Пэчворк 

Общие свойства характерны для митохондрий и хлоропластов. В чем проявляется сходство митохондрий и хлоропластов в функциональном и структурном плане? Редупликация днк происходит в

Важную роль в жизнедеятельности каждой клетки играют особые структуры - митохондрии. Строение митохондрий позволяет работать органелле в полуавтономном режиме.

Общая характеристика

Митохондрии были обнаружены в 1850 году. Однако понять строение и функциональное назначение митохондрий стало возможно только в 1948 году.

За счёт своих довольно крупных размеров органеллы хорошо различимы в световом микроскопе. Максимальная длина - 10 мкм, диаметр не превышает 1 мкм.

Митохондрии присутствуют во всех эукариотических клетках. Это двумембранные органоиды обычно бобовидной формы. Также встречаются митохондрии сферической, нитевидной, спиралевидной формы.

Количество митохондрий может значительно варьировать. Например, в клетках печени их насчитывается около тысячи, а в ооцитах - 300 тысяч. Растительные клетки содержат меньше митохондрий, чем животные.

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

Рис. 1. Нахождение митохондрий в клетке.

Митохондрии пластичны. Они меняют форму и перемещаются в активные центры клетки. Обычно митохондрий больше в тех клетках и частях цитоплазмы, где выше потребность в АТФ.

Строение

Каждая митохондрия отделена от цитоплазмы двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая. Строение внутренней мембраны более сложное. Она образует многочисленные складки - кристы, которые увеличивают функциональную поверхность. Между двумя мембранами находится пространство в 10-20 нм, заполненное ферментами. Внутри органеллы располагается матрикс - гелеобразное вещество.

Рис. 2. Внутреннее строение митохондрий.

В таблице “Строение и функции митохондрии” подробно описаны компоненты органеллы.

Состав

Описание

Функции

Внешняя мембрана

Состоит из липидов. Содержит большое количество белка порина, который образует гидрофильные канальцы. Вся наружная мембрана пронизана порами, через которые в митохондрию попадают молекулы веществ. Также содержит ферменты, участвующие в синтезе липидов

Защищает органеллу, способствует транспорту веществ

Располагаются перпендикулярно оси митохондрии. Могут иметь вид пластинок или трубочек. Количество крист варьирует в зависимости от типа клеток. В клетках сердца их в три раза больше, чем в клетках печени. Содержат фосфолипиды и белки трёх типов:

Катализирующие - участвуют в окислительных процессах;

Ферментативные - участвуют в образовании АТФ;

Транспортные - переносят молекулы из матрикса наружу и обратно

Осуществляет вторую стадию дыхания с помощью дыхательной цепи. Происходит окисление водорода, образование 36 молекул АТФ и воды

Состоит из смеси ферментов, жирных кислот, белков, РНК, митохондриальных рибосом. Здесь находится собственная ДНК митохондрий

Осуществляет первую стадию дыхания - цикл Кребса, в результате которого образуется 2 молекулы АТФ

Главная функция митохондрии - генерация энергии клетки в виде молекул АТФ за счёт реакции окислительного фосфорилирования - клеточного дыхания.

Помимо митохондрий в клетках растений присутствуют дополнительные полуавтономные органеллы - пластиды.
В зависимости от функционального назначения различают три вида пластид:

  • хромопласты - накапливают и хранят пигменты (каротины) разных оттенков, придающих окраску цветков растений;
  • лейкопласты - запасают питательные вещества, например, крахмал, в виде зерён и гранул;
  • хлоропласты - наиболее важные органеллы, содержащие зелёный пигмент (хлорофилл), придающий окраску растениям, и осуществляющие фотосинтез.

Рис. 3. Пластиды.

Что мы узнали?

Рассмотрели особенности строения митохондрий - двумембранных органелл, осуществляющих клеточное дыхание. Наружная мембрана состоит из белков и липидов и производит транспорт веществ. Внутренняя мембрана образует складки - кристы, на которых происходит окисление водорода. Кристы окружает матрикс - гелеобразное вещество, в котором протекает часть реакций клеточного дыхания. В матриксе находятся митохондриальные ДНК и РНК.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.4 . Всего получено оценок: 105.

Двухмембранные структуры. Ядро. Хромосомы. Митохондрии и Пластиды

Является непременным компонентом почти для каждой клетки эукариот (за исключением эритроцитов, тромбоцитов млекопитающих, ситовидных трубок растений). Клетки, как правило, имеют одно ядро, но встречаются двухядерные (инфузории) и многоядерные (гепатоциты, мышечные клетки и т. п.). Каждый тип клетки имеет определенное постоянное соотношение между объемами ядра и цитоплазмы – ядерно-цитоплазматическое соотношение.

Форма ядра

Ядра бывают разной формы и размеров. Обычная форма ядра – шарообразная, реже – другая (звездчатая, неправильная и т. п.). Размеры колеблются от 1 мкм до 1 см.

Некоторые одноклеточные (инфузории и т. п.) имеют два ядра: вегетативное и генеративное . Генеративное обеспечивает передачу генетической информации, вегетативное – регулирует синтез белков.

Покрыто двумя мембранами (внешней и внутренней) с ядерными порами, прикрытыми особыми тельцами; внутри – ядерный матрикс, состоящий из ядерного сока (кариоплазмы, нуклеоплазмы), ядрышек (одного или нескольких), рибонуклеопротеидных комплексов и нитей хроматина. Между двумя мембранами есть щель (от 20 до 60 нм). Внешняя мембрана ядра связана с ЭПС.

Внутреннее содержимое ядра

Кариоплазма (от греч. карион – ядро ореха) – это внутреннее содержимое ядра. По строению напоминает цитоплазму. Содержит белковые фибриллы, образующие внутренний скелет ядра.

Ядрышко состоит из комплекса РНК с белками (рибонуклеопротеидных фибрилл), внутреннеядрышкового хроматина и из предшественников субъединиц рибосом (гранул). Образуются на вторичных перетяжках хромосом – ядрышковых организаторах .

Функция ядрышек

Функция ядрышек: синтез рибосом.

Нити хроматина – хромосомы в период между делениями клетки (дезоксирибонуклеиновые комплексы). Имеют вид одиночных нитей (эухроматин), гранул (гетерохроматин) и интенсивно окрашиваются некоторыми красителями.

Хромосомы – ядерные структуры, в которых находятся гены, состоят из ДНК и белка. Кроме того, в состав хромосом входят ферменты и РНК.

Функции ядра

Сохранение и передача генетической информации, организация и регуляция процессов обмена веществ, физиологических и морфологических в клетке (например, синтез белка).

Хромосомы

Хромосомы (от греч. хрома – цвет, сома – тело). Были открыты с помощью светового микроскопа в конце XIX века. Их строение лучше всего изучать на стадии метафазы митоза, когда они максимально спирализованы. Для этого располагают хромосомы по размерам (первые – наиболее длинные, последние – половые), составляют идеограммы .

Химический состав хромосом

В химический состав хромосом входят двухцепочечная ДНК, связанная с ядерными белками (образует нуклеопротеиды), РНК и ферменты. Ядерные белки, обернутые нитью ДНК, образуют нуклеосомы . По 8-10 нуклеосом соединяются в глобулы. Между ними содержатся участки ДНК. Таким образом компактно размещены в хромосоме молекулы ДНК. В развернутом виде молекулы ДНК очень длинные.

Состоят хромосомы из двух хроматид , соединенных первичной перетяжкой , которая разделяет их на плечи . Хромосомы могут быть равноплечими, разноплечими, одноплечими. В участке первичной перетяжки содержится пластинчатое образование в виде диска – центромера , к которому во время деления прикрепляются нити веретена деления. Могут иметь вторичную перетяжку (ядрышковый организатор ) и спутник.

Каждая хромосома в наборе имеет себе подобную по строению и набору генов – гомологичную . Хромосомы разных пар будут по отношению одна к другой негомологичными . Хромосомы, которые не определяют пола, называются аутосомами . Хромосомы, определяющие пол, называются гетерохромосомами .

Какие бывают клетки

Клетки бывают неполовые – соматические (от греч. сома – тело) и половые, или генеративные (от лат. genero – порождаю, вырабатываю) гаметы . Количество хромосом в ядре может быть разным у разных видов организмов. Во всех соматических клетках организмов одного вида количество хромосом обычно одинаково. Для соматических характерен двойной набор хромосом – диплоидный (2n), для гамет – гаплоидный (n). Число хромосом может превышать двойной набор. Такой набор называется полиплоидным (триплоидный (Зn), тетраплоидный (4n) и т. п.).

Кариотип – это определенный набор хромосом в клетке, характерный для каждого вида растений, животных, грибов. Количество хромосом в кариотипе всегда четное. Количество хромосом не зависит от уровня организации организма, не всегда свидетельствует о филогенетическом родстве (у человека– 46 хромосом, у собаки – 78, у таракана – 48, у шимпанзе – 48).

Митохондрии

Митохондрии (от греч. митос – нить, хондрион – зернышко) – двухмембранные органеллы, которые имеют бобообразную форму палочек, нитей, есть почти во всех клетках эукариот. Иногда могут разветвляться (у некоторых одноклеточных, мышечных волокон и т. п.). Количество разное (от 1 до 100 тыс. и более). В клетках растений – меньше, поскольку их функцию (образование АТФ) частично выполняют хлоропласты.

Строение Митохондрии

Внешняя мембрана – гладкая, внутренняя – складчатая. Складки увеличивают внутреннюю поверхность, они называются кристами . Между внешней и внутренней мембранами есть щель (10-20 нм шириной). На поверхности внутренней мембраны расположен комплекс ферментов.

Внутренняя среда – матрикс . В нем находятся кольцевая молекула ДНК, рибосомы, иРНК, включения, синтезируются белки, входящие в состав внутренней мембраны.

Митохондрии в клетке постоянно восстанавливаются. Являются полуавтономными структурами – образуются путем деления.

Функции Митохондрии

Функции: энергетические «станции» клетки – образуют энергетически богатые вещества – АТФ, обеспечивают клеточное дыхание.

Пластиды

Пластиды (от греч. пластидис , пластос – сформированный, вылепленный) – двухмембранные органеллы фотосинтезирующих организмов (преимущественно растений). Имеют разную форму, окраску. Различают три вида:

  1. Хлоропласты (от греч. хлорос – зеленый) – содержат в мембранах в основном хлорофилл, определяют зеленый цвет растений, находятся в зеленых частях растений. Длиной 5-10 мкм. Количество колеблется.

Строение хлоропластов

Строение: внешняя мембрана гладкая, внутренняя – складчатая, внутреннее содержимое – матрикс с кольцевой молекулой ДНК, рибосомами и включениями. Между внешней и внутренней мембранами – щель (20-30 нм). Внутренние мембраны образуют стопки – граны , которые состоят из тилакоидов (по 50 и больше), которые имеют вид уплощенных вакуолей или мешочков. Гран в хлоропласте 60 и более. Граны соединены ламеллами – плоскими удлиненными складками мембраны. На внутренних мембранах находятся фотосинтезирующие пигменты (хлорофилл и др.). Внутри хлоропласта – матрикс. В нем содержатся кольцевая молекула ДНК, рибосомы, включения, зерна крахмала.

Основные фотосинтезирующие пигменты (хлорофиллы, вспомогательные – каротиноиды) находятся в тилакоидах.

Основная функция хлоропластов

Основная функция – фотосинтез. В хлоропластах синтезируются также некоторые липиды, белки мембран.

Хлоропласты – полуавтономные структуры, располагают собственной генетической информацией, имеют собственный белоксинтезирующий аппарат, размножаются делением.

  1. Хромопласты (от греч. хрома – краска, цвет) – содержат цветные пигменты (каротины, ксантофиллы и др.), имеют немногочисленные тилакоиды, почти отсутствующую внутреннюю мембранную систему, находятся в цветных частях растения. Функции привлекают насекомых, других животных для опыления, рас-пространения плодов и семян.
  2. Лейкопласты (от греч. лейкос – белый) – это бесцветные пластиды, находятся в неокрашенных частях растения. Функция: запасают питательные вещества, продукты метаболизма клетки. Содержат кольцевую ДНК, рибосомы, включения, ферменты. Могут быть почти полностью заполнены зернами крахмала.

Пластиды имеют общее происхождение, возникают из пропластид образовательной ткани. Разные виды пластид могут переходить одна в другую. Светлые пропластиды превращаются в хлоропласты, лейкопласты –в хлоропласты или хромопласты. Разрушение хлорофилла в пластидах приводит к образованию хромопластов (осенью зеленая листва становится желтой, красной). Хромопласты – конечное преобразование пластид. Больше они ни в какие другие не превращаются.

У водорослей и некоторых жгутиковых есть особая двухмембранная органелла, которая содержит фотосинтезирующие пигменты – хроматофор . Она сходна по строению с хлоропластами, но имеет определенные отличия. В хроматофорах нет гран. Форма – разнообразная (у хламидомонады – чашевидная, у спирогиры – в виде спиральных лент и т. п.). В состав хроматофора входит пиреноид – участок клетки с мелкими вакуолями и зернами крахмала.

Гипотеза симбиогенеза (эндосимбиоза)

Клетки прокариот вступили в симбиоз с эукариотическими клетками. Считается, что митохондрии образовались в результате сожительства клеток аэробных и анаэробных, хлоропласты – в результате сожительства цианобактерий с клетками гетеротрофных первоначальных эукариот. Об этом свидетельствует то, что пластиды и митохондрии по размерам приближены к клеткам прокариот, имеют собственную кольцевую молекулу ДНК и собственный белоксинте- зирующий аппарат. Они являются полуавтономными, образуются путем деления.

17. Дайте сравнительную характеристику строения и функций митохондрий и хлоропластов.

Рис. 6. Схемы строения митохондрий (а ) и хлоропластов (б )

Митохондрии (гр. митос – нить и хондрион – гранула) – внутриклеточные органоиды. Их оболочка состоит из двух мембран. Наружная мембрана – гладкая, внутренняя образует выросты, называемые кристами. Внутри митохондрии находится полужидкий матрикс, который содержит РНК, ДНК, белки, липиды, углеводы, ферменты, АТФ и другие вещества; в матриксе имеются также рибосомы. Размеры митохондрий от 0,2–0,4 до 1–7 мкм. Количество зависит от вида клетки (например, в клетке печени может быть 1000–2500 митохондрий). Митохондрии могут быть спиральными, округлыми, вытянутыми, чашевидными и т.д.; митохондрии могут менять форму (рис. 6, а ).
На внутренней мембране митохондрий находятся дыхательные ферменты и ферменты синтеза АТФ. Благодаря этому митохондрии обеспечивают клеточное дыхание и синтез АТФ.
Митохондрии могут сами синтезировать белки, т.к. в них есть собственные ДНК, РНК и рибосомы. Размножаются митохондрии делением надвое.
По своему строению митохондрии напоминают клетки прокариот; в связи с этим предполагают, что они произошли от внутриклеточных аэробных симбионтов. Митохондрии имеются в цитоплазме клеток большинства растений и животных.
Хлоропласты относятся к пластидам – органоидам, присущим только растительным клеткам. Это зеленые пластинки диаметром 3–4 мкм, имеющие овальную форму (рис. 6, б ). Хлоропласты, как и митохондрии, имеют наружную и внутреннюю мембраны. Внутренняя мембрана образует выросты – тилакоиды (ср. кристы у митохондрий). Тилакоиды образуют стопки – граны, которые объединяются внутренней мембраной. В одном хлоропласте может быть несколько десятков гран. В мембранах тилакоидов находится хлорофилл, а в промежутках между гранами в матриксе (строме) хлоропласта находятся рибосомы, РНК и ДНК (ср. состав матрикса митохондрий). Рибосомы хлоропластов, как и рибосомы митохондрий, синтезируют белки. Основная функция хлоропластов – обеспечение процесса фотосинтеза: в мембранах тилакоидов световая фаза, а в строме хлоропластов – темновая фаза фотосинтеза. В матриксе хлоропластов видны гранулы первичного крахмала, синтезированного в процессе фотосинтеза из глюкозы. Хлоропласты, как и митохондрии, размножаются делением. Таким образом, в морфологической и функциональной организации митохондрий и хлоропластов есть общие черты. Основная характеристика, объединяющая эти органоиды, – наличие собственной генетической информации и синтез собственных белков.

18. Раскройте особенности строения и функций эндоплазматической сети клетки.

Рис. 7. Схемы строения шероховатого (а ) и гладкого (б ) эндопламатического ретикулума

Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или эндоплазматический ретикулум (ЭПР), – это сеть каналов, пронизывающих всю цитоплазму. Стенки этих каналов образованы мембранами, контактирующими со всеми органоидами клетки. ЭПС и органоиды вместе составляют единую внутриклеточную систему, которая осуществляет обмен веществ и энергии в клетке и обеспечивает внутриклеточный транспорт веществ. Различают гладкую и гранулярную ЭПС. Гранулярная, или шероховатая. ЭПС состоит из мембранных мешочков (цистерн), покрытых рибосомами, благодаря чему она кажется шероховатой. Гладкая ЭПС может быть и лишена рибосом; ее строение ближе к трубчатому типу. На рибосомах гранулярной сети синтезируются белки, которые затем поступают внутрь каналов ЭПС, где и приобретают третичную структуру. На мембранах гладкой ЭПС синтезируются липиды и углеводы, которые также поступают внутрь каналов ЭПС (рис. 7).
ЭПС выполняет следующие функции: участвует в синтезе органических веществ, транспортирует синтезированные вещества в аппарат Гольджи, разделяет клетку на отсеки. Кроме того, в клетках печени ЭПС участвует в обезвреживании ядовитых веществ, а в мышечных клетках играет роль депо кальция, необходимого для мышечного сокращения.
ЭПС имеется во всех клетках, исключая бактериальные клетки и эритроциты; она занимает от 30 до 50% объема клетки.

19. Опишите строение рибосомы. Какова роль рибосом в процессах обмена веществ?

Рибосомы – это субмикроскопические органоиды диаметром 15–35 нм, видны в электронный микроскоп. Присутствуют во всех клетках. В одной клетке может быть несколько тысяч рибосом. Рибосомы бывают ядерного, митохондрального и пластидного происхождения (см. ответы на вопросы 11 и 17). Бóльшая часть образуется в ядрышке ядра в виде субьединиц (большой и малой) и затем переходит в цитоплазму. Мембран нет. В состав рибосом входят рРНК и белки. На рибосомах идет синтез белков. Большая часть белков синтезируется на шероховатой ЭПС (см. ответ на вопрос 18); частично синтез белков идет на рибосомах, находящихся в цитоплазме в свободном состоянии. Группы из нескольких десятков рибосом образуют полисомы.

20. Какова биологическая роль комплекса Гольджи в жизнедеятельности клетки?

Комплекс Гольджи – это сложная сеть полостей, трубочек и пузырьков вокруг ядра. Состоит из трех основных компонентов: группы мембранных полостей, системы трубочек, отходящих от полостей, и пузырьков на концах трубочек. Комплекс Гольджи выполняет следующие функции: в полостях накапливаются вещества, которые синтезируются и транспортируются по ЭПС; здесь они подвергаются химическим изменениям. Модифицированные вещества упаковываются в мембранные пузырьки, которые выбрасываются клеткой в виде секретов. Кроме того, пузырьки используются клеткой в качестве лизосом (рис. 8).
Комплекс Гольджи был открыт в 1898 г. в нейронах.

21. Что представляют собой клеточные включения и каково их значение в процессах жизнедеятельности клетки? Какова биологическая роль лизосом в жизнедеятельности клетки?

Клеточные включения – это непостоянные структуры клетки. К ним относятся капли и зерна белков, углеводов, жиров, а также кристаллические включения (органические кристаллы, которые могут образовывать в клетках белки, вирусы, соли щавелевой кислоты и т.д. и неорганические кристаллы, образованные солями кальция). В отличие от органоидов эти включения не имеют мембран или элементов цитоскелета и периодически синтезируются и расходуются.
Капли жира используются как запасное вещество в связи с его высокой энергоемкостью. Зерна углеводов (полисахаридов; в виде крахмала у растений и в виде гликогена у животных и грибов) – как источник энергии для образования АТФ; зерна белка – как источник строительного материала, соли кальция – для обеспечения процесса возбуждения, обмена веществ и т.д.
Лизосомы (греч. лизо – растворять, сома – тело) – это небольшие пузырьки диаметром порядка 1 мкм, ограниченные мембраной и содержащие комплекс ферментов, который обеспечивает расщепление жиров, углеводов и белков. Они участвуют в переваривании частиц, попавших в клетку в результате эндоцитоза (см. ответ на вопрос 14) и в удалении отмирающих органов (например, хвоста у головастиков), клеток и органоидов. При голодании лизосомы растворяют некоторые органоиды, не убивая при этом клетку. Образование лизосом идет в комплексе Гольджи (см. ответ на вопрос 20).

22. Какие неорганические соединения входят в состав клетки? Каково значение неорганических компонентов клетки в обеспечении процессов ее жизнедеятельности? В чем заключается биологическая роль воды в клетке?

К неорганическим соединениям клетки относятся вода и различные соли.
Роль солей в организме заключается в обеспечении трансмембранной разности потенциалов (вследствие разности концентраций ионов калия и натрия внутри и вне клетки), буферных свойств (за счет наличия в цитоплазме анионов фосфорной и угольной кислоты), в создании осмотического давления клетки и т.д. В состав неорганических веществ клетки входят микроэлементы (их доля составляет менее 0,1%). К ним относятся: цинк, марганец и кобальт, которые входят в состав активных центров ферментов; железо в составе гемоглобина; магний в составе хлорофилла; йод в составе гормонов щитовидной железы и т.д.
В среднем в клетке содержится 80% воды; в клетках эмбриона воды 95%, в клетках старых организмов – 60%, т.е. количество воды зависит от интенсивности обмена веществ. Количество воды зависит также от вида ткани: в нейронах ее 85%, в кости – 20%. При потере организмом 20% воды наступает смерть. Вода определяет тургор (упругость) тканей, создает среду для химических реакций, участвует в реакциях гидролиза, в световой фазе фотосинтеза, в терморегуляции, является хорошим растворителем. По типу взаимодействия с водой вещества делят на гидрофильные, или полярные, – хорошо растворимые в воде, и гидрофобные, или неполярные, – плохо растворимые в воде.

23. Охарактеризуйте строение и функции углеводов, входящих в состав клетки.

Углеводы – это органические соединения, в состав которых входят водород, углерод и кислород. Они образуются из воды и углекислого газа в процессе фотосинтеза в хлоропластах зеленых растений (у бактерий – в процессе бактериального фотосинтеза или хемосинтеза).
Различают моносохариды (глюкоза, фруктоза, галактоза, рибоза, дезоксирибоза), дисахариды (сахароза, мальтоза), полисахариды (крахмал, клетчатка, гликоген, хитин).
Углеводы выполняют следующие функции: они являются источником энергии (при распаде 1 г глюкозы освобождается 17,6 кДж энергии), выполняют строительную функцию (целлюлозная оболочка в растительных клетках, хитин в скелете насекомых и в клеточной стенке грибов), входят в состав ДНК, РНК и АТФ в виде дезоксирибозы и рибозы. Обычно в клетках животных содержится около 1% углеводов (в клетках печени – до 5%), а в растительных клетках – до 90%.

24. Каковы строение и функции жирных кислот и липоидов, входящих в состав клетки.

Рис. 9. Пространственные модели жирных кислот

Рис. 10. Полициклическая структура некоторых стероидов

Жиры и липоиды относятся к группе неполярных органических соединений, т.е. являются гидрофобными веществами. Жиры – это триглицериды высших жирных кислот (рис. 9), липиды – это большой класс органических веществ с гидрофобными свойствами (например, холестерин). К липидам относят фосфолипиды (в их молекуле один или два остатка жирных кислот замещены группами, содержащими фосфор, а иногда также азот) и стероиды (в основе их структуры лежит четыре углеродных кольца, рис. 10).
Эти соединения выполняют энергетическую функцию (при распаде 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии), структурную (фосфолипиды являются основой биологических мембран), защитную (защита от ударов, теплорегуляция, гидроизоляция).

25. Каковы особенности строения и функций белков, входящих в состав клетки?

Белки – это гетерополимеры, состоящие из 20 различных мономеров – природных альфа-аминокислот. Белки – это нерегулярные полимеры.
Общее строение аминокислоты может быть представлены следующим образом: R-(H)C(NH 2 )-СООН. Аминокислоты в белке связаны пептидной связью -N(H)-С(=О). Аминокислоты разделяют на заменимые (синтезируются в самом организме) и незаменимые, которые животный организм получает с пищей. Среди белков различают протеины, состоящие только из аминокислот, и протеиды, дополнительно содержащие небелковую часть (например, гемоглобин, который состоит из белка глобина и гема – порфирина).
В строении молекулы белка различают несколько уровней структурной организации (рис. 11). Первичная структура – это последовательность аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями. Вторичная структура – как правило, это спиральная структура (альфа-спираль), которая удерживается множеством водородных связей, возникающих между находящимся близко друг от друга –С=О и –NH-группами. Другой тип вторичной структуры – это бета-слой, или складчатый слой; это две параллельные полипептидные цепи, связанные водородными связями, перпендикулярными цепям. Третичная структура белковой молекулы – это пространственная конфигурация, обычно напоминающая компактную глобулу; она поддерживается ионными, водородными и дисульфидными (S–S) связями, а также гидрофобными взаимодействиями. Четвертичная структура образуется при взаимодействии нескольких субъединиц – глобул (например, молекула гемоглобина состоит из четырех таких субъединиц). Утрата белковой молекулой своей структуры называется денатурацией; она может быть вызвана температурой, обезвоживанием, облучением и т.д. Если при денатурации первичная структура не нарушается, то при восстановлении нормальных условий полностью воссоздается структура белка.
Функции белков в клетке очень разнообразны. Они играют роль катализаторов, т.е. ускоряют химические реакции в организме (ферменты ускоряют реакции в десятки и сотни тысяч раз). Белки выполняют также строительную функцию (входят в состав мембран и органоидов клетки, а также в состав внеклеточных структур, например, коллаген в соединительной ткани). Движение организмов обеспечивается специальными белками (актином и миозином). Белки выполняют также транспортную функцию (например, гемоглобин транспортирует О 2 ). Белки обеспечивают функции иммунной системы организма (антитела и антигены), свертывание крови (фибриноген плазмы крови), т.е. выполняют защитные функции. Они служат также одним из источников энергии (при распаде 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии). Известны также регуляторные функции белков, т.к. многие гормоны – это белки (например, гормоны гипофиза, поджелудочной железы и т.д.). Кроме того, в организме имеются еще и резервные белки, например, являющиеся источником питания для развития плода.

26. Охарактеризуйте строение и биологическое значение АТФ. Почему АТФ называют основным источником энергии в клетке?

АТФ – это аденозинтрифосфат, нуклеотид, относящийся к группе нуклеиновых кислот. Концентрация АТФ в клетке мала (0,04%; в скелетных мышцах 0,5%). Молекула АТФ состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 12). При гидролизе остатка фосфорной кислоты выделяется энергия:

АТФ + H 2 O = АДФ + Н 3 РО 4 + 40 кДж/моль.

Связь между остатками фосфорной кислоты является макроэргической, при ее расщеплении выделяется примерно в 4 раза больше энергии, чем при расщеплении других связей. Энергия гидролиза АТФ используется клеткой в процессах биосинтеза и деления клетки, при движении, при производстве тепла, при проведении нервных импульсов и т.д. После гидролиза образовавшийся АДФ обычно с помощью белков-цитохромов быстро вновь фосфорилируется с образованием АТФ. АТФ образуется в митохондриях при дыхании, в хлоропластах – при фотосинтезе, а также в некоторых других внутриклеточных процессах. АТФ называют универсальным источником энергии, потому что энергетика клетки основана главным образом на процессах, в которых АТФ либо синтезируется, либо расходуется.

27. Раскройте взаимосвязь строения и функций ДНК и РНК и укажите черты их сходства и различия.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – это молекула, состоящая из двух спирально закрученных полинуклеотидных цепей (рис. 14). ДНК образует правую спираль, диаметром примерно 2 нм, длиной (в развернутом виде) до 0,1 мм и молекулярной массой до 6ґ 10-12 кДа. Структура ДНК была впервые определена Д.Уотсоном и Ф.Криком в 1953 г. Мономером ДНК является дезоксирибонуклеотид, состоящий из азотистого основания – аденина (А), цитозина (Ц), тимина (Т) или гуанина (Г), – пентозы (дезоксирибозы) и фосфата. Нуклеотиды соединяются в цепь за счет остатков фосфорной кислоты, расположенных между пентозами: в полинуклеотиде может быть до 30 000 нуклеотидов. Последовательность нуклеотидов одной цепи комплементарна (т.е. дополнительна) последовательности в другой цепи за счет водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями (по две водородные связи между А и Т и по три – между Г и Ц). В интерфазе перед делением клетки происходит репликация (редупликация) ДНК: ДНК раскручивается с одного конца, и на каждой цепи синтезируется новая комплементарная цепь; это ферментативный процесс, идущий с использованием энергии АТФ. ДНК содержится в основном в ядре (см. ответ на вопрос №11); к внеядерным формам ДНК относятся митохондриальная и пластидная ДНК (см. ответ на вопрос №17).

Рис. 13. Структурная схема РНК: а – сахарофосфатный остов; б – одиночная цепь


а – сахарофосфатный остов; б – комплементарные пары азотистых оснований; в – двойная спираль

РНК (рибонуклеиновая кислота) – это молекула, состоящая из одной цепи нуклеотидов (рис. 13). Рибонуклеотид состоит из одного из четырех азотистых оснований, но вместо тимина (Т) в РНК входит урацил (У), а вместо дезоксирибозы – рибоза. В клетке имеются разные виды РНК: тРНК (транспортная – транспортирует аминокислоты к рибосомам), информационная РНК (иРНК, переносит информацию о последовательности аминокислот с ДНК на белок), рибосомальная РНК (входит в состав рибосом; см. ответ на вопрос N19), митохондриальная РНК и др.

28. Особенности строения нуклеиновых кислот.

ДНК и РНК – это полинуклеотиды, состоящие из соответственно дезоксирибонуклеотидов и рибонуклеотидов (см. ответ на вопрос 27). Молекула нуклеотида состоит из пентозы, азотистого основания и остатка фосфорной кислоты. ДНК содержит дезоксирибозу, РНК – рибозу; ДНК содержит азотистые основания А и Г (относятся к классу пуринов) и Ц и Т (класс пиримидинов), а РНК вместо Т содержит У (см. ответ 27).
ДНК и РНК – это кислоты, т.к. они содержат остаток фосфорной кислоты (–Н 2 РО 4 ). Сахар, азотистое основание и остаток фосфорной кислоты объединяются в молекулу нуклеотида.
Два нуклеотида образуют динуклеотид, соединяясь путем конденсации, в результате которой между фосфатной группой одного и сахаром другого нуклеотида возникает фосфодиэфирный мостик. При синтезе полинуклеотида этот процесс многократно повторяется. Неразветвленный сахарофосфатный остов строится путем образования фосфодиэфирных мостиков между 3- и 5-м атомами углерода остатков сахаров. Фосфодиэфирные мостики образуются прочными ковалентными связями, что сообщает прочность и стабильность всей полинуклеотидной цепи.
Нуклеиновые кислоты обладают первичной структурой (нуклеотидная последовательность) и трехмерной структурой. ДНК состоит из двух спирально закрученных полинуклеотидных цепей. Цепи направлены в противоположные стороны: 3-конец одной цепи располагается напротив 5-конца другой. Находящиеся друг против друга азотистые основания двух цепей связаны водородными связями (по две связи между А и Т и по три – между Г и Ц). Основания, соединяющиеся друг с другом водородными связями, называют комплементарными (см. также ответ на вопрос 27).

29. Опишите процесс биосинтеза белка. Каково биологическое значение данного процесса? Какую роль играет ДНК в процессе биосинтеза белка?

Белки синтезируют все клетки, кроме безъядерных. Структура белка определяется ядерной ДНК. Информация о последовательности аминокислот в одной полипептидной цепи находится в участке ДНК, который называется ген. В ДНК заложена информация о первичной структуре белка. Код ДНК един для всех организмов. Каждой аминокислоте соответствует три нуклеотида, образующих триплет, или кодон. Такое кодирование избыточно: возможны 64 комбинации триплетов, тогда как аминокислот только 20. Существуют также управляющие триплеты, например, обозначающие начало и конец гена.
Синтез белка начинается с транскрипции, т.е. синтеза иРНК по матрице ДНК. Процесс идет с помощью фермента полимеразы по принципу комплементарности и начинается с определенного участка ДНК. Синтезированная иРНК поступает в цитоплазму на рибосомы, где и идет синтез белка.
тРНК имеет структуру, похожую на лист клевера, и обеспечивает перенос аминокислот к рибосомам. Каждая аминокислота прикрепляется к акцепторному участку соответствующей тРНК, расположенному на «черешке листа». Противоположный конец тРНК называется антикодоном и несет информацию о триплете, соответствующем данной аминокислоте. Существует более 20 видов тРНК.
Перенос информации с иРНК на белок во время его синтеза называется трансляцией. Собранные в полисомы рибосомы двигаются по иРНК; движение происходит последовательно, по триплетам. В месте контакта рибосомы с иРНК работает фермент, собирающий белок из аминокислот, доставляемых к рибосомам тРНК. При этом происходит сравнение кодона иРНК с антикодоном тРНК; если они комплементарны, фермент (синтетаза) «сшивает» аминокислоты, а рибосома продвигается вперед на один кодон.
Синтез одной молекулы белка обычно идет 1–2 мин (один шаг занимает 0,2 с).
Биосинтез белка – это цепь реакций, в которых используется энергия АТФ. Во всех реакциях синтеза белка участвуют ферменты.
Биосинтез белка – это матричный синтез. Матрицей является ДНК в синтезе РНК и ДНК или РНК в синтезе белка.

30. Раскройте роль ферментов в регуляции процессов жизнедеятельности, в биосинтезе белка.


а – простой фермент; б – двухкомпонентный фермент; в – аллостерический фермент (А – активный центр, S-субстрат, R – регулятор, или аллостерический центр); 1 – каталитический участок; 2 – контактные участки; 3 – кофактор

Ферменты (лат. закваска) – это биологические катализаторы белковой природы. Они могут состоять только из белка или включать в себя небелковое соединение – витамины или ион металла. Ферменты участвуют как в процессах ассимиляции, так и диссимиляции. Действуют они в строго определенной последовательности. Ферменты специфичны для каждого вещества и ускоряют только определенные реакции. Но встречаются ферменты, которые катализируют несколько реакций.
Активный центр фермента – это небольшой участок фермента, на котором идет данная реакция (рис. 15).
Физиологическая роль ферментов заключается в том, что при их отсутствии или недостаточной активности резко замедляются процессы обмена веществ; в присутствии ферментов реакции могут ускоряться в 1011 раз. Процесс биосинтеза белка – это тоже ферментативный процесс (см. ответ на вопрос 29).

31. Дайте сравнительную характеристику автотрофных и гетеротрофных организмов.

32. Каково значение процессов обмена веществ в функционировании клетки, организма, биосферы?

Обмен веществ и энергии – важнейшая функция живого организма (см. также ответ на вопрос 7). В процессе обмена организм получает вещества, необходимые для построения и обновления структурных элементов клеток и тканей, и энергию для обеспечения всех жизненных процессов.
Совокупность всех реакций биосинтеза, сопровождающихся, как правило, поглощением энергии, называется ассимиляцией (пластическим обменом), а всех реакций распада, сопровождающихся, как правило, выделением энергии – диссимиляцией (энергетическим обменом). Совокупность всех реакций ассимиляции и диссимиляции называется метаболизмом.
Обмен веществ осуществляется на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях. Нарушения обмена веществ сказываются на всех процессах жизнедеятельности организма и могут привести к его гибели.
Биосфера – это геологическая оболочка Земли, населенная живыми организмами. Биосфера – открытая система; подобно живым организмам биосфера получает энергию извне. В биосфере постоянно осуществляется обмен веществ. В биосфере идут биогеохимические процессы, в которых участвуют организмы-продуценты и организмы-редуценты. Безостановочный процесс закономерного циклического перераспределения вещества и энергии в биосфере называют большим кругом биотического обмена. Нарушения этого процесса приводят к нарушению гомеостаза биосферы и в конечном счете могут привести к ее гибели.

33. В каких структурных единицах клетки протекают процессы кислородного окисления? Каков их химизм и энергетический эффект?

Стадия кислородного окисления энергетического обмена происходит в митохондриях, на внутренних мембранах которых находятся дыхательные ферменты (см. также ответ на вопрос 17). На этой стадии из одной молекулы молочной кислоты получается 18 молекул АТФ, а в сумме из одной молекулы глюкозы при гликолизе (бескислородный этап, который идет за счет ферментов в растворимой части цитоплазмы клетки) и аэробном окислении образуется 38 молекул АТФ.
КПД окислительного фосфорилирования составляет 55%.

34. Раскройте сущность и биологическое значение процесса фотосинтеза.

Фотосинтез – это процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии света.
Фотосинтез в растительных клетках идет в хлоропластах (см. также ответ на вопрос 17).
Суммарная формула:

6СО 2 + 6Н 2 О = С 6 H 12 О 6 + 6О 2 .

Световая фаза фотосинтеза идет только на свету: квант света выбивает электрон из молекулы хлорофилла, лежащей во внутренней мембране тилакоида; выбитый электрон либо возвращается обратно, либо попадает на цепь окисляющих друг друга ферментов. Цепь ферментов передает электрон на внешнюю сторону мембраны тилакоида к переносчику электронов. Мембрана заряжается отрицательно с наружной стороны.
Положительно заряженная молекула хлорофилла, лежащая в центре мембраны, окисляет ферменты, содержащие ионы марганца, лежащие на внутренней стороне мембраны. Эти ферменты участвуют в реакциях фотолиза воды, в результате которых образуются ионы Н+; протоны выбрасываются на внутреннюю поверхность мембраны тилакоида и на этой поверхности появляется положительный заряд. Когда разность потенциалов на мембране тилакоидов достигает 200 мВ, через канал АТФ-синтетазы начинают проскакивать протоны, при этом синтезируется АТФ.
Во время темновой фазы фотосинтеза из СО 2 и атомарного водорода, связанного с переносчиками, синтезируется глюкоза за счет энергии АТФ.
СО 2 связывается с помощью фермента рибулезодифосфаткарбоксилазы с рибулезо-1,5-дифосфатом, который превращается после этого в трехуглеродный сахар.
Синтез глюкозы идет в матриксе тилакоидов на ферментных системах. Суммарная реакция темновой стадии:

6СО 2 + 24Н = С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О.

35. Дайте сравнительную характеристику процессов дыхания и фотосинтеза.

Дыхание у растений – это процесс, при котором происходит главным образом окисление углеводов с освобождением энергии, необходимой для жизнедеятельности. Этот процесс идет в митохондриях (см. ответы на вопросы 17 и 33). При дыхании у аэробных организмов поглощается О 2 и выделяется СО 2 . Суммарная реакция процесса аэробного дыхания:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6H 2 0 + энергия.

Выделяющаяся при окислении молекулы глюкозы энергия идет на синтез АТФ (см. также ответ на вопрос 33).
При фотосинтезе идет процесс образования органических веществ с использованием энергии света (см. ответ на вопрос 34). При этом О 2 выделяется в атмосферу, а СО 2 поглощается; энергия запасается в химических связях органических веществ, прежде всего углеводов.
Фотосинтез и дыхание у растений – это две стороны обмена веществ (ассимиляции и диссимиляции).

36. В чем отличие фотосинтеза от хемосинтеза и каково значение этих процессов для эволюции?

Суть процесса фотосинтеза заключается в синтезе органических веществ из СО 2 и H 2 О с использованием энергии света, а суть процесса хемосинтеза – в синтезе органических веществ из неорганических за счет энергии химических реакций, протекающих при окислении неорганических веществ. При фотосинтезе в атмосферу выделяется О 2 ; первыми фотосинтезируюшими организмами были цианобактерии (синезеленые водоросли), благодаря деятельности которых атмосфера Земли начала насыщаться О 2 , что создало условия для существования всех аэробных организмов. При хемосинтезе О 2 в атмосферу не выделяется, т.к. хемотрофы (бактерии нитрификаторы, серобактеры, железобактеры и т.д.) в качестве источника водорода используют не воду, a H 2 S или молекулярный водород. Если бы на Земле существовали только бактерии-хемотрофы, то аэробные организмы жить не смогли бы (см. также ответы на вопросы 31 и 34).

37. Каковы сущность процесса митоза и его биологическое значение? Дайте краткую характеристику процессам, происходящим в разные фазы митоза.

Митоз (греч. миос – нить) – основной способ деления клеток. В животных клетках он длится 30–60 мин, в растительных – 2–3 ч.
Митоз состоит из четырех фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы (рис. 16). Профаза – 1-я фаза деления, во время которой двухроматидные хромосомы спирализуются и становятся заметными. Ядрышки и ядерная оболочка распадаются, образуется нить веретена деления. Метафаза – фаза скопления хромосом на экваторе клетки; нити веретена деления идут от полюсов и присоединяются к центромерам хромосом. К каждой хромосоме подходит две нити, идущие от двух полюсов. Анафаза – фаза расхождения хромосом, во время которой центромеры делятся, а однохроматидые хромосомы растаскиваются нитями веретена к полюсам клетки. Это самая короткая фаза митоза. Телофаза – фаза окончания деления, когда происходит деспирализация хромосом, формируется ядрышко, восстанавливается ядерная оболочка, на экваторе закладывается перегородка (в растительных клетках) или возникает перетяжка (в животных клетках). Нити веретена исчезают.
Перед началом митоза, во время интерфазы, происходит подготовка клетки к делению (см. ответ на вопрос 11).
В результате митоза из одной диплоидной клетки, имеющей двухроматидные хромосомы и удвоенное количество ДНК (2n4с; в этой формуле n – число хромосом, с – число хроматид), образуются две дочерние клетки с однохроматидными хромосомами и одинарным количеством ДНК (2n2с). Так делятся соматические клетки (клетки тела).
Значение митоза состоит в точной передаче наследственной информации дочерним клеткам, увеличении числа клеток в организме, а также в обеспечении процесса бесполого размножения организмов и регенерации.

38. Каковы функциональные и цитологические отличия соматических и половых клеток?

Соматические клетки образуют органы и ткани организма животных и растений; сами соматические клетки образуются в результате митоза и имеют диплоидный набор хромосом (2n); в каждой соматической клетке содержится по два гена в паре гомологичных хромосом, определяющих альтернативные признаки (аллельные гены).
Половые клетки (гаметы) образуются в результате мейоза (редукционного деления; см. также ответы на вопросы 41 и 42) и имеют гаплоидный набор хромосом (n). В каждой гамете содержится по одному гену из каждой пары гомологичных хромосом. При слиянии гамет образуется зигота.

39. Докажите, в чем эволюционное преимущество разделения полов.

Разделение полов лежит в основе полового размножения. При половом размножении потомство получается в результате слияния генетического материала гаплоидных ядер. Эти ядра содержатся в гаплоидных гаметах, при слиянии которых образуется диплоидная зигота. Из зиготы в процессе развития получается зрелый организм.
Половое размножение имеет очень большое эволюционное преимущество по сравнению с бесполым. Это обусловлено тем, что генотип потомков возникает путем комбинации генов, принадлежащих обоим родителям. В результате повышаются возможности адаптации организма к условиям окружающей среды.

40. Каковы цитологические основы определения пола?

У подавляющего большинства раздельнополых животных пол развивающейся из яйцеклетки особи определяют гены. Это называется генотипическим определением пола. В диплоидном организме имеется два гомологичных набора аутосом и в большинстве случаев одна пара половых хромосом. В аутосомном наборе обоих полов отцовские и материнские хромосомы морфологически и функционально равноценны, тогда как между половыми хромосомами, как правило, имеются морфологические и во всех случаях функциональные различия. Та хромосома, которая представлена у одного из полов в двойном числе, называется X-хромосомой. Она противопоставляется Y-хромосоме, которая имеется в одном экземпляре.
Пол, содержащий в своих клетках две Х-хромосомы, называется гомогаметным, а содержащий и Х-, и Y-хромосомы – гетерогаметным.
У всех млекопитающих, многих рыб, некоторых амфибий и насекомых гомогаметный пол женский, а гетерогаметный – мужской. Однако у птиц, рептилий, хвостатых амфибий и некоторых насекомых (бабочки) женский пол гетерогаметный, а мужской – гомогаметный. У некоторых насекомых встречается генотип Х0 вследствие исчезновения Y-хромосомы. При этом у гетерогаметного пола образуется два сорта гамет: с Х-хромосомой и без нее.

41. Опишите основные фазы мейотического деления и раскройте его биологическое значение.

Мейоз (греч. мейозис – уменьшение) – способ деления диплоидных клеток с образованием из одной материнской диплоидной клетки четырех дочерних гаплоидных клеток. Мейоз состоит из двух последовательных делений ядра и короткой интерфазы между ними (рис. 17).

Рис.18. Схематическое изображение последовательных стадий мейоза. А. Лептонема, предшествующая коньюгации хромосом. Б. Начало коньюгации на стадии зигонемы. В. Пахинема. Г. Диплонема. Д. Метафаза I. Е. Анафаза I. Ж. Телофаза I. 3. Интерфаза между двумя делениями мейоза. И. Профаза II. К. Метафаза II. Л. Телофаза II. Для простоты на схеме изображена только одна пара гомологов.

Первое деление состоит из профазы I, метафазы I, анафазы I и телофазы I. В профазе I парные хромосомы, каждая из которых состоит из двух хроматид, подходят друг к другу (этот процесс называется конъюгацией гомологичных хромосом), перекрещиваются (кроссинговер), образуя мостики (хиазмы), затем обмениваются участками. При кроссинговере осуществляется перекомбинация генов. После кроссинговера хромосомы разъединяются.
В метафазе I парные хромосомы располагаются по экватору клетки; к каждой из хромосом прикрепляются нити веретена деления. В анафазе I к полюсам клетки расходятся двухроматидные хромосомы; при этом число хромосом у каждого полюса становится вдвое меньше, чем в материнской клетке. Затем наступает телофаза I – образуются две клетки с гаплоидным числом двухроматидных хромосом; поэтому первое деление мейоза называют редукционным. После телофазы I следует короткая интерфаза (в некоторых случаях телофаза I и интерфаза отсутствуют). В интерфазе между двумя делениями мейоза удвоения хромосом не происходит, т.к. каждая хромосома уже состоит из двух хроматид.
Второе деление мейоза отличается от митоза только тем, что его проходят клетки с гаплоидным набором хромосом; во втором делении иногда отсутствует профаза II. В метафазе II двухроматидные хромосомы располагаются по экватору; процесс идет сразу в двух дочерних клетках. В анафазе II к полюсам отходят уже однохроматидные хромосомы. В телофазе II в четырех дочерних клетках формируются ядра и перегородки (в растительных клетках) или перетяжки (в животных клетках). В результате второго деления мейоза образуются четыре клетки с гаплоидным набором хромосом (1n1c); второе деление называют эквационным (уравнительным) (рис. 18). Это – гаметы у животных и человека или споры у растений.
Значение мейоза состоит в том, что создается гаплоидный набор хромосом и условия для наследственной изменчивости за счет кроссинговера и вероятностного расхождения хромосом

Продолжение следует

Жизнь как биологический процесс едина во всей биосфере, и она существует на основании фундаментальных принципов. А потому разные формы жизни, а также различные структурные компоненты представителей биологических видов, имеют значительные сходства. Отчасти они обеспечиваются общностью происхождения или выполнением похожих функций. В данном контексте следует детально разобрать, в чем проявляется сходство митохондрий и хлоропластов, хотя с первого взгляда эти клеточные органеллы имеют мало общего.

Митохондрии

Митохондриями называются двухмембранные клеточные структуры, ответственные за энергообеспечение ядра и органелл. Их находят в растений, грибов и животных. Они отвечают за то есть конечное усваивание кислорода, из чего в результате биохимического превращения извлекается энергия для синтеза макроэргов. Достигается это путем передачи заряда через мембрану митохондрий и ферментативное окисление глюкозы.

Хлоропласты

Хлоропластами называются клеточные органеллы растений, некоторых фотосинтезирующих бактерий и протистов. Это клеточные двухмембранные структуры, в которых синтезируется глюкоза благодаря использованию энергии солнечного света. Этот процесс достигается передачей энергии фотона и протеканием ферментативных реакций, связанных с передачей заряда через мембрану. Результатом фотосинтеза является утилизация углекислого газа, синтез глюкозы и высвобождение молекулярного кислорода.

Сходство митохондрий и хлоропластов

Хлоропласты и митохондрии являются клеточными органеллами с двумя мембранами. Первым слоем они ограждаются от цитоплазмы клетки, а второй формирует многочисленные складки, на которых протекают процессы передачи зарядов. Принцип их работы схож, однако направлен в разные стороны. У митохондрий происходит ферментативное с использованием кислорода, а в качестве продуктов реакции выступает углекислый газ. В результате превращения также синтезируется энергия.

В хлоропластах наблюдается обратный процесс — синтез глюкозы и высвобождение кислорода из углекислого газа с расходом энергии света. Это принципиальное различие между данными органеллами, но отличается лишь направление процесса. Его электрохимия практически идентична, хотя для этого используются разные посредники.

Также можно детально рассмотреть, в чем проявляется сходство митохондрий и хлоропластов. Оно заключается в автономности органелл, так как они имеют даже свою молекулу ДНК, хранящую коды структурных белков и ферментов. В обеих органеллах имеется свой автономный аппарат биосинтеза белка, потому хлоропласты и митохондрии способны самостоятельно обеспечивать себя необходимыми ферментами и восстанавливать свою структуру.

Резюме

Главное сходство митохондрий и хлоропластов — их автономия внутри клетки. Отделившись от цитоплазмы двойной мембраной и имея свой собственный комплекс ферментов биосинтеза, они ни в чем не зависят от клетки. Также они имеют свой собственный набор генов, а потому могут считаться отдельным живым организмом. Существует филогенетическая теория, что на ранних этапах развития одноклеточной жизни митохондрии и хлоропласты были простейшими прокариотами.

Она гласит, что в определенный период произошло их поглощение другой клеткой. Из-за наличия отдельной мембраны они не были расщеплены, став донором энергии для «хозяина». В ходе эволюции за счет обмена генами у доядерных организмов произошло встраивание ДНК хлоропластов и митохондрий в геном клетки-хозяина. С этого момента клетка сама была способна осуществить сборку этих органелл, если они не были переданы ей в ходе митоза.

Рибосомы: строение и функции

Определение 1

Замечание 1

Основной функцией рибосом является синтез белка.

Субъединицы рибосом образуются в ядрышке и потом сквозь ядерные поры отдельно друг от друга поступают в цитоплазму.

Их количество в цитоплазме зависит от синтетической активности клетки и может составлять от сотни до тысяч на одну клетку. Наибольшее количество рибосом может быть в клетках, которые синтезируют протеины. Есть они также в митохондриальном матриксе и хлоропластах.

Рибосомы различных организмов – от бактерий до млекопитающих – характеризуются подобной структурой и составом, хотя клетки прокариот имеют рибосомы меньшего размера и в большем количестве.

Каждая субъединица состоит из нескольких разновидностей молекул рРНК и десятков разновидностей белков приблизительно в одинаковой пропорции.

Маленькая и большая субъединицы находятся в цитоплазме одиночно до тех пор, пока не будут задействованы в процессе биосинтеза белка. Они объединяются друг с другом и молекулой иРНК в случае необходимости синтеза и снова распадаются, когда процесс окончен.

Молекулы иРНК, которые были синтезированы в ядре, попадают в цитоплазму к рибосомам. Из цитозоля молекулы тРНК поставляют аминокислоты к рибосомам, где с участием ферментов и АТФ синтезируются белки.

Если с молекулой иРНК соединяются несколько рибосом, то образуются полисомы , которые содержат от 5 до 70 рибосом.

Пластиды: хлоропласты

Пластиды – характерные только для растительных клеток органоиды, отсутствующие в клетках животных, грибов, бактерий и цианобактерий.

Клетки высших растений содержат 10-200 пластид. Их размер от 3 до 10 мкм. Большинство из них имеют форму двояковыпуклой линзы, но иногда могут быть в форме пластинок, палочек, зёрен и чешуек.

В зависимости от присутствующего в пластиде пигмента пигмента эти органоиды делят на группы:

  • хлоропласты (гр. сhloros – зелёный) – зелёного цвета,
  • хромопласты – жёлтого, оранжевого и красноватого цвета,
  • лейкопласты – бесцветные пластиды.

Замечание 2

По мере развития растения пластиды одного типа способны преобразоваться в пластиды другого типа. Такое явление широко распространено в природе: изменение окраски листьев, меняется окраска плодов в процессе созревания.

Большинство водорослей вместо пластид имеют хроматофоры (обычно в клетке он один, имеет значительные размеры, имеет форму спиральной ленты, чаши, сетки или звёздчатой пластинки).

Пластиды имеют достаточно сложное внутреннее строение.

Хлоропласты имеют свои ДНК, РНК, рибосомы, включения: зёрна крахмала, капли жира. Снаружи хлоропласты ограничены двойной мембраной, внутреннее пространство заполнено стромой – полужидким веществом), которое содержит граны - особенные, свойственные лишь хлоропластам структуры.

Граны представлены пакетами плоских круглых мешочков (тилакоидов ), которые сложены как столбик монет перпендикулярно широкой поверхности хлоропласта. Тилакоиды соседних гран между собой соединяются в единую взаимосвязанную систему мембранными каналами (межмембранными ламелами).

В толще и на поверхности гран в определённом порядке расположен хлорофилл .

Хлоропласты имеют разное количество гран.

Пример 1

В хлоропластах клеток шпината содержится по 40-60 гран.

Хлоропласты не прикреплены в определённых местах цитоплазмы, а могут изменять своё положение или пассивно, или активно перемещаются ориентировано к свету (фототаксис ).

Особенно чётко активное движение хлоропластов наблюдается при значительном повышении одностороннего освещения. В таком случае хлоропласты скопляются у боковых стенок клетки, а к ориентируются ребром. При слабом освещении хлоропласты ориентируются к свету более широкой стороной и располагаются вдоль стенки клетки, обращённой к свету. При средней силе освещения хлоропласты занимают срединное положение. Таким образом достигаются наиболее благоприятные условия для процесса фотосинтеза.

Благодаря сложной внутренней пространственной организации структурных элементов хлоропласты способны эффективно поглощать и использовать лучистую энергию, а также происходит разграничение во времени и пространстве многочисленных и разнообразных реакций, составляющих процесс фотосинтеза. Реакции этого процесса, зависимые от света, происходят лишь в тилакоидах, а биохимические (темновые) реакции – в строме хлоропласта.

Замечание 3

Молекула хлорофилла очень подобна молекуле гемоглобина и отличается в основном тем, что в центре молекулы гемоглобина расположен атом железа, а не атом магния, как у хлорофилла.

В природе существует четыре типа хлорофилла: a, b, c, d.

Хлорофиллы a и b содержатся в хлоропластах высших растений и зелёных водорослей, диатомовые водоросли содержат хлорофиллы a и c, красные – a и d . Хлорофиллы a и b изучены лучше других (впервые их выделил в начале ХХ столетия российский учёный М.С. Цвет).

Кроме них существует четыре вида бактериохлорофиллов – зелёных пигментов зелёных и пурпурных бактерий: a, b, c, d.

Большинство бактерий, способных к фотосинтезу, содержат бактериохлорофилл а , некоторые – бактериохлорофилл b, зелёные бактерии – c и d.

Хлорофилл достаточно эффективно поглощает лучистую энергию и передаёт её другим молекулам. Благодаря этому хлорофилл – единственное вещество на Земле, способное обеспечивать процесс фотосинтеза.

Пластидам, как и митохондриям, свойственна в определённой степени автономность внутри клетки. Они способны размножаться в основном путём деления.

Наряду с фотосинтезом в хлоропластах происходит синтез других веществ, таких как белки, липиды, некоторые витамины.

Благодаря наличию в пластидах ДНК, они играют определённую роль в передаче признаков по наследству (цитоплазматическая наследственность ).

Митохондрии – энергетические центры клетки

В цитоплазме большинства животных и растительных клеток содержатся достаточно большие овальные органеллы (0,2 – 7 мкм), покрытые двумя мембранами.

Митохондрии называют силовыми станциями клеток, потому что их основная функция – синтез АТФ. Митохондрии превращают энергию химических связей органических веществ на энергию фосфатных связей молекулы АТФ, которая является универсальным источником энергии осуществления для всех процессов жизнедеятельности клетки и целого организма. АТФ, синтезированная в митохондриях, свободно выходит в цитоплазму и дальше идёт к ядру и органеллам клетки, где используется её химическая энергия.

Митохондрии содержатся почти во всех эукариотических клетках, за исключением анаэробных простейших и эритроцитов. Они расположены в цитоплазме хаотично, но чаще их можно определить возле ядра или в местах с высокой потребностью в энергии.

Пример 2

В мышечных волокнах митохондрии расположены между миофибриллами.

Эти органеллы могут изменять свою структуру и форму, а также двигаться внутри клетки.

Количество органелл может изменяться от десятков до нескольких тысяч в зависимости от активности клетки.

Пример 3

В одной клетке печени млекопитающих содержится более 1000 митохондрий.

Структура митохондрий в некоторой мере отличается у различных типов клеток и тканей, но все митохондрии имеют принципиально одинаковое строение.

Образуются митохондрии путём деления. Во время деления клетки они более-менее равномерно распределяются между дочерними клетками.

Внешняя мембрана гладкая, не образует никаких складок и выростов, легко проницаема для многих органических молекул. Содержит ферменты, которые превращают вещества на реакционно способные субстраты. Участвует в образовании межмембранного пространства.

Внутренняя мембрана плохо проницаема для большинства веществ. Образует много выпячиваний внутрь матрикса – крист . Количество крист в митохондриях разных клеток неодинакова. Их может быть от нескольких десятков до нескольких сотен, причём особенно много их в митохондриях клеток, которые активно функционируют (мышечные). Содержит белки, которые участвуют в трёх важнейших процессах:

  • ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции дыхательной цепи и транспорта электронов;
  • специфические транспортные белки, участвующие в образовании катионов водорода в межмембранном пространстве;
  • ферментативный комплекс АТФ-синтетазы, который синтезирует АТФ.

Матрикс – внутреннее пространство митохондрии, ограниченное внутренней мембраной. Он содержит сотни различных ферментов, которые участвуют в разрушении органических веществ вплоть до углекислого газа и воды. При этом освобождается энергия химических связей между атомами молекул, которая в дальнейшем превращается на энергию макроэргических связей в молекуле АТФ. В матриксе также есть рибосомы и молекулы митохондриальной ДНК.

Замечание 4

Благодаря ДНК и рибосомам самих митохондрий обеспечивается синтез белков, необходимых самой органелле, и которые в цитоплазме не образуются.