Питание клетки 2
Питание клетки
! Как клетка использует захваченные из внешней среды питательные вещества. Молекулярные механизмы фагоцитоза. Полимеры и мономеры. ! Подробнее о полимерах, остатках мономеров и самих мономерах. Краткое введение в химию. Строение мембраны. Липиды. ! Подробнее о липидах. !Мембранное (пристеночное) пищеварение.
Любая живая клетка питается, т.е. захватывает из внешней среды съедобные для себя вещества (в виде отдельных молекул или больших групп молекул — пищевых частиц, иногда даже целых клеток меньшего размера), и так или иначе использует эти вещества.
! Как клетка использует захваченные из внешней среды питательные вещества
Есть всего два принципиально различных варианта.
Молекулы питательных веществ можно использовать для построения других молекул, выполняющих в жизни клетки какиенибудь более или менее важные функции, например, различных молекул, входящих в состав клеточной мембраны. Этот вариант использования клеткой питательных веществ называется ассимиляцией.
Другой вариант — по сути дела сжечь их. Если поджечь, например, кусочек сахара или древесины, то он будет гореть, выделяя энергию в виде света и тепла. Клетка умеет производить похожий процесс (он называется дыханием) с отдельными молекулами пищи. Энергия, которая при этом выделяется, используется клеткой, например, для передвижения или для захвата новых пищевых частиц. Подробнее о дыхании мы поговорим в главе «Диссимиляция. Дыхание клетки». Такой вариант использования веществ называется диссимиляцией.
Фагоцитоз («фагос» — «пожиратель», «цитос» — «клетка») — питание клетки сравнительно большими пищевыми частицами (в том числе другими клетками). Общая картина фагоцитоза показана на рис. 12. Проплывающая мимо клетки пищевая частица касается мембраны и прилипает к ней (1,2). Мембрана под ней прогибается, охватывая частицу со всех сторон (3). В результате образуется мембранный пузырек с частицей внутри — пищеварительная вакуоль (4). Она отрывается от мембраны и уплывает вглубь цитоплазмы. Там она сливается с другим пузырьком (первичной лизосомой — от слов «лизис» — «растворение, расщепление» и «сома» — «тело»), отделившимся от комплекса Гольджи (5). Пузырек — результат этого слияния — называют вторичной лизосомой. После этого пищевая частица начинает растворяться. Минут через 20 внутри вторичной лизосомы виднеются только несколько маленьких бесформенных кусочков, почему-то «не захотевших» растворяться (6). Затем вторичная лизосома подплывает к мембране клетки и сливается с ней, выбрасывая из клетки наружу эти «кусочки» (7б). Другой вариант, гораздо более приемлемый для многоклеточных животных – вторичная лизосома выбрасывает непереваренные остатки в специальную вакуоль накопления на «вечное хранение» (7а).
? Как Вы полагаете, чем опасен для организма многоклеточного животного выброс непереваренных остатков в пространство между клетками?
Молекулярные механизмы фагоцитоза
Захват пищевой частицы (рис. 12: этапы 1-3)
Рисунок 13а Рисунок 13б
Все эти удивительные превращения происходят благодаря деятельности специальных молекул. На рис. 13а показаны молекулы мембраны клетки (они называются рецепторами), обеспечивающие прилипание пищевой частицы к мембране и образование пищеварительной вакуоли. Рецепторы — это молекулы мембраны клетки, которые могут узнавать другие молекулы (лиганды), и прочно к ним прилипать. Коснувшаяся мембраны частица прилипает в том случае, если на ее поверхности имеются лиганды к каким-нибудь рецепторам, имеющимся на поверхности клетки (на мембране обычно имеется около 100 различных разновидностей рецепторов, и каждый из них «узнает» определенный лиганд).
Растворение частиц пищи во вторичной лизосоме (рис. 12: этапы 5-7)
Пусть в данном конкретном случае клетка захватила с помощью фагоцитоза другую клетку, только маленькую. Первичная лизосома принесла из комплекса Гольджи специальные молекулы (пищеварительные ферменты), умеющие «разрезать» большие молекулы (например, полимеры — см. ниже) на части. Из-за этого органоиды захваченной клетки «разваливаются» на отдельные мелкие молекулы (см. рис.13б). В мембране вторичной лизосомы имеются также белки-переносчики, которые умеют переносить эти мелкие молекулы через мембрану в цитоплазму клетки.
? Как Вы полагаете, откуда взялись в мембране лизосомы белки — переносчики?
Полимеры и мономеры
Рисунок 14
Молекулы состоят из еще более мелких частиц — атомов. Полимеры («поли»- «много», «мерос» — «часть») — это молекулы, состоящие из одинаковых или очень похожих друг на друга групп атомов (остатков мономеров: «моно» — «один»), соединенных между собой (см. рис. 13б и 14). Пищеварительные ферменты во вторичной лизосоме «разрезают» полимеры пойманной пищи на отдельные мономеры. Полимеры и их мономеры обычно имеют разные названия. Чтобы было легче запомнить эти названия, мы объединили в табл.1 сведения обо всех типах полимеров клетки.
! Подробнее о полимерах, остатках мономеров и самих мономерах. Краткое введение в химию.
Рисунок 15
Атомы в химии принято обозначать латинскими буквами (например, атом водорода обозначается латинской буквой H, атом кислорода — буквой O). Молекулы в химии изображают формулами. В некоторых формулах (они называются графическими формулами) связи атомов друг с другом (химические связи) рисуют в виде палочек (см., например, рис. 14 и 15). В аналитических формулах около значка каждого атома в виде индекса указывают количество таких атомов в этой молекуле. На рис. 15 показаны аналитические и графические формулы двух молекул — воды и перекиси водорода.
Обычно на одном конце любого клеточного полимера к нему присоединен атом водорода, а на другом конце — группа из двух соединенных друг с другом атомов — водорода и кислорода. На рис. 14 показано, как пищеварительный фермент «разрезает» полимер. Подобные химические реакции (в ходе которых к каким-либо молекулам присоединяются разделенные на части молекулы воды) называют реакциями гидролиза. Пищеварительные ферменты, производящие реакции гидролиза, называют гидролазами.
Таблица 1. Полимеры и мономеры, входящие в состав живых клеток.
Полимеры
Аминокислоты (обычно их в клетке около 20 разных типов).
рибонуклеиновая кислота (РНК)
нуклеотиды РНК (4 типа: А аденин, У урацил, Г гуанин, Ц цитозин)
дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
нуклеотиды ДНК (4 типа: А, Т тимин, Г, Ц)
Строение мембраны. Липиды.
Рисунок 15
Твердые предметы могут быть гидрофильными — смачивающимися водой («филео» — «люблю») или гидрофобными — не смачивающимися водой («фобос» — «страх»). Определяется это так: на пластинку, изготовленную из интересующего нас вещества, капаем небольшую капельку воды. На гидрофобной поверхности капелька собирается в шарик, на гидрофильной — растекается (рис. 15). Тонкая трубочка (капилляр) из гидрофильного вещества втягивает в себя воду. Капилляр из гидрофобного вещества вода как бы старается покинуть. Причина этих явлений в том, что молекулы воды притягиваются, во-первых, друг к другу (это притяжение мешает капельке воды мгновенно разлететься на молекулы), а во-вторых, к молекулам твердого тела. Если первая сила больше второй, то капелька воды собирается в шарик, «отлипая» от твердой поверхности (т.е. данная поверхность гидрофобная). Если первая сила меньше второй, то капелька воды начинает растекаться по твердой поверхности (т.е. данная поверхность — гидрофильная).
Мембрана клетки состоит из многих разных молекул. Большинство из них — молекулы липидов (рис. 16). Молекула липида состоит из гидрофильной «головки» и двух гидрофобных «хвостов». В воде «головки» разных липидных молекул слегка отталкиваются друг от друга, а «хвосты» слипаются друг с другом (вообще гидрофобные предметы в воде склонны слипаться друг с другом, при этом площадь соприкосновения с водой каждого из них уменьшается).
! Подробнее о липидах.
Рисунок 17 Рисунок 18
На рис. 17 а) изображены молекулы глицерина, спирта инозитола, фосфорной кислоты и двух разных жирных кислот. Если соединить их друг с другом так, как показано на рис. 17б, получится липидная молекула, реально встречающаяся в мембранах некоторых клеток (подобные реакции называют реакциями дегидратации, то есть реакциями отделения воды). На рис. 18 показано еще несколько типов липидных молекул, встречающихся в мембране.
? Как Вы думаете, почему гидрофобные предметы в воде слипаются друг с другом?
? Подумайте, в каком положении будут находиться на поверхности воды одиночные липидные молекулы? А как будет выглядеть на поверхности воды пленка из молекул липидов толщиной в две молекулы?
В мембране, кроме липидов, имеется большое количество молекул белков (рис. 19). Одни из них погружены в двойной слой липидов (как вы думаете, какие участки их поверхности гидрофильны, а какие — гидрофобны?), другие прикреплены к головкам липидов и целиком находятся либо снаружи, либо внутри клетки. Наружная поверхность клеточной мембраны отличается от внутренней: здесь к головкам липидов и к белкам прикреплены короткие цепочки из остатков моносахаридов — олигосахариды. Все вместе они образуют на поверхности клетки «сахарную шубу» — гликокаликс.
!Мембранное (пристеночное) пищеварение.
Некоторые белки могут довольно прочно прикрепляться к поверхности клетки, соприкасаясь при этом только с олигосахаридами гликокаликса. Например, такой способностью обладают многие пищеварительные ферменты. Если первичная лизосома сольется с наружной мембраной клетки, то многие из находившихся в ней пищеварительных ферментов, оказавшись «на улице», сразу же прилипнут к поверхности гликокаликса. При этом они смогут «ловить» проплывающие мимо соответствующие полимеры и расщеплять их. Белки-переносчики из лизосомы окажутся в наружной мембране, и начнут переносить внутрь клетки соответствующие мономеры. Получается, что пища будет перевариваться прямо на поверхности клетки. Особенно активно пристеночное пищеварение происходит в кишечнике у разных животных.
Источник
Биология
Лучшие условия по продуктам Тинькофф по этой ссылке
Дарим 500 ₽ на баланс сим-карты и 1000 ₽ при сохранении номера
. 500 руб. на счет при заказе сим-карты по этой ссылке
Лучшие условия по продуктам
ТИНЬКОФФ по данной ссылке
План урока:
Метаболизм
Всякая живая клеточная структура постоянно осуществляет различные реакции, которые обеспечивают все основные процессы, необходимые для нормального существования. Так обеспечивается постоянство условий внутренней среды биологической системы или гомеостаз. При нарушении этих условий происходит сбой в работе всей системы, что способно привести к гибели не только отдельной клетки, но и всего организма. Соответственно, все процессы ориентированы на поддержание именно гомеостаза.
С целью реализации трудоемких биохимических реакций требуются различные соединения, а также энергия, получаемые организмом при метаболизме.
Получается, что ассимиляция и диссимиляция – это взаимозависимые процессы, протекающие синхронно.
Любой организм, вследствие питания, получает извне различные вещества и микроэлементы, используемые в процессе ассимиляции.
Ассимиляция – это процесс, состоящий в формировании соединений, а также составных частей клетки. Данные реакции иначе именуются анаболизм или пластический обмен. Примером ассимиляции может быть образование белковых молекул.
Любые реакции синтеза проходят с расходом энергии. Источником ее выступают ранее образованные соединения, находящиеся в клетке. Они подвергаются распаду вследствие протекания совокупности процессов диссимиляции.
Частично освобождающаяся энергия применяется при синтезе различных соединений, часть рассеивается с теплом или запасается.
Соответственно, диссимиляция – это процесс,заключающийся в разложении веществ с освобождением энергии.
Процесс диссимиляции в организме именуется еще катаболизм или энергетический обмен.
Ассимиляция и диссимиляция не могут существовать по отдельности. Нарушение баланса этих процессов приведет к развитию заболеваний или гибели организма. К примеру, это может выразиться в истощении или ожирении.
Метаболизм в клеточных структурах протекает при средней температуре, нормальном давлении и нейтральной среде. Из курса химии нам известно, что только повышение данных показателей приведет к ускорению реакции. При таких же условиях реакции должны протекать очень медленно. Однако, в биологических системах есть помощники метаболизма – ферменты.
Роль ферментов в метаболизме огромна. Данные структуры ускоряют реакцию без изменения ее общего результата. Причем абсолютно все процессы в организме протекают при участии ферментов. К примеру, под их действием происходит разложение пищи на составные компоненты.
Исходя из значения ферментов в метаболизме можно сказать, что нарушение их образования и активности приведет к различным заболеваниям.
Энергетический обмен
Диссимиляция или энергетический обмен проходит в несколько этапов. Познакомимся с ними на схеме.
- Подготовительный этап энергетического обмена проходит в цитоплазме растительных клеток, простейших, в пищеварительной системе животных, а кроме того и человека. При этом питательные соединения под воздействием пищеварительных ферментов разлагаются до мономеров. Вследствие этого образуется незначимый объем энергии, рассеивающейся как тепло. На представленном этапе энергетического обмена синтеза АТФ не происходит.
- Вторым этапом диссимиляции веществ считается бескислородный или анаэробный. Проходит данная стадия в цитоплазме клеток, заключается в разложении мономеров, образовавшихся на предварительной стадии.
Примером подобного процесса считается гликолиз – многоступенчатое расщепление глюкозы. Мономеры углеводов подвергаются распаду в отсутствии кислорода с освобождением энергии, определенное количество которой расходуется для формирования АТФ.
При протекании ряда последовательных этапов гликолиза совершается разложение молекулы глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты. Чаще всего, пировиноградная кислота затем преобразуется в молочную кислоту. Вследствие этих реакций в ходе гликолиза из АДФ, а также фосфорной кислоты синтезируются 2 молекулы АТФ.
Следует учесть, что по такому принципу гликолиз протекает в клетках животных и человека.
В растительных клетках, в отдельных дрожжевых грибах, у бактерий бескислородный этап осуществляется как спиртовое брожение.
В реакции спиртового брожения могут вступать всевозможные соединения. Например, углеводы, органические кислоты, спирты, аминокислоты и многие другие. Широкое распространение получили реакции расщепления глюкозы при молочнокислом, а также спиртовом брожении.
У молочнокислых бактерий спиртовое брожение сопровождается ферментативным расщеплением глюкозы и продуктом является молочная кислота.
Суммарные уравнения молочнокислого и спиртового брожения рассмотрим на рисунке.
Вследствие бескислородной стадии энергетического обмена вещества распадаются не до конечных продуктов, а до соединений с запасом энергии. Поэтому они переходят в следующий этап – кислородный.
3. Третья стадия энергетического обмена получила название аэробного или кислородного.В течение данных реакций осуществляется последующее разложение органических соединений до конечных продуктов. Характерен он только аэробным организмам, использующим для метаболизма кислород.
Происходит кислородный распад в митохондриях, поэтому именуется еще клеточным дыханием. Протекает оно в несколько поочередных стадий. Основным признаком клеточного дыхания является участие кислорода в распаде соединений.
В процессе клеточного дыхания осуществляется дальнейшее окисление пировиноградной кислоты с формированием двуокиси углерода и воды.
Данный этап считается заключительным, поэтому при клеточном дыхании выделяется внушительное число энергии в виде 36 молекул АТФ.
Вследствие процесса энергетического обмена веществ при окислении одной молекулы глюкозы формируется 38 молекул АТФ. Эта энергия используется на другие химические реакции. К примеру, у человека каждая молекула АТФ расщепляется и вновь создается 2400 раз в сутки, то есть средняя продолжительность жизни АТФ менее минуты.
Питание клетки
Для протекания метаболизма в клетке необходимы различные питательные вещества, которые организм получает в результате питания.
Все живые организмы различаются по тому, какую пищу они используют. Некоторые организмы способны сами производить вещества, другие же в процессе питания клетки потребляют уже готовые.
Различают несколько разновидностей организмов по способу питания клетки:
1. Автотрофы сами производят органические вещества. Для осуществления процессов синтеза они используют простые неорганические соединения – углекислый газ и воду. Источником энергии для протекания ассимиляции в клетке у автотрофов является солнечный свет или энергия химических взаимодействий.
Организмы, использующие солнечный свет для формирования органических соединений получили название фототрофы. Этим существам характерен фотосинтез, протекающий в хлоропластах. Соответственно, фототрофами являются все зеленые растения. Помимо этого, примером фототрофов считаются цианобактерии, зеленые и пурпурные бактерии.
Организмы, которые для производства органических соединений используют энергию химических взаимодействий, называются хемотрофами.
Хемотрофами являются некоторые бактерии, к примеру, железобактерии, серобактерии, нитрифицирующие бактерии.
Гетеротрофы используют в пищу готовые органические вещества. Вследствие такого питания гетеротрофы получают энергию, требуемую для жизненных процессов, а также служат источником строительного материала для клеточных структур. Гетеротрофами являются все животные, грибы и большинство бактерий.
Вдобавок есть организмы, применяющие для питания клетки автотрофный и гетеротрофный способ. К этим организмам относится эвглена зеленая. У нее есть хлоропласты и она может сама производить вещества для питания клетки как автотрофы. Однако в темноте, ее питание осуществляется гетеротрофным способом как у животной клетки.
Фотосинтез
Одним из примеров ассимиляции является процесс фотосинтеза у растений.
Фотосинтез происходит в фотосинтезирующем пигменте хлорофилле хлоропластов листа. Данный пигмент считается чрезмерно активным соединением и реализует поглощение света, начальный запас энергии, также последующая ее трансформация в химическую энергию.
Принято выделять световую и темновую фазы фотосинтеза. Остановимся детальнее на них.
Световая фаза совершается в мембранах хлоропластов. Наступает световая фаза фотосинтеза с поглощения кванта света молекулой хлорофилла. Один из электронов хлорофилла переводится на высочайший энергетический уровень и вступает в возбужденном состоянии. Электроны с большим избытком энергии активизируют разложение воды. Данная процедура, протекающая на начальной стадии фотосинтеза, приобрела наименование фотолиз воды.
В итоге распада совершается отдача гидроксид-ионом (OH — ) своего электрона, а также превращение его в радикал (OH). Радикалы объединяются и формируют воду, свободный кислород. Далее в процессе светового фотосинтеза электрон от гидроксид-иона снова попадает в молекулу хлорофилла, замещая удалившийся электрон. Вследствие этого освобождается энергия, идущая для формирования АТФ.
В процессе световой фазы фотосинтеза совершается превращение световой энергии в химическую энергию макроэргических связей молекулы АТФ. В данной фазе фотосинтеза осуществляется выброс кислорода, являющегося второстепенным продуктом. Он может употребляться дальше растительными клетками при дыхании или выделяться в биосферу.
2. В момент темновой фазы фотосинтеза проистекают трудоемкие ферментативные взаимодействия. Основой считается трансформация молекул углекислого газа до органических соединений. Протекает данная стадия в строме хлоропластов в присутствии продуктов световой реакции.
Основным признаком темновой фазы фотосинтеза считается отсутствие солнечного света.
Начинается данная стадия с проникновения углекислого газа в листья через устьица. Затем он соединяется со своеобразным веществом – акцептором, которым выступает при фотосинтезе пятиуглеродный сахар – рибулозодифосфат. Вследствие этого формируется нестойкое соединение, разлагающиеся на 2 молекулы фосфороглицериновой кислоты. Эти молекулы подвергаются воздействию продуктов светового фотосинтеза, в частности АТФ.
Впоследствии, посредством некоторых переходных стадий, создаются углеводы, а также прочие органические соединения. Данный процесс трансформации углекислого газа в углеводы в темновой фазе фотосинтеза приобрел наименование цикла Кальвина.
В темновом фотосинтезе энергия макроэргических связей АТФ трансформируется в химическую энергию органических соединений. Данные вещества служат пищей для гетеротрофов.
Соответственно, первостепенными веществами темнового и светового фотосинтеза считаются кислород, а также углеводы.
Благодаря данному процессу возможно существование всех живых существ на Земле. Ведь он является одним источником свободного кислорода.
Хемосинтез
Помимо фотосинтеза имеется еще один процесс автотрофной ассимиляции – хемосинтез, типичный отдельным видам микроорганизмов.
Основой энергии для хемосинтеза здесь служит не свет, а окисление отдельных неорганических соединений. Открытие хемосинтеза у таких организмов как бактерии принадлежит русскому ученому С.Н. Виноградскому.
Важнейшей группой данного типа питания считаются нитрифицирующие бактерии. Они могут окислять возникающий при гниении остатков аммиак до нитрита, а также до нитрата. Вследствие этого совершается освобождение энергии, нужной нитрифицирующим бактериям для жизненных функций.
Хемотрофные нитрифицирующие бактерии массово встречаются в природной среде. Они находятся в почве, в различных водоемах. Исполняемые ими процессы считаются частью круговорота азота.
Серобактерии – это еще одни существа, способом питания которых является хемосинтез. Вследствие этого они окисляют сероводород и накапливают в своих клетках серу.
К серобактериям относятся многие автотрофные пурпурные, а также зеленые бактерии.
Серобактерии являются разрушителями горных пород, в связи с формированием серной кислоты в ходе питания. Выделяемая ими едкая жидкость активизирует порчу различных сооружений.
Многочисленные типы серобактерий в ходе питания образуют всевозможные производные серы. Это способствует очищению промышленных сточных вод.
В процессе питания железобактерии переводят железо (II) в железо (III). Освободившаяся энергия употребляется с целью восстановления углекислого газа до органических соединений.
Хемосинтетики – единственные организмы, жизнь которых не связана с освещением. Соответственно они способны существовать в различных местах, осваивая глубины океана или недра земли.
Источник
