Реферат на тему:
"Обміни речовин, що відбуваються в клітинах людини"
Будова і функції клітини
За наявності оформленого ядра всі клітинні організми діляться на дві групи: прокаріоти і еукаріоти.
Прокаріоти (без'ядерні організми) - примітивні організми, що не мають чітко оформленого ядра. У таких клітинах виділяється лише ядерна зона, що містить молекулу ДНК. Крім того, в клітинах прокаріотів відсутні багато органели. У них є тільки зовнішня клітинна мембрана і рибосоми. До прокаріотів належать бактерії і синьозелені водорості (цианеи).
Еукаріоти - істинно ядерні, мають чітко оформлене ядро і всі основні структурні компоненти клітини. До еукаріотів відносяться рослини, тварини, гриби. Еукаріотних клітина має складну будову. Вона складається з трьох нерозривно пов'язаних частин:
1) зовнішньої клітинної мембрани, у деяких додатково є оболонка;
2) цитоплазми і її органоїдів;
3) ядра.
Зовнішня клітинна мембрана - двома-лайлива клітинна структура, яка обмежує живий склад клітини всіх організмів. Володіючи виборчої проникністю, вона захищає клітину, регулює надходження речовин і обмін із зовнішнім середовищем, підтримує певну форму клітини. Клітинна мембрана складається з подвійного шару фосфоліпідів, звернених один до одного своїми гідрофобними кінцями з радикалів вищих жирних кислот; зовні розташовуються гідрофільні залишки фосфорної кислоти та гліцерину. У біліпід-ний шар мозаїчно вкраплені молекули білків, одна частина яких пронизує мембрану, а інша - розташовується на поверхні або частково занурена в неї. Із зовнішнього боку з білками і ліпідами з'єднані вуглеводи.
Речовини надходять в клітину різними шляхами: дифузно (низькомолекулярні іони); осмосом (вода); активним транспортом (через спеціальні білкові канали) з витратою енергії; за допомогою ендоцитозу (великі частки).
Клітини рослинних організмів, грибів крім мембрани зовні мають ще й оболонку. Ця нежива клітинна структура складається з целюлози, надає міцність клітці, захищає її, є «скелетом» рослин і грибів. В оболонці є пори, через які йде надходження речовин.
У цитоплазмі, напіврідкому вмісті клітки, знаходяться всі органоїди.
Ендоплазматична мережа (ЕРС) - одномембранная система канальців, трубочок, цистерн, яка пронизує всю цитоплазму. Вона розділяє її на окремі відсіки, в яких йде синтез різних речовин, забезпечує сполучення між окремими частинами клітини і транспорт речовин. Розрізняють гладку і гранулярну ЕПС. На гладкій - йде синтез ліпідів, на гранулярной - розташовуються рибосоми і синтезується білок.
Рибосоми - дрібні тільця грибоподібної форми, в яких йде синтез білка. Вони складаються з рибосомальної РНК і білка, що утворюють велику і малу субодиниці.
Апарат Гольджі - одномембранная структура, пов'язана з ЕПС, забезпечує упаковку і винос синтезованих речовин із клітини. Крім того, з його структур утворюються лізосоми.
Лізосоми - кулясті тільця, що містять гідролітичні ферменти, які розщеплюють високомолекулярні речовини, тобто забезпечують внутрішньоклітинне перетравлення.
Мітохондрії - напівавтономні двома-лайливі структури довгастої форми. Зовнішня мембрана гладка, а внутрішня має складки - Крісті, що збільшують її поверхню. Усередині мітохондрія заповнена матриксом, в якому знаходяться кільцева молекула ДНК, РНК, рибосоми.
Кількість мітохондрій у клітинах різна, з ростом клітин їх кількість збільшується в результаті поділу. Мітохондрії - це «енергетичні станції» клітини. У процесі дихання в них відбувається остаточне окислення речовин киснем повітря. Енергія, що виділяється запасається у молекулах АТФ, синтез яких відбувається в цих структурах.
Пластида характерні для рослинних клітин. Існують три види пластид: хлоропласти, лейкопласти і хромопласти.
Хлоропласти - напівавтономні двумембранние органоїди довгастої форми, зеленого кольору. Внутрішня частина заповнена стромою, в яку занурені грани. Грани утворені з мембранних структур - тилакоїдів. У стромі є кільцева молекула ДНК, РНК, рибосоми. На мембранах розташовується фотосинтезуючі пігменти - хлорофіл. У хлоропластах протікає процес фотосинтезу. На мембранах тилакоїдів йдуть реакції світлової фази, а в стромі - темнової.
Хромопласти - двумембранние органоїди кулястої форми, що містять червоний, помаранчевий і жовтий пігменти. Хромопласти надають забарвлення квіткам і плодам, утворюються з хлоропластів.
Лейкопласти - безбарвні пластиди, що знаходяться в нефарбованих частинах рослини. Містять запасні поживні речовини, можуть на світлі переходити в хлоропласти.
Крім хлоропластів рослинні клітини мають і вакуолі - мембранні тільця, заповнені клітинним соком і поживними речовинами.
Клітинний центр забезпечує процес поділу клітини. Він складається з двох центріолей і центросфери, які утворюють нитки веретена поділу і сприяють рівномірному розподілу хромосом в делящейся клітці. Характерні для тварин клітин. -
Ядро - центр регуляції життєдіяльності клітини. Ядро відокремлене від цитоплазми подвійний ядерною мембраною, пронизаної порами. Всередині воно заповнене кариоплазма, в якій знаходяться молекули ДНК. Ядерний апарат регулює всі процеси життєдіяльності клітини, забезпечує передачу спадкової інформації. Тут відбувається синтез ДНК, РНК, рибосом. Часто в ядрі можна побачити одне або декілька темних округлих утворень - ядерець, в яких формуються і накопичуються рибосоми. Молекули ДНК несуть спадкову інформацію, яка визначає ознаки даного організму, органу, тканини, клітини. У ядрі молекули ДНК не видно, тому що перебувають у вигляді тонких ниток хроматину. Під час поділу ДНК сильно спіралізуются, товщають, утворюють комплекси з білком і перетворюються на добре помітні структури - хромосоми.
Крім перерахованих деякі клітини мають специфічні органели - вії і джгутики, які забезпечують рух, переважно одноклітинних організмів. Є вони і у деяких клітин багатоклітинних організмів (ресничний епітелій). Вії і джгутики представляють собою вирости цитоплазми, оточені клітинною мембраною. Усередині виростів знаходяться мікротрубочки, скорочення яких приводить в рух клітку.
Обмін речовин і перетворення енергії в клітині
Основою життєдіяльності клітини є обмін речовин і перетворення енергії. Обмін речовин - сукупність всіх реакцій синтезу і розпаду, що протікають в організмі, пов'язаних з виділенням або поглинанням енергії. Обмін речовин і енергії складається з двох взаємопов'язаних і протилежних процесів: асиміляції і дисиміляції.
Асиміляція, або пластичний обмін, - сукупність реакцій синтезу високомолекулярних органічних речовин, що супроводжуються поглинанням енергії за рахунок розпаду молекул АТФ.
Дисиміляція, або енергетичний обмін, - сукупність реакцій розпаду і окислення органічних речовин, що супроводжуються виділенням енергії і запасанием її в синтезованих молекулах АТФ.
Всі реакції обміну речовин йдуть у присутності ферментів. АТФ є основною речовиною, що забезпечує всі енергетичні процеси в клітині, запасає енергію в процесі енергетичного обміну і віддає в процесі пластичного обміну.
Єдиним джерелом енергії на землі є сонце. Клітини рослин за допомогою хлоропластів вловлюють енергію сонця, перетворюючи її в енергію хімічних зв'язків молекул синтезованих органічних речовин. У рослинах йде первинний синтез органічних речовин з неорганічних: вуглекислого газу і води за рахунок енергії сонця. Всі інші організми використовують готові органічні речовини, розщеплюють їх, а енергія, що виділяється запасається у молекулах АТФ. Запасена енергія витрачається в процесі пластичного обміну на синтез органічних речовин, специфічних для кожного організму. Частина енергії в процесі обміну речовин постійно втрачається у вигляді тепла, тому в системи живих організмів необхідний постійний приплив енергії. Таким чином, сонячна енергія акумулюється в органічних речовинах, а потім використовується в процесі життєдіяльності організму.
За способом живлення, джерела отримання органічних речовин і енергії організми діляться на автотрофні і гетеротрофні.
Автотрофні організми синтезують органічні речовини в процесі фотосинтезу з неорганічних (вуглекислого газу, води, мінеральних солей), використовуючи енергію сонячного світла. До них відносяться всі рослинні організми, синьо-зелені водорості (ціанобактерії). До автотрофного харчування здатні і хемо-синтезують бактерії, що використовують енергію, яка виділяється при окисленні неорганічних речовин: сірки, заліза, азоту.
Гетеротрофні організми отримують готові органічні речовини від автотрофів. Джерелом енергії є органічні речовини, які розпадаються і окислюються в процесі дисиміляції. До них відносяться тварини, гриби, багато бактерій.
Автотрофи здатні засвоювати неорганічний вуглець та інші елементи. Гетеротрофи засвоюють тільки органічні речовини, отримуючи енергію при їх розщепленні. Автотрофні і гетеротрофні організми пов'язані між собою процесами обміну речовин і енергії.
Енергетичний обмін
Енергетичний обмін складається з трьох етапів.
этап — подготовительный. На первом этапе происходит расщепление высокомолекулярных органических веществ до низкомолекулярных в процессе реакций гидролиза, идущих при участии воды.
I етап - підготовчий. На першому етапі відбувається розщеплення високомолекулярних органічних речовин до низькомолекулярних в процесі реакцій гідролізу, що йдуть за участю води. Він протікає в травному тракті, а на клітинному рівні - в лізосомах. Вся енергія, що виділяється на підготовчому етапі, розсіюється у вигляді тепла.Реакції підготовчого етапу:
білки + Н 2 0 - »амінокислоти + С; вуглеводи + Н 2 0 -» глюкоза + ф; жири + Н 2 0 -> гліцерин + вищі жирні кислоти +
этап — гликолиз, бескислородное окисление. Глюкоза является ключевым веществом обмена в организме.
II етап - гліколіз, бескислородное окислення. Глюкоза є ключовим речовиною обміну в організмі. Всі інші речовини на різних стадіях втягуються в процеси її перетворення. Подальше розщеплення органічних речовин розглядається на прикладі обміну глюкози.Процес гліколізу протікає в цитоплазмі. Глюкоза розщеплюється до 2 молекул піровиноградної кислоти (ПВК), які залежно від типу клітин і організмів можуть перетворюватися на молочну кислоту, спирт або інші органічні речовини. При цьому виділяється енергія частково запасається в 2 молекулах АТФ, а частково витрачається у вигляді тепла. Безкисневі процеси називаються бродінням.
Реакції гліколізу:
З 6 Н 12 0 6 - +> 2С 3 Н 4 0 3 +4 Н-глюкоза
ПВК2АТФ
2С 3 Н 6 0 3 (молочна кислота) молочнокисле бродіння
2С 2 Н 5 ОН + 2С0 2 (етиловий спирт) спиртове бродіння
У результаті ступеневої розщеплення глюкози утворюються 2 молекули ПВК - С 3 Н 4 0 3. При цьому звільняються ще 4 атоми Н, що з'єднуються з переносником НАД +, і утворюються 2НАД • Н + Н +. Подальша доля ПВК залежить від наявності кисню. В анаеробних умовах ПВК перетворюється на молочну кислоту або етанол з участю тих же двох молекул НАД • Н + Н +, які повертають водень. Якщо ж процес йде в аеробних умовах, то ПВК і 2НАД • Н + Н + вступають в реакції біологічного окислення.
этап — кислородный. Биологическое окисление протекает в митохондриях.
III етап - кисневий. Біологічне окислення відбувається у мітохондріях. Піровиноградна кислота надходить у мітохондрії, де перетворюється в оцтову кислоту, з'єднується з ферментом-переносником і входить у серію циклічних реакцій - цикл Кребса. У результаті цих реакцій за участю кисню утворюються вуглекислий газ і вода, а на кристах мітохондрій за рахунок енергії, що виділяється синтезується 36 молекул АТФ.Реакції кисневого етапи:
2С 3 Н 4 0 3 + 60 2 + 4Н - 6С0 2 + 6Н 2 0.
Таким чином, при розщепленні глюкози на двох етапах утворюється сумарно 38 молекул АТФ, причому основна частина - при кисневому окисленні.
Процес біологічного окислення органічних речовин називається диханням.
Пластичний обмін. Фотосинтез
Фотосинтез - процес первинного синтезу органічних речовин з неорганічних (вуглекислого газу і води) під дією сонячного світла. Протікає у рослин в хлоропластах. Виділяють дві фази фотосинтезу.
1. Світлова фаза. Фотоліз води. Синтез АТФ. Протікає на мембранах тилакоїдів тільки за участю сонячного світла. За рахунок енергії сонця протікають три групи реакцій:
1) порушення хлорофілу, відрив електронів і синтез АТФ за рахунок енергії збуджених електронів;
2) фотоліз води - розщеплення молекули води;
3) зв'язування іонів водню з переносником НАДФ.
Кванти світла, потрапивши на хлорофіл, призводять молекулу в збуджений стан. При цьому електрони переходять в збуджений стан і проходять по електронній ланцюга на мембрані до місця синтезу АТФ. Одночасно під дією світла йде розщеплення молекули води і утворення іонів водню. На мембрані тилакоїдів відбувається з'єднання іонів водню з переносником НАДФ за рахунок електронів хлорофілу, а виділилася енергія йде на синтез АТФ. Утворилися при фотолізі води іони кисню віддають електрони на хлорофіл і перетворюються на вільний кисень, який виділяється в атмосферу.
2. Темнова фаза. Фіксація вуглецю. Синтез глюкози. Для протікання реакцій другій стадії наявність світла необов'язково. Джерелом енергії є синтезовані на першій стадії молекули АТФ.
У стромі хлоропластів, куди надходять НАДФ • Н 4 - Н +, АТФ і вуглекислий газ з атмосфери, протікають циклічні реакції, у результаті яких йде фіксація вуглекислого газу, його відновлення воднем за рахунок НАДФ х х Н + Н + і синтез глюкози. Ці реакції йдуть за рахунок енергії АТФ, запасеної в світловий фазі.
Схематично рівняння темнової фази можна представити наступним чином:
З 6 Н 12 0 6 + НАДФ + С0 2 + НАДФ • Н + Н +2 АДФ
Сумарне рівняння фотосинтезу:
6С0 2 + 6Н 2 0 -222 + С 6 Н 12 0 6 + 60 2 Т.
Пластичний обмін. Біосинтез білка
Найбільш важливим процесом пластичного обміну є біосинтез білка. Він протікає у всіх клітинах організмів.
Генетичний код. Амінокислотна послідовність у молекулі білка зашифрована у вигляді нуклеотидної послідовності в молекулі ДНК і називається генетичним кодом. Ділянка молекули ДНК, відповідальний за синтез одного білка, називається геном.
Характеристика генетичного коду.
1.Код триплеті: кожній амінокислоті відповідає поєднання з 3 нуклеотидів. Усього таких поєднань - 64 коду. З них 61 код смислової, тобто відповідає 20 амінокислотам, а 3 коду - безглузді, стоп-коди, які не відповідають амінокислотам, а заповнюють проміжки між генами.
2. Код однозначний - кожен триплет відповідає лише одній амінокислоті.
3. Код виродилися - кожна амінокислота має більш ніж один код. Наприклад, у амінокислоти гліцин - 4 коду: ЦЦА, ЦЦГ, ЦЦТ, ццц, частіше у амінокислот їх 2-3.
4. Код універсальний - всі живі організми мають один і той же генетичний код амінокислот.
5. Код безперервний - між кодами немає проміжків.
6. Код пеперекривається - кінцевий нуклеотид одного коду не може служити початком іншого.
Умови біосинтезу. Для біосинтезу білка необхідна генетична інформація молекули ДНК; інформаційна РНК - переносник цієї інформації з ядра до місця синтезу; рибосоми - органели, де відбувається власне синтез білка; набір амінокислот у цитоплазмі; транспортні РНК, що кодують амінокислоти і переносять їх до місця синтезу на рибосоми; АТФ - речовина, що забезпечує енергією процес кодування і біосинтезу.
Етапи біосинтезу
Транскрипція - процес біосинтезу усіх видів РНК на матриці ДНК, який протікає в ядрі.
Певний ділянку молекули ДНК деспіралізуются, водневі зв'язки між двома ланцюжками руйнуються під дією ферментів. На одного ланцюга ДНК, як на матриці, за принципом комплементарна з нуклеотидів синтезується РНК-копія. У залежності від ділянки ДНК таким чином синтезуються рибосомні, транспортні, інформаційні РНК.
Після синтезу іРНК вона виходить із ядра і направляється в цитоплазму до місця синтезу білка на рибосоми.
Трансляція - процес синтезу поліпептидних ланцюгів, здійснюваний на рибосомах, де іРНК є посередником у передачі інформації про первинну структуру білка.
Біосинтез білка складається з низки реакцій.
1. Активація та кодування амінокислот. тРНК має вигляд листа конюшини, в центральній петлі якого розташовується триплет-ний антикодон, відповідний коду певної амінокислоти і кодону на іРНК. Кожна амінокислота з'єднується з відповідною тРНК за рахунок енергії АТФ. Утворюється комплекс тРНК-амінокислота, який надходить на рибосоми.
2. Освіта комплексу іРНК-рибосома. іРНК в цитоплазмі з'єднується рибосомами на гранулярной ЕПС.
3. Збірка поліпептидного ланцюга. тРНК з амінокислотами за принципом комплементарності антикодоном з кодоном з'єднуються з іРНК і входять до рибосому. У пептидним центрі рибосоми між двома амінокислотами утворюється пептидний зв'язок, а звільнилася тРНК залишає рибосому. При цьому іРНК щоразу просувається на один триплет, вносячи нову тРНК - амінокислоту і виносячи з рибосоми звільнилася тРНК. Весь процес забезпечується енергією АТФ. Одна іРНК може з'єднуватися з декількома рибосомами, утворюючи полісом, де йде одночасно синтез багатьох молекул одного білка. Синтез закінчується, коли на іРНК починаються безглузді кодони (стоп-коди). Рибосоми відокремлюються від іРНК, з них знімаються поліпептидні ланцюги. Оскільки весь процес синтезу протікає на гранулярной ендо-плазматичної мережі, то утворилися поліпептидні ланцюги надходять в канальця ЕПС, де здобувають остаточну структуру і перетворюються на молекули білка.
Усі реакції синтезу катализируются спеціальними ферментами з витратою енергії АТФ. Швидкість синтезу дуже велика і залежить від довжини поліпептиду. Наприклад, у рибосомі кишкової палички білок з 300 амінокислот синтезується приблизно за 15-20 с.