce implică multicelularitate).

Noțiuni de bază

Procariotele, sau prenucleare, sunt organisme ale căror celule nu au un nucleu format delimitat de o membrană.

Eucariotele, sau cele nucleare, sunt organisme ale căror celule au un nucleu bine format, separate printr-o înveliș nuclear de citoplasmă.

Un organoid este o structură celulară care asigură funcții specifice.

Nucleul este cea mai importantă parte a unei celule eucariote, reglând toate activitățile acesteia; poartă informații ereditare în macromoleculele de ADN.

Un cromozom este o structură sub formă de fir care conține ADN în nucleul celulei care poartă gene, unități de ereditate, dispuse într-o ordine liniară.

O membrană biologică este o structură moleculară elastică formată din proteine și lipide. Separă conținutul oricărei celule de mediul extern, asigurând integritatea acesteia.

Mitoza (diviziunea celulară indirectă) este o metodă universală de diviziune a celulelor eucariote, în care celulele fiice primesc material genetic identic cu celula originală.

Meioza este o metodă de împărțire a celulelor eucariote, însoțită de o înjumătățire (reducere) a numărului de cromozomi; O celulă diploidă dă naștere la patru celule haploide.

Ciclul celular este ciclul reproductiv al unei celule, constând din mai multe evenimente secvențiale (de exemplu, interfaza și mitoza la eucariote), în timpul cărora conținutul celulei este dublat și se împarte în două celule fiice.

Nivelul structural celular de organizare a materiei vii este unul dintre nivelurile structurale ale vieții, a cărui unitate structurală și funcțională este organismul, iar unitatea este celula. La nivelul organismului apar urmatoarele fenomene: reproducerea, functionarea organismului in ansamblu, ontogeneza etc.

Toate organismele vii, cu excepția virusurilor, sunt formate din celule. Ele asigură toate procesele necesare pentru viața unei plante sau a unui animal. O celulă în sine poate fi un organism separat. Și cum poate o structură atât de complexă să trăiască fără energie? Desigur că nu. Deci, cum obțin celulele energie? Se bazează pe procesele pe care le vom lua în considerare mai jos.

Furnizarea celulelor cu energie: cum se întâmplă acest lucru?

Puține celule primesc energie din exterior; au „stații” unice. Iar sursa de energie din celulă este mitocondria, organele care o produc. În ea are loc procesul de respirație celulară. Datorită acesteia, celulele sunt asigurate cu energie. Cu toate acestea, ele sunt prezente numai în plante, animale și ciuperci. Celulele bacteriene nu au mitocondrii. Prin urmare, celulele lor sunt furnizate cu energie în principal prin procese de fermentație, mai degrabă decât prin respirație.

Structura mitocondriilor

Acesta este un organel cu membrană dublă care a apărut într-o celulă eucariotă în timpul procesului de evoluție ca urmare a absorbției uneia mai mici. Acest lucru poate explica faptul că mitocondriile conțin propriul ADN și ARN, precum și ribozomi mitocondriali care produc. proteinele necesare pentru organele.

Membrana interioară are proeminențe numite crestae sau creste. Procesul de respirație celulară are loc pe cresta.

Ceea ce se află în interiorul celor două membrane se numește matrice. Conține proteine, enzime necesare accelerării reacțiilor chimice, precum și ARN, ADN și ribozomi.

Respirația celulară este baza vieții

Are loc în trei etape. Să ne uităm la fiecare dintre ele mai detaliat.

Prima etapă este pregătitoare

În această etapă, compușii organici complecși sunt descompuși în alții mai simpli. Astfel, proteinele se descompun în aminoacizi, grăsimile în acizi carboxilici și glicerol, acizii nucleici în nucleotide și carbohidrații în glucoză.

Glicoliza

Aceasta este etapa fără oxigen. Constă în faptul că substanțele obținute în prima etapă sunt defalcate în continuare. Principalele surse de energie pe care celula le folosește în acest stadiu sunt moleculele de glucoză. Fiecare dintre ele se descompune în două molecule de piruvat în timpul glicolizei. Acest lucru are loc în timpul a zece reacții chimice consecutive. Ca rezultat al primelor cinci, glucoza este fosforilată și apoi împărțită în două fosfotrioze. Următoarele cinci reacții produc două molecule și două molecule de PVA (acid piruvic). Energia celulei este stocată sub formă de ATP.

Întregul proces de glicoliză poate fi simplificat după cum urmează:

2NAD+ 2ADP + 2H 3 PO 4 + C 6 H 12 O 6 → 2H20 + 2NAD. H2 + 2C3H4O3 + 2ATP

Astfel, folosind o moleculă de glucoză, două molecule de ADP și două de acid fosforic, celula primește două molecule de ATP (energie) și două molecule de acid piruvic, pe care le va folosi în etapa următoare.

A treia etapă este oxidarea

Această etapă are loc numai în prezența oxigenului. Reacțiile chimice ale acestei etape au loc în mitocondrii. Aceasta este partea principală în care se eliberează cea mai mare energie. În această etapă, reacționând cu oxigenul, se descompune în apă și dioxid de carbon. În plus, se formează 36 de molecule de ATP. Deci, putem concluziona că principalele surse de energie din celulă sunt glucoza și acidul piruvic.

Rezumând toate reacțiile chimice și omițând detalii, putem exprima întregul proces de respirație celulară cu o singură ecuație simplificată:

6O 2 + C 6 H 12 O 6 + 38ADP + 38H 3 PO 4 → 6CO2 + 6H2O + 38ATP.

Astfel, în timpul respirației, dintr-o moleculă de glucoză, șase molecule de oxigen, treizeci și opt de molecule de ADP și aceeași cantitate de acid fosforic, celula primește 38 de molecule de ATP, sub forma cărora este stocată energia.

Diversitatea enzimelor mitocondriale

Celula primește energie pentru activitatea vitală prin respirație - oxidarea glucozei și apoi a acidului piruvic. Toate aceste reacții chimice nu ar putea avea loc fără enzime - catalizatori biologici. Să ne uităm la cele care se află în mitocondrii, organele responsabile de respirația celulară. Toate sunt numite oxidoreductaze deoarece sunt necesare pentru a asigura apariția reacțiilor redox.

Toate oxidoreductazele pot fi împărțite în două grupe:

oxidaze;
dehidrogenază;

Dehidrogenazele, la rândul lor, sunt împărțite în aerobe și anaerobe. Cele aerobe conțin coenzima riboflavină, pe care organismul o primește din vitamina B2. Dehidrogenazele aerobe conțin molecule NAD și NADP ca coenzime.

Oxidazele sunt mai diverse. În primul rând, acestea sunt împărțite în două grupuri:

cele care conțin cupru;
cele care contin fier.

Primele includ polifenoloxidaze și ascorbat oxidază, a doua include catalaza, peroxidaza și citocromi. Acestea din urmă, la rândul lor, sunt împărțite în patru grupe:

citocromii a;
citocromii b;
citocromii c;
citocromi d.

Citocromii a conţin fier formil porfirina, citocromii b - protoporfirina de fier, c - mezoporfirina de fier substituită, d - dihidroporfirina de fier.

Există și alte moduri de a obține energie?

Deși majoritatea celulelor îl obțin prin respirație celulară, există și bacterii anaerobe care nu necesită oxigen pentru a exista. Ele produc energia necesară prin fermentare. Acesta este un proces în timpul căruia, cu ajutorul enzimelor, carbohidrații sunt descompuse fără participarea oxigenului, în urma căruia celula primește energie. Există mai multe tipuri de fermentație în funcție de produsul final al reacțiilor chimice. Poate fi acid lactic, alcoolic, acid butiric, acetonă-butan, acid citric.

De exemplu, luați în considerare că poate fi exprimat prin următoarea ecuație:

C6H12O6 → C2H5OH + 2CO2

Adică, bacteria descompune o moleculă de glucoză într-o moleculă de alcool etilic și două molecule de oxid de carbon (IV).

Tipuri de nutriție a organismelor vii
Fotosinteză
Metabolismul energetic

1. Activitate de viață a tuturor organismelor este posibilă numai dacă au energie. Conform metodei de obținere a energiei, toate celulele și organismele sunt împărțite în două grupuri: autotrofiȘi heterotrofi.

Heterotrofe(Heteros grecesc - diferit, diferit și trophe - hrană, nutriție) nu sunt capabili să sintetizeze compuși organici din cei anorganici ei înșiși au nevoie pentru a-i primi din mediu. Substanțele organice le servesc nu numai ca hrană, ci și ca sursă de energie. Heterotrofele includ toate animalele, ciupercile, majoritatea bacteriilor, precum și plantele terestre non-clorofile și algele.

Conform metodei de obținere a alimentelor, organismele heterotrofe sunt împărțite în holozoare(animale) captarea particulelor solide și osmotrofic(ciuperci, bacterii) hrănindu-se cu substanțe dizolvate.

Diverse organisme heterotrofe sunt capabile să descompună colectiv toate substanțele care sunt sintetizate de autotrofe, precum și substanțele minerale sintetizate ca urmare a activităților de producție umană. Organismele heterotrofe, împreună cu autotrofele, constituie un singur sistem biologic pe Pământ, unite prin relații trofice.

Autotrofi- organisme care se hrănesc (adică primesc energie) din compuși anorganici, acestea sunt unele bacterii și toate plantele verzi. Autotrofele sunt împărțite în chimiotrofe și fototrofe.

Chemotrofe- organisme care folosesc energia eliberată în timpul reacțiilor redox. Chemotrofele includ bacterii nitrificatoare (fixare a azotului), sulf, hidrogen (formătoare de metan), mangan, bacterii care formează fier și monoxid de carbon.

Fototrofe- doar plante verzi. Sursa de energie pentru ei este lumina.

2. Fotosinteza(Fosul grecesc - gen. toamna. Fotografii - lumină și sinteză - conexiune) - formarea, cu participarea energiei luminoase, a substanțelor organice de către celulele plantelor verzi, precum și unele bacterii, procesul de transformare a energiei luminoase în energie chimica. Apare cu ajutorul pigmenților (clorofila și alții) în tilacoizii cloroplastelor și cromatoforii celulelor. Fotosinteza se bazează pe reacții redox în care electronii sunt transferați de la un donor-reductor (apă, hidrogen etc.) la un acceptor (latin acceptor - receptor) - dioxid de carbon, acetat cu formarea de compuși redusi - carbohidrați și eliberarea de oxigen, dacă apa este oxidată.

Bacteriile fotosintetice care folosesc alți donatori decât apa nu produc oxigen.

Reacții luminoase ale fotosintezei(cauzate de lumină) apar în granul tilacoizilor din cloroplast. Cuantele de lumină vizibilă (fotonii) interacționează cu moleculele de clorofilă, transferându-le într-o stare excitată. Un electron din clorofilă absoarbe o cantitate de lumină de o anumită lungime și, ca în trepte, se deplasează de-a lungul lanțului de purtători de electroni, pierzând energie, care servește la fosforilarea ADP în ATP. Acesta este un proces foarte eficient: cloroplastele produc de 30 de ori mai mult ATP decât mitocondriile acelorași plante. Aceasta acumulează energia necesară pentru următoarele - reacții întunecate ale fotosintezei. Următoarele substanțe acționează ca purtători de electroni: citocromi, plastochinonă, ferredoxină, flavoproteină, reductază, etc. Unii dintre electronii excitați sunt utilizați pentru a reduce NADP+ la NADPH. Când este expusă la lumina soarelui, apa se descompune în cloroplaste - fotoliză,în acest caz, se formează electroni care compensează pierderile lor de către clorofilă; Oxigenul este produs ca produs secundar și eliberat în atmosfera planetei noastre. Acesta este oxigenul pe care îl respirăm și care este necesar tuturor organismelor aerobe.

Cloroplastele plantelor superioare, algele și cianobacteriile conțin două fotosisteme cu structuri și compoziții diferite. Când cuantele de lumină sunt absorbite de pigmenți (centrul de reacție - un complex de clorofilă cu o proteină care absoarbe lumina cu o lungime de undă de 680 nm - P680) ai fotosistemului II, electronii sunt transferați din apă la un acceptor intermediar și printr-un lanț de purtători. la centrul de reacție al fotosistemului I. Și acest fotosistem este centrul de reacție va dezvălui moleculele de clorofilă stilou în complex cu o proteină specială-KOM, care absoarbe lumina cu o lungime de undă de 700 nm - P700. În moleculele clorofilei F1 există „găuri” - locuri neumplute de electroni transferați la PLDPH. Aceste „găuri” sunt umplute cu electroni formați în timpul funcționării PI. Adică, fotosistemul II furnizează electroni fotosistemului I, care sunt cheltuiți în el pentru reducerea NADP + și NADPH. Pe parcursul mișcării electronilor fotosistemului II excitați de lumină către acceptorul final - clorofila fotosistemului I, ADP este fosforilat în ATP bogat în energie. Astfel, energia luminii este stocata in moleculele de ATP si este folosita in continuare pentru sinteza carbohidratilor, proteinelor, acizilor nucleici si a altor procese vitale ale plantelor, iar prin acestea activitatea vitala a tuturor organismelor care se hranesc cu plante.

Reacții întunecate sau reacții de fixare a carbonului, nu sunt asociate cu lumina, sunt efectuate în stroma cloroplastelor. Locul cheie în ele este ocupat de fixarea dioxidului de carbon și conversia carbonului în carbohidrați. Aceste reacții sunt de natură ciclică, deoarece unii dintre carbohidrații intermediari suferă un proces de condensare și rearanjamente la ribuloză difosfat, acceptorul primar al CO2, care asigură funcționarea continuă a ciclului. Acest proces a fost descris pentru prima dată de biochimistul american Melvin Calvin

Transformarea compusului anorganic CO 2 în compuși organici - carbohidrați, în legăturile chimice ale cărora este stocată energia solară, are loc cu ajutorul unei enzime complexe - ribulozo-1,5-difosfat carboxilază. Acesta asigură adăugarea unei molecule de CO 2 la ribuloză-1,5-difosfat cu cinci atomi de carbon, rezultând formarea unui compus intermediar cu șase atomi de carbon de viață scurtă. Acest compus, datorită hidrolizei, se descompune în două molecule cu trei atomi de carbon de acid fosfogliceric, care este redus folosind ATP și NADPH la zaharuri cu trei atomi de carbon (trioză fosfați). Din ele se formează produsul final al fotosintezei, glucoza.

Unii dintre trioza fosfați, care au trecut prin procesele de condensare și rearanjare, transformându-se mai întâi în ribuloză monofosfat și apoi în ribuloză difosfat, sunt incluși din nou în ciclul continuu de creare a moleculelor de glucoză. Glucoza poate fi polimerizată enzimatic în

amidonul și celuloza sunt polizaharidele suport ale plantelor.

O caracteristică a fotosintezei unor plante (trestie de zahăr, porumb, amarant) este conversia inițială a carbonului prin compuși cu patru atomi de carbon. Astfel de plante au primit indicele C 4 -plante, iar fotosinteza în ele este metabolismul carbonului. Plantele C4 atrag atenția cercetătorilor datorită productivității lor fotosintetice.

Modalități de creștere a productivității plantelor agricole:

Nutriție minerală suficientă, care poate asigura cel mai bun curs al proceselor metabolice;

Iluminare mai completă, care poate fi realizată folosind anumite rate de însămânțare a plantelor, ținând cont de consumul de lumină al plantelor iubitoare de lumină și tolerante la umbră;

Cantitatea normală de dioxid de carbon din aer (cu o creștere a conținutului său, procesul de respirație a plantelor, care este asociat cu fotosinteza, este perturbat);

Umiditatea solului corespunzătoare nevoilor de umiditate ale plantelor, în funcție de condițiile climatice și agrotehnice.

Importanța fotosintezei în natură.

Ca rezultat al fotosintezei pe Pământ, se formează anual 150 de miliarde de tone de materie organică și se eliberează aproximativ 200 de miliarde de tone de oxigen liber. Fotosinteza nu numai că asigură și menține compoziția actuală a atmosferei Pământului, necesară vieții locuitorilor săi, dar previne și creșterea concentrației de CO 2 în atmosferă, prevenind supraîncălzirea planetei noastre (datorită așa-numitei sere). efect). Oxigenul eliberat în timpul fotosintezei este necesar pentru respirația organismelor și pentru a le proteja de radiațiile ultraviolete dăunătoare cu unde scurte.

Chemosinteza(Chemeta greacă târzie - chimie și sinteza greacă - conexiune) - un proces autotrof de creare a materiei organice de către bacterii care nu conțin clorofilă. Chemosinteza se realizează datorită oxidării compușilor anorganici: hidrogen, hidrogen sulfurat, amoniac, oxid de fier (II) etc. Asimilarea CO 2 se desfășoară ca în timpul fotosintezei (ciclul Calvin), cu excepția metanului, homo. - bacterii acetatice. Energia obținută din oxidare este stocată în bacterii sub formă de ATP.

Bacteriile chemosintetice joacă un rol extrem de important în ciclurile biogeochimice ale elementelor chimice din biosferă. Activitatea vitală a bacteriilor nitrificatoare este unul dintre cei mai importanți factori în fertilitatea solului. Bacteriile chemosintetice oxidează compușii de fier, mangan, sulf etc.

Chemosinteza a fost descoperită de microbiologul rus Serghei Nikolaevici Vinogradsky (1856-1953) în 1887.

3. Metabolismul energetic

Trei etape ale metabolismului energetic sunt efectuate cu participarea unor enzime speciale în diferite părți ale celulelor și organismelor.

Prima etapă este pregătitoare- apare (la animalele din organele digestive) sub actiunea enzimelor care descompun moleculele de di- si polizaharide, grasimi, proteine, acizi nucleici in molecule mai mici: glucoza, glicerol si acizi grasi, aminoacizi, nucleotide. Aceasta eliberează o cantitate mică de energie, care este disipată sub formă de căldură.

A doua etapă este oxidarea fără oxigen sau incompletă. Se mai numește și respirație anaerobă (fermentare) sau glicoliza. Enzimele de glicoliză sunt localizate în partea lichidă a citoplasmei - hialoplasma. Glucoza suferă descompunere, fiecare molenă în care este scindată și oxidată treptat cu participarea enzimelor la două molecule de trei atomi de carbon de acid piruvic CH 3 - CO - COOH, unde COOH este o grupă carboxil caracteristică acizilor organici.

Nouă enzime sunt implicate secvenţial în această conversie a glucozei. În timpul procesului de glicoliză, moleculele de glucoză sunt oxidate, adică se pierd atomii de hidrogen. Acceptorul de hidrogen (și electronul) în aceste reacții sunt molecule de nicotinamidă nindinucleotidă (NAD+), care sunt similare ca structură cu NADP+ și diferă doar prin absența unui reziduu de acid fosforic în molecula de riboză. Când acidul piruvic este redus din cauza reducerii NAD, apare produsul final al glicolizei - acidul lactic. Acidul fosforic și ATP sunt implicați în descompunerea glucozei.

Pe scurt, acest proces arată astfel:

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.

În ciupercile de drojdie, o moleculă de glucoză fără participarea oxigenului este transformată în alcool etilic și dioxid de carbon (fermentație alcoolică):

C6H12O6+2H3PO4+2ADP-2C2Hb0H+2C02+2ATP+2H2O.

La unele microorganisme, descompunerea glucozei fără oxigen poate duce la formarea acidului acetic, acetonei etc. În toate cazurile, descompunerea unei molecule de glucoză este însoțită de formarea a două molecule de ATP, în legăturile de înaltă energie ale care 40% din energie este stocată, restul este disipată sub formă de căldură.

A treia etapă a metabolismului energetic(etapa de divizare a oxigenului , sau stadiul respiraţiei aerobe) apare în mitocondrii. Această etapă este asociată cu matricea mitocondrială și membrana interioară; implică enzime reprezentând un „conveior” inel enzimatic numit ciclul Krebs, numit după omul de știință care l-a descoperit. Acest mod complex și lung de lucru al multor enzime este de asemenea numit ciclul acidului tricarboxilic.

Odată ajuns în mitocondrie, acidul piruvic (PVA) este oxidat și transformat într-o substanță bogată în energie - acetil coenzima A sau acetil-CoA pe scurt. În ciclul Krebs, moleculele de acetil-CoA provin din diferite surse de energie. În procesul de oxidare a PVK, acceptorii de electroni NAD + sunt reduși la NADH și un alt tip de acceptor este redus - FAD la FADH 2 (FAD este o dinucleotidă flavină adenină). Energia stocată în aceste molecule este utilizată pentru sinteza ATP - un acumulator de energie biologică universală. În timpul etapei de respirație aerobă, electronii din NADH și FADH 2 se deplasează de-a lungul unui lanț în mai multe etape de transfer al lor către acceptorul final de electroni - oxigenul molecular. În transfer sunt implicați mai mulți purtători de electroni: coenzima Q, citocromi și, cel mai important, oxigen. Când electronii se deplasează de la o etapă la alta a transportorului respirator, este eliberată energie, care este cheltuită pentru sinteza ATP. În interiorul mitocondriilor, cationii H + se combină cu anionii O 2 ~ pentru a forma apă. În ciclul Krebs, se formează CO 2, iar în lanțul de transfer de electroni - apă. În acest caz, o moleculă de glucoză, oxidându-se complet cu accesul oxigenului la C0 2 și H 2 0, contribuie la formarea a 38 de molecule de ATP. Din cele de mai sus rezultă că rolul principal în furnizarea energiei celulei este jucat de descompunerea oxigenului a substanțelor organice, sau respirația aerobă. Când există o deficiență de oxigen sau absența completă a acestuia, are loc descompunerea anaerobă, fără oxigen, a substanțelor organice; Energia unui astfel de proces este suficientă doar pentru a crea două molecule de ATP. Datorită acestui fapt, ființele vii pot supraviețui fără oxigen pentru o perioadă scurtă de timp.

Ciclul de viață al unei celule demonstrează clar că viața unei celule este împărțită într-o perioadă de interkineză și mitoză. În perioada interkinezei, toate procesele vieții, cu excepția diviziunii, sunt desfășurate în mod activ. Să ne concentrăm mai întâi asupra lor. Principalul proces de viață al unei celule este metabolismul.

Pe baza acesteia, au loc formarea de substanțe specifice, creșterea, diferențierea celulelor, precum și iritabilitatea, mișcarea și auto-reproducția celulelor. Într-un organism multicelular, celula este parte a întregului. Prin urmare, caracteristicile morfologice și natura tuturor proceselor de viață ale celulei se formează sub influența organismului și a mediului extern înconjurător. Organismul își exercită influența asupra celulelor în principal prin intermediul sistemului nervos, precum și prin influența hormonilor din glandele endocrine.

Metabolismul este o anumită ordine de transformare a substanțelor, care duce la conservarea și auto-reînnoirea celulei. În procesul de metabolism, pe de o parte, substanțele intră în celulă care sunt procesate și devin parte a corpului celular, iar pe de altă parte, substanțele care sunt produse de degradare sunt îndepărtate din celulă, adică celula și substanțe de schimb de mediu. Din punct de vedere chimic, metabolismul este exprimat în reacții chimice care se succed într-o anumită ordine. Ordinea strictă în transformarea substanțelor este asigurată de substanțele proteice - enzime, care joacă rolul de catalizatori. Enzimele sunt specifice, adică acţionează într-un anumit fel numai asupra anumitor substanţe. Sub influența enzimelor, a tuturor transformărilor posibile, această substanță se schimbă de multe ori mai repede într-o singură direcție. Noile substanțe formate în urma acestui proces se modifică în continuare sub influența altor enzime, la fel de specifice, etc.

Principiul motor al metabolismului este legea unității și a luptei contrariilor. Într-adevăr, metabolismul este determinat de două procese contradictorii și în același timp unificate - asimilarea și disimilarea. Substantele primite din mediul extern sunt procesate de celula si transformate in substante caracteristice celulei (asimilare). Astfel, compoziția citoplasmei sale și a organelelor nucleare este reînnoită, se formează incluziuni trofice, se produc secreții și hormoni. Procesele de asimilare sunt sintetice; Sursa acestei energii o constituie procesele de disimilare. Ca urmare, substanțele lor organice formate anterior sunt distruse, energia este eliberată și se formează produse, dintre care unele sunt sintetizate în noi substanțe celulare, în timp ce altele sunt excretate din celulă. Energia eliberată ca urmare a disimilării este utilizată în timpul asimilării. Astfel, asimilarea și disimilarea sunt două aspecte ale metabolismului, deși diferite, dar strâns legate între ele.

Natura metabolismului variază nu numai între diferite animale, ci chiar și în cadrul aceluiași organism în diferite organe și țesuturi. Această specificitate se manifestă prin faptul că celulele fiecărui organ sunt capabile să asimileze doar anumite substanțe, construind din ele substanțe specifice corpului lor și eliberând substanțe destul de specifice în mediul extern. Odată cu metabolismul are loc și schimbul de energie, adică celula absoarbe energie din mediul extern sub formă de căldură, lumină și, la rândul său, eliberează radiantă și alte tipuri de energie.

Metabolismul constă dintr-un număr de procese private. Principalele:

1) pătrunderea substanțelor în celulă;

2) „prelucrarea” lor folosind procesele de nutriție și respirație (aerobă și anaerobă);

3) utilizarea produselor „procesate” pentru diverse procese sintetice, un exemplu dintre care poate fi sinteza proteinelor și formarea de secreții;

4) îndepărtarea deșeurilor din celulă.

Plasmalema joacă un rol important în pătrunderea substanțelor, precum și în îndepărtarea substanțelor din celulă. Ambele procese pot fi considerate din punct de vedere fizico-chimic și morfologic. Permeabilitatea apare prin transport pasiv și activ. Primul apare datorita fenomenelor de difuzie si osmoza. Cu toate acestea, substanțele pot pătrunde în celulă contrar acestor legi, ceea ce indică activitatea celulei în sine și selectivitatea acesteia. Se știe, de exemplu, că ionii de sodiu sunt pompați din celulă, chiar dacă concentrația lor în mediul extern este mai mare decât în celulă, iar ionii de potasiu, dimpotrivă, sunt pompați în celulă. Acest fenomen este descris ca „pompa de sodiu-potasiu” și este însoțit de consum de energie. Capacitatea de a pătrunde într-o celulă scade pe măsură ce numărul de grupări hidroxil (OH) din moleculă crește atunci când o grupare amino (NH2) este introdusă în moleculă. Acizii organici pătrund mai ușor decât acizii anorganici. Amoniacul pătrunde foarte repede din alcalii. Mărimea moleculei contează și pentru permeabilitate. Permeabilitatea unei celule se modifica in functie de reactia, temperatura, iluminarea, varsta si starea fiziologica a celulei in sine, iar aceste motive pot creste permeabilitatea unor substante si in acelasi timp pot slabi permeabilitatea altora.

Tabloul morfologic al permeabilității substanțelor din mediu este bine urmărit și se realizează prin fagocitoză (fageină - devorare) și pinocitoză (pineină - băutură). Mecanismele ambelor sunt aparent similare și diferă doar cantitativ. Cu ajutorul fagocitozei, particulele mai mari sunt captate, iar cu ajutorul pinocitozei sunt captate particule mai mici și mai puțin dense. Mai întâi, substanțele sunt adsorbite de suprafața plasmalemei acoperite cu mucopolizaharide, apoi împreună cu aceasta se scufundă mai adânc și se formează o bulă, care este apoi separată de plasmalemă (Fig. 19). Prelucrarea substanțelor infiltrate se realizează în timpul proceselor care amintesc de digestie și care culminează cu formarea de substanțe relativ simple. Digestia intracelulară începe cu faptul că veziculele fagocitotice sau pinocitotice se contopesc cu lizozomii primari, care conțin enzime digestive, și se formează un lizozom secundar sau vacuola digestivă. În ele, cu ajutorul enzimelor, substanțele sunt descompuse în altele mai simple. Nu numai lizozomii, ci și alte componente celulare iau parte la acest proces. Astfel, mitocondriile furnizează partea energetică a procesului; canalele reticulului citoplasmatic pot fi folosite pentru transportul substanțelor prelucrate.

Digestia intracelulară se încheie cu formarea, pe de o parte, a unor produse relativ simple din care substanțe complexe nou sintetizate (proteine, grăsimi, carbohidrați) sunt folosite pentru reînnoirea structurilor celulare sau formarea secrețiilor, iar pe de altă parte, produse care urmează să fie excretat din celulă sub formă de excremente. Exemple de utilizare a produselor procesate includ sinteza proteinelor și formarea de secreții.

Orez. 19. Schema pinocitozei:

L - formarea canalului de pinocitoză (1) și veziculelor de pinocitoză (2). Săgețile indică direcția invaginării plasmalemei. B-G - stadii succesive de pinocitoză; 3 - particule adsorbite; 4 - particule captate de excrescente celulare; 5 - celule ale membranei plasmatice; D, E, B - etapele succesive ale formării unei vacuole pinocitotice; F - particulele alimentare sunt eliberate din învelișul vacuolei.

Sinteza proteinelor are loc pe ribozomi și are loc în mod convențional în patru etape.

Prima etapă implică activarea aminoacizilor. Activarea lor are loc în matricea citoplasmatică cu participarea enzimelor (aminoacil - ARN sintetaze). Sunt cunoscute aproximativ 20 de enzime, fiecare dintre ele fiind specifică doar pentru un aminoacid. Activarea unui aminoacid are loc atunci când se combină cu o enzimă și ATP.

Ca rezultat al interacțiunii, pirofosfatul este separat de ATP, iar energia situată în legătura dintre prima și a doua grupare fosfat este transferată în întregime la aminoacid. Aminoacidul activat în acest fel (aminoacil adenilat) devine reactiv și capătă capacitatea de a se combina cu alți aminoacizi.

A doua etapă este legarea aminoacidului activat la ARN de transfer (ARNt). În acest caz, o moleculă de ARNt atașează doar o moleculă de aminoacid activat. Aceste reacții implică aceeași enzimă ca în prima etapă, iar reacția se încheie cu formarea unui complex t-ARN și a unui aminoacid activat. Molecula de ARNt constă dintr-o spirală dublă scurtă închisă la un capăt. Capătul închis (capul) al acestui helix este reprezentat de trei nucleotide (anticodon), care determină atașarea acestui t-ARN la o secțiune specifică (codon) a unei molecule lungi de ARN mesager (i-ARN). Un aminoacid activat este atașat la celălalt capăt al ARNt (Fig. 20). De exemplu, dacă o moleculă de ARNt are un triplet UAA la capătul capului, atunci numai aminoacidul lizina se poate atașa la capătul său opus. Astfel, fiecare aminoacid are propriul său ARNt specific. Dacă cele trei nucleotide terminale din ARNt diferite sunt aceleași, atunci specificitatea sa este determinată de secvența de nucleotide din altă regiune a ARNt. Energia din aminoacidul activat cuplat la ARNt este utilizată pentru a forma legături peptidice în molecula polipeptidică. Aminoacidul activat este transportat de ARNt prin hialoplasmă la ribozomi.

A treia etapă este sinteza lanțurilor polipeptidice. ARN-ul mesager, care părăsește nucleul, este tras prin micile subunități ale mai multor ribozomi ai unui anumit poliribozom și în fiecare dintre ele se repetă aceleași procese de sinteză. În timpul broșării, moleculara

Orez. 20. Schema sintezei polipeptidelor pe ribozomi folosind ARNm și t-ARN: /, 2-ribozom; 3 - t-ARN purtând anticodoni la un capăt: ACC, AUA. Ayv AGC, iar la celălalt capăt, respectiv, aminoacizi: triptofan, rolă, lizină, serină (5); 4-n-ARN, în care se află codurile: UGG (triptofan)” URU (valină). UAA (lizină), UCG (serină); 5 - polipeptidă sintetizată.

Un cod t-ARN, al cărui triplet corespunde cuvântului de cod i-ARN. Cuvântul cod se deplasează apoi spre stânga și, odată cu el, ARNt-ul atașat la el. Aminoacidul adus de acesta este legat printr-o legătură peptidică de aminoacidul adus anterior al polipeptidei de sinteză; t-ARN este separat de i-ARN, are loc traducerea (copierea) informațiilor i-ARN, adică sinteza proteinelor. Evident, două molecule de ARNt sunt atașate simultan la ribozomi: una la locul care poartă lanțul polipeptidic care este sintetizat și cealaltă la locul de care este atașat următorul aminoacid înainte de a-și lua locul în lanț.

A patra etapă este îndepărtarea lanțului polipeptidic din ribozom și formarea unei configurații spațiale caracteristice proteinei sintetizate. În cele din urmă, molecula de proteină care și-a încheiat formarea devine independentă. t-ARN poate fi utilizat pentru sinteza repetată, iar ARNm este distrus. Durata formării unei molecule proteice depinde de numărul de aminoacizi din aceasta. Se crede că adăugarea unui aminoacid durează 0,5 secunde.

Procesul de sinteză necesită energie, a cărei sursă este ATP, care se formează în principal în mitocondrii și în cantități mici în nucleu, și cu activitate celulară crescută și în hialoplasmă. În nucleul hialoplasmei, ATP se formează nu pe baza procesului oxidativ, ca în mitocondrii, ci pe baza glicolizei, adică a unui proces anaerob. Astfel, sinteza se realizează datorită activității coordonate a nucleului, hialoplasmei, ribozomilor, mitocondriilor și reticulului citoplasmatic granular al celulei.

Activitatea secretorie a unei celule este, de asemenea, un exemplu de lucru coordonat al unui număr de structuri celulare. Secreția este producerea de către o celulă a unor produse speciale, care într-un organism multicelular sunt cel mai adesea folosite în interesul întregului organism. Astfel, saliva, bila, sucul gastric și alte secreții servesc la procesarea alimentelor în

Orez. 21. Schema uneia dintre modalitățile posibile de sinteza a secreției într-o celulă și îndepărtarea acesteia:

1 - secretat în miez; 2 - ieșire pro-secretă din nucleu; 3 - acumularea de prosecret în rezervorul reticulului citoplasmatic; 4 - separarea rezervorului de secretie de reticulul citoplasmatic; 5 - complex lamelar; 6 - o picătură de secreție în zona complexului lamelar; 7- granulă de secreție matură; 8-9 - stadii succesive de secretie; 10 - secretie in afara celulei; 11 - plasmalema celulei.

Organele digestive. Secrețiile pot fi formate fie numai din proteine (un număr de hormoni, enzime), fie constau din glicoproteine (mucus), ligyu-proteine, glicolipoproteine, mai rar sunt reprezentate de lipide (grăsimi din lapte și glande sebacee) sau substanțe anorganice (clorhidric). acidul glandelor fundice).

În celulele secretoare, de obicei se pot distinge două capete: bazal (cu fața la spațiul pericapilar) și apical (cu fața spre spațiul unde este eliberată secreția). Zonarea se observă în aranjarea componentelor celulei secretoare, iar de la capetele bazale până la capetele apicale (poli) formează următorul rând: reticul citoplasmatic granular, nucleu, complex lamelar, granule de secreție (Fig. 21). Plasmalema polilor bazali și apicali poartă adesea microvilozități, drept urmare suprafața de intrare a substanțelor din sânge și limfă prin polul bazal și ieșirea secreției finite prin polul apical crește.

Când se formează o secreție de natură proteică (pancreas), procesul începe cu sinteza proteinelor specifice secreției. Prin urmare, nucleul celulelor secretoare este bogat în cromatină și are un nucleol bine definit, datorită căruia se formează toate cele trei tipuri de ARN, care intră în citoplasmă și participă la sinteza proteinelor. Uneori, aparent, sinteza secreției începe în nucleu și se termină în citoplasmă, dar cel mai adesea în hialoplasmă și continuă în reticulul citoplasmatic granular. Tubulii reticulului citoplasmatic joacă un rol important în acumularea produselor primare și transportul acestora. În acest sens, celulele secretoare au mulți ribozomi și un reticul citoplasmatic bine dezvoltat. Secțiuni ale reticulului citoplasmatic cu secreția primară sunt rupte și direcționate către complexul lamelar, trecând în vacuolele sale. Aici are loc formarea granulelor secretoare.

În același timp, în jurul secreției se formează o membrană lipoproteică, iar secreția în sine se maturizează (pierde apă), devenind mai concentrată. Secreția finală sub formă de granule sau vacuole părăsește complexul lamelar și este eliberată prin polul apical al celulelor. Mitocondriile furnizează energie pentru întregul proces. Secretele de natură neproteică sunt aparent sintetizate în reticulul citoplasmatic și, în unele cazuri, chiar și în mitocondrii (secreții lipidice). Procesul de secreție este reglat de sistemul nervos. Pe lângă proteinele și secrețiile constructive, ca urmare a metabolismului în celulă, se pot forma substanțe cu caracter trofic (glicogen, grăsimi, pigmenți etc.) și se poate produce energie (biocurenți radianți, termici și electrici).

Metabolismul este finalizat prin eliberarea unui număr de substanțe în mediul extern, care, de regulă, nu sunt utilizate de celulă și sunt adesea

Chiar dăunător pentru ea. Eliminarea substanțelor din celulă se realizează, ca și intrarea, pe baza proceselor fizico-chimice pasive (difuzie, osmoză) și prin transfer activ. Tabloul morfologic al excreției are adesea un caracter opus fagocitozei. Substanțele excretate sunt înconjurate de o membrană.

Bula rezultată se apropie de membrana celulară, intră în contact cu aceasta, apoi se sparge, iar conținutul bulei apare în afara celulei.

Metabolismul, așa cum am spus deja, determină alte manifestări vitale ale celulei, cum ar fi creșterea și diferențierea celulelor, iritabilitatea și capacitatea celulelor de a se reproduce.

Creșterea celulară este o manifestare externă a metabolismului, exprimată printr-o creștere a dimensiunii celulelor. Creșterea este posibilă numai dacă, în procesul de metabolism, asimilarea prevalează asupra disimilației, iar fiecare celulă crește doar până la o anumită limită.

Diferențierea celulară este o serie de modificări calitative care apar diferit în diferite celule și sunt determinate de mediu și de activitatea secțiunilor de ADN numite gene. Ca rezultat, apar celule de diferite țesuturi, ulterior, celulele suferă modificări legate de vârstă, care sunt puțin studiate. Cu toate acestea, se știe că celulele sunt epuizate de apă, particulele de proteine devin mai mari, ceea ce presupune o scădere a suprafeței totale a fazei dispersate a coloidului și, în consecință, o scădere a ratei metabolice. Prin urmare, potențialul vital al celulei scade, reacțiile oxidative, de reducere și alte reacții încetinesc, direcția unor procese se modifică, motiv pentru care în celulă se acumulează diverse substanțe.

Iritabilitatea unei celule este reacția acesteia la schimbările din mediul extern, datorită cărora contradicțiile temporare care apar între celulă și mediu sunt eliminate, iar structura vie se adaptează la mediul extern deja schimbat.

În fenomenul de iritabilitate pot fi distinse următoarele puncte:

1) expunerea la un agent de mediu (de exemplu, mecanic, chimic, radiații etc.)

2) tranziția celulei la o stare activă, adică excitabilă, care se manifestă prin modificări ale proceselor biochimice și biofizice din interiorul celulei, iar permeabilitatea celulei și absorbția de oxigen pot crește, starea coloidală a citoplasmei sale se poate modifica, pot apărea curenți electrici de acțiune etc.;

3) răspunsul celulei la influența mediului, iar în diferite celule răspunsul se manifestă diferit. Astfel, în țesutul conjunctiv are loc o modificare locală a metabolismului, se produce contracția în țesutul muscular, secrețiile sunt eliberate în țesuturile glandulare (salivă, bilă etc.), are loc un impuls nervos în celulele nervoase și în epiteliul glandular. , țesuturile musculare și nervoase, excitația apare într-o zonă, se răspândește în tot țesutul. Într-o celulă nervoasă, excitația se poate răspândi nu numai către alte elemente ale aceluiași țesut (rezultând formarea unor sisteme excitabile complexe - arcuri reflexe), ci și să se deplaseze către alte țesuturi. Datorită acestui fapt, rolul reglator al sistemului nervos este îndeplinit. Gradul de complexitate al acestor reacții depinde de nivelul de organizare al animalului În funcție de puterea și natura agentului iritant, se disting următoarele trei tipuri de iritabilitate: normală, stare de paranecroză și necroză. Dacă puterea stimulului nu depășește limitele normale inerente mediului în care trăiește celula sau organismul în ansamblu, atunci procesele care au loc în celulă elimină în cele din urmă contradicția cu mediul extern, iar celula revine la o stare normală. În acest caz, nu are loc nicio întrerupere a structurii celulare vizibile la microscop. Dacă puterea stimulului este mare sau afectează celula pentru o lungă perioadă de timp, atunci o modificare a proceselor intracelulare duce la o perturbare semnificativă a funcției, structurii și chimiei celulei. În ea apar incluziuni, se formează structuri sub formă de fire, bulgări, ochiuri etc. Reacția citoplasmei se deplasează către aciditate, o modificare a structurii și proprietăților fizico-chimice ale celulei perturbă funcționarea normală a celulei, punând-o. în pragul vieţii şi al morţii. Nasonov și Aleksandrov au numit această afecțiune paranecrotică* Este reversibilă și poate duce la refacerea celulei, dar poate duce și la moartea acesteia. În cele din urmă, dacă agentul acționează cu o forță foarte mare, procesele din interiorul celulei sunt atât de grav perturbate încât restaurarea este imposibilă, iar celula moare. După aceasta, au loc o serie de modificări structurale, adică celula intră într-o stare de necroză sau necroză.

Circulaţie. Natura mișcării inerentă unei celule este foarte diversă. În primul rând, celula suferă o mișcare continuă a citoplasmei, care este în mod evident asociată cu implementarea proceselor metabolice. Mai mult, diferite formațiuni citoplasmatice se pot mișca foarte activ în celulă, de exemplu, cilii în epiteliul ciliat, mitocondrii; face mişcarea şi miezul. În alte cazuri, mișcarea este exprimată printr-o modificare a lungimii sau volumului celulei cu revenirea ulterioară la poziția inițială. Această mișcare este observată în celulele musculare, fibrele musculare și celulele pigmentare. Mișcarea în spațiu este, de asemenea, larg răspândită. Poate fi realizat cu ajutorul pseudopodelor, ca într-o amibă. Acesta este modul în care se mișcă leucocitele și unele celule ale țesutului conjunctiv și al altor țesuturi. Sperminele au o formă specială de mișcare în spațiu. Mișcarea lor înainte are loc datorită unei combinații de coturi serpentine ale cozii și rotație a spermatozoizilor în jurul axei longitudinale. La creaturile relativ simplu organizate și în unele celule ale animalelor multicelulare extrem de organizate, mișcarea în spațiu este cauzată și dirijată de diverși agenți ai mediului extern și se numește taxiuri.

Există: chimiotaxie, tigmotaxie și reotaxie. Chemotaxia este mișcarea către sau departe de substanțe chimice. Astfel de taxiuri sunt detectate de leucocitele din sânge, care se deplasează în mod amoeb către bacteriile care au pătruns în organism și secretă anumite substanțe Tigmotaxia este mișcarea către sau departe de un corp solid atins. De exemplu, atingerea ușoară a particulelor de alimente cu o amibe face ca aceasta să le învelească și apoi să le înghită. Iritația mecanică puternică poate provoca mișcare în direcția opusă originii iritante. Reotaxia este mișcarea împotriva curgerii fluidului. Spermina, care se deplasează în uter împotriva fluxului de mucus către celula ou, are capacitatea de a reotaxis.

Capacitatea de a se reproduce este cea mai importantă proprietate a materiei vii, fără de care viața este imposibilă. Fiecare sistem viu este caracterizat de un lanț de schimbări ireversibile care culminează cu moartea. Dacă aceste sisteme nu ar da naștere unor noi sisteme capabile să înceapă ciclul din nou, viața ar înceta.

Funcția de auto-reproducere a celulei se realizează prin diviziune, care este o consecință a dezvoltării celulei. Pe parcursul vieții sale, datorită predominanței asimilării asupra disimilației, masa celulelor crește, dar volumul celulei crește mai repede decât suprafața acesteia. În aceste condiții, intensitatea metabolismului scade, apar modificări fizico-chimice și morfologice profunde în celulă, iar procesele de asimilare sunt treptat inhibate, lucru dovedit convingător cu ajutorul atomilor marcați. Ca urmare, creșterea celulei se oprește mai întâi, iar apoi existența sa ulterioară devine imposibilă și are loc diviziunea.

Trecerea la diviziune este un salt calitativ, sau o consecință a modificărilor cantitative de asimilare și disimilare, un mecanism de rezolvare a contradicțiilor dintre aceste procese. După diviziune, celulele par să se întinerească, potențialul lor vital crește, deoarece datorită scăderii dimensiunii crește proporția suprafeței active, se intensifică metabolismul în general și faza de asimilare a acestuia în special.

Astfel, viața individuală a unei celule constă dintr-o perioadă de interfază, caracterizată printr-un metabolism crescut și o perioadă de diviziune.

Interfaza este împărțită cu un anumit grad de convenție:

1) pentru perioada presintetică (Gj), când intensitatea proceselor de asimilare crește treptat, dar reduplicarea ADN-ului nu a început încă;

2) sintetic (S), caracterizat prin înălțimea sintezei, în timpul căreia are loc dublarea ADN-ului și

3) postsintetic (G2), când procesele de sinteză a ADN-ului se opresc.

Se disting următoarele tipuri principale de împărțire:

1) diviziune indirectă (mitoză sau cariokineza);

2) meioză sau diviziune de reducere și

3) amitoză sau diviziune directă.