в чем заключается биологический синтез приведите примеры
Что такое биосинтез в биологии?
Биосинтез (биологический синтез) – это образование сложных веществ из более простых в живом организме.
Последним биосинтез отличается от химического синтеза, который идёт вне клеток – в лабораториях, на химических предприятиях, иногда – в водоёмах, почве и горных породах.
Кроме того, в биосинтезе всегда задействованы особые вещества – ферменты. Они делают возможными и/или ускоряют химические реакции. Ферментов известно около 5000, и вне живых организмов они в природе не существуют.
Природа имела в своём распоряжении миллиарды лет и испытала миллиарды способов синтеза. За это время она отобрала самые подходящие вещества, создала миниатюрные структуры для их переработки. Живая клетка превратилась в химический завод, на котором могут идти сложнейшие превращения. «Завод» работает автоматически, быстро, с минимальными потерями и максимальным выходом продукции. Отработана поставка в клетку «сырья», бесперебойное снабжение энергией, всегда наготове записанная в генах информация о том, что и как нужно делать.
Возьмём, к примеру, зелёный листок на дереве. На свету из углекислого газа и воды он безостановочно образует глюкозу. Растение ею питается, получает энергию. В руках человека мощная наука и могучая техника. Углекислого газа и воды – сколько угодно. С солнечным светом тоже, вроде, проблем нет. Но люди, пользуясь только этим, не в состоянии синтезировать ни крупинки глюкозы. Мы получает её совсем по-другому, причём из крахмала, который синтезировали те же растения.
Почему человек не может скопировать реакции биосинтеза?
Во-первых, потому что у нас нет такого «оборудования», каким располагает клетка.
Во-вторых, большинство ферментов – белки, чтобы их получить, человек должен выяснить строение каждого, потом найти способ их получить. Всё это возможно, но непросто. В итоге продукт химического синтеза (например, искусственный гормон) оказывается довольно дорогим.
Упростить дело можно, если хотя бы часть работы переложить на живые клетки. К примеру, аскорбиновую кислоту (витамин С) получают на заводах в итоге шести химических реакций. Одну из них обеспечивают… активные бактерии. Подобные схемы широко использует биотехнология.
Мы сравнивали клетку с заводом. Но в промышленности перенос предприятий – обычная практика. Нечто похожее делает генетическая инженерия. Так, человеческий ген белка инсулина удалось «устроить на работу» в клетку бактерии кишечной палочки. В итоге на новом месте синтезируется инсулин – неведомый и совершенно ненужный кишечной палочке, но остро необходимый больным диабетом.
Как человек использует продукты биосинтеза?
Он, не задумываясь, использует их каждую секунду своей жизни. Когда вы читаете эти строки, в ваших глазах идёт биосинтез зрительных пигментов, в печени синтезируется из глюкозы запасное вещество гликоген, костный мозг строит молекулы гемоглобина и т.п.
Кроме того, человек, вовсю потребляет готовые продукты «чужого» биосинтеза. Что такое наша еда – хлеб, мясо, масло, крупы, молоко и т.д.? Всё это смеси белков, жиров, углеводов, витаминов. То есть, продуктов биосинтеза, который прошёл в клетках растений и животных.
Биосинтез снабжает нас и промышленным сырьём. Из плесневых грибов и бактерий добываем антибиотики и витамины. Мы одеты и обуты в разные виды белкá – шерсть, мех и кожу млекопитающих, а также в хлопковую клетчатку. Натуральный шёлк отбираем у бабочек тутового шелкопряда. Целлюлозу, которую деревья синтезировали десятилетиями, превращаем в бумагу, глюкозу, вискозу, пластмассу, стройматериалы, мебель.
Можно только радоваться, что природа создала биосинтез – без него мы были бы всего этого лишены. Правда, без биосинтеза не было бы и нас самих.
В чем заключается биологический синтез приведите примеры
В чем заключается биологический синтез? Приведите примеры.
Биологический синтез — процесс образования биологических макромолекул, структура которых определяется последовательностью нуклеотидом в молекуле ДНК (синтез белка). Синтез небелковых биополимеров происходит так: вначале синтезируется белок —фермент, а с его помощью образуются молекулы углеводов, липидов, гормонов и витаминов.
Дайте определение ассимиляции.
Ассимиляция (анаболизм или пластический обмен) — совокупность реакций биологического синтеза, в ходе которых из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки.
Что такое генетический код?
Генетический код — единая система записи наследственной информации в молекулах ДНЕ и РНК в виде последовательности нуклеотидов в них. Несет информацию о порядке аминокислот в полипептидной цепи.
Сформулируйте основные свойства генетического кода.
1. Специфичность. Один и тот же триплет всегда соответствует только одной аминокислоте.
2. Избыточность. Существует 64 возможные комбинации четырех азотистых оснований (по 3 в триплете), а кодируют они 20 аминокислот. В результате некотор ые аминокислоты кодируются несколькими триплетами, что повышает надежность передачи наследственной информации.
З. Универсальность. Генетический код универсален для всех живых органи змов. Например, он одинаков у кишечной палочки и человека.
Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты?
Информация о структуре всех видов РНК заключена в последовательности нуклеотидов ДНК и реализуется в один этап путем комплементарного синтеза молекулы РНК на одной из цепей молекул ДНК, т. е. в результате транскрипции.
Где происходит синтез белка?
Непосредственная сборка белковой молекулы происходит в цитоплазме, на рибосомах.
Расскажите, как осуществляется синтез белка.
Процесс синтеза белка реализуется в два этапа:
Что т акое диссимиляция? Охарактеризуйте этапы диссимиляции.
Диссимиляция (катаболизм, энергетический обмен) — процесс, обратный реакциям ассимиляции. Сложные биополимеры распадаются, образуя простые вещества. При этом выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.
Выделяю т три этапа энергетического обмена.
1. Подготовительный. На этом этапе молекулы полисахаридов, белков, жиров распадаются на более мелкие молекулы глюкозу, аминокислоты, жирные кислоты, глицерин. Вся выделяющаяся энергия рассеивается в виде тепла.
2. Бескислородный (анаэробное дыхание, или гликолиз). Этот этап неполного окисления также называют брожением. При анаэробном окислении 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. В А ТФ запасается 40% выделяющейся энергии, остальное рассеивается в виде тепла.
3. Кислоро дное расщепление (аэробное дыхание). Н а этом этапе органические соединения окисляются до конечных продуктов СО2 и Н20. Кислородное расщепление сопровождается выделением большого количества энергии и запасанием 60% ее в 36 молекулах АТФ.
В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?
Молекула АТФ состоит из азотистого основании аденина, сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.
Расскажите об энергетическом о6мене в клетке на примере расщепления глюкозы.
1. Подготовительный этап. Распад гликогена или крахмала на молекулы глюкозы:
( C6H10O5)n + nH2O > C6H12O6
2. Анаэробное окисление. Из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пировиноградн ой кислоты, 2 мо лекулы АТФ и 2 молекулы воды. Молекулы пировиноградной кислоты впоследствии восстанавливаются в молочную кислоту:
C 6 H 12 O 6 + 2 H 3 PO 4 + 2АДФ > 2 C 3 H 6 O 3 +2АТФ +2 H 2 O
3. Кислородное окисление. Образовавшиеся молекулы молочной кислоты и присутствии кислорода окисляются до углекислого газа и воды с образованием 36 молекул АТФ:
-э 6С02 + 42Н20 +36АТФ.
Какие типы питания организмов вам известны?
По типу питания все организмы делятся па автотрофных и гетеротрофных.
Какие организмы называются автотрофными?
Автотрофы — организмы, живущие за счет неорганического источника углерода — углекислого газа, использующие для осуществления процессов синтеза энергию солнечного светя — фототрофы или энергию химических связей — хемотрофы.
Охарактеризуйте световую и темновую фазы фотосинтеза.
Фотосинтез — процесс образования органических соединений из неорганических за счет энергии солнечного света. Выделяют световую и темновую фазы фотосинтеза.
Световая фаза фотосинтеза. Происх одит поглощение квантов смета хлорофиллами и фотолиз (разложение) воды. В результате образуются молекулы АТФ, атомарный водород Н’, которые используются далее в темновой фазе для синтеза глюкозы, и молекулярный кислород (как побочный продукт), выделяемый в окружающую среду.
Темновая фаза фотосинтеза. Происходит образование глюкозы из углекислого газа, поглощаемого извне, водорода Н •, полученного в ходе световой фазы, с затратой энергии АТФ, синтезированной также в световую фазу.
Почему в результате фотосинтеза у зеленых растений в атмосферу выделяется свободный кислород?
В ходе реакций световой фазы фотосинтеза под действием квантов светя и при взаимодействии с хлорофиллом происходит разложение (фотолиз) волы на атомарный водород и свободные радикалы Он’. Последние взаимодействуют между собой, образуя свободный кислород и воду.
Так как кислород не включается в дальнейший каскад реакций фотосинтеза, он выделяется во внешнюю среду.
Что такое хемосинтез?
Какие организмы называются гетеротрофными? Приведите примеры.
(Теги: молекулы, синтеза, фотосинтеза, происходит, кислоты, процесс, синтез, организмы, энергии, кислород, углекислого, результате, последовательности, Кислородное, световую, аминокислоты, Какие, путем, осуществляется, триплетов, углерода, образуются, энергия, клетке, аминокислот, комплементарного, нуклеотидов, использующие, организмов, солнечного, темновую, реализуется, органических, связей, квантов, разложение, анаэробное, тепла, Приведите, цитоплазме, Расскажите, обмен, также, транспортной, фотолиз, световой, свободный, вещества, рассеивается, C6H12O6, окисляются, азотистого, последовательность, атомарный, всегда, энергию, триплет, комбинации, расщепление, образования, наследственной, полипептидной, неорганических, диссимиляция, распадаются, этапе, этапа, светя, триплета, между, запасается, включается, извне, пировиноградной, окислении, заключается, называются, водород, среду, питания, дыхание, клетки, окисление, соединений, образуется, химических, хемосинтез, Охарактеризуйте, растений, записи, Например, человека, поступающих, небелковых, Неперекрываемость, генетического, единая, углеводов, передачи, Несет)
Текст книги «Биология. Общая биология. Профильный уровень. 10 класс»
Автор книги: Николай Сонин
Жанр: Биология, Наука и Образование
Текущая страница: 7 (всего у книги 18 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]
Совокупность реакций биологического синтеза называется пластическим обменом или анаболизмом (от греч. anabole – подъем). Название этого вида обмена отражает его сущность: из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки, т. е. происходит ассимиляция.
Все процессы метаболизма в клетке и целом организме протекают под контролем наследственного аппарата. Можно сказать, что все они являются результатом реализации генетической информации, имеющейся в клетке.
Рассмотрим один из важнейших процессов проявления наследственной информации в ходе пластического обмена – биосинтез белков.
Реализация наследственной информации – биосинтез белков
Как уже отмечалось, все многообразие свойств белковых молекул в конечном счете определяется первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот.
Для того чтобы синтезировался белок, информация о последовательности аминокислот в его первичной структуре должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа транскрипцию и трансляцию.
Рис. 4.1. Транскрипция
Транскрипция (от лат. transcriptio – переписывание) информации происходит путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК одноцепочечной молекулы РНК, последовательность нуклеотидов которой точно соответствует (комплементарна) последовательности нуклеотидов матрицы – полинуклеотидной цепи ДНК. Существуют специальные механизмы «узнавания» начальной точки синтеза, выбора цепи ДНК, с которой считывается информация, а также механизмы завершения процесса. Так образуется информационная РНК (рис. 4.1).
Трансляция (от лат. translatio – передача). Следующий этап биосинтеза – перевод информации, заключенной в последовательности нуклеотидов (последовательности кодонов) молекулы и-РНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи – трансляция.
У прокариот (бактерий и сине-зеленых), не имеющих оформленного ядра, рибосомы могут связываться с вновь синтезированной молекулой и-РНК сразу же после ее отделения от ДНК или даже до полного завершения ее синтеза. У эукариот и-РНК сначала должна быть доставлена через ядерную оболочку в цитоплазму. Перенос осуществляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой РНК. Кроме транспорта и-РНК к рибосомам эти белки защищают и-РНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов. В цитоплазме на один из концов и-РНК (именно на тот, с которого начинался синтез молекулы в ядре) вступает рибосома и начинает синтез полипептида.
Рибосома перемещается по молекуле и-РНК не плавно, а прерывисто, триплет за триплетом (рис. 4.2). По мере перемещения рибосомы по молекуле и-РНК к полипептидной цепочке одна за другой пристраиваются аминокислоты, соответствующие триплетам и-РНК. Точное соответствие аминокислоты коду триплета и-РНК обеспечивается т-РНК. Для каждой аминокислоты существует своя т-РНК, один из триплетов которой – антикодон – комплементарен строго определенному триплету и-РНК. Точно также каждой аминокислоте соответствует свой фермент, присоединяющий ее к т-РНК.
Рис. 4.3. Схема передачи наследственной информации от ДНК к и-РНК и к белку
Общий принцип передачи наследственной информации о структуре белковых молекул в процессе биосинтеза полипептидной цепи представлен на рисунке 4.3.
После завершения синтеза полипептидная цепочка отделяется от матрицы – молекулы и-РНК, сворачивается в спираль, а затем приобретает третичную структуру, свойственную данному белку.
Молекула и-РНК может использоваться для синтеза полипептидов многократно, так же, как рибосома. Описание трансляции и транскрипции дано здесь очень упрощенно. Следует помнить, что биосинтез белков – процесс чрезвычайно сложный, связанный с участием многих ферментов и затратой большого количества энергии, значительно превышающего количество энергии образующихся пептидных связей. Поразительная сложность системы биосинтеза и ее высокая энергоемкость обеспечивают высокую точность и упорядоченность синтеза полипептидов.
Биологический синтез небелковых молекул в клетке осуществляется в три этапа. Вначале реализуется информация о структуре специфического белка-фермента, а затем при помощи этого фермента образуется молекула определенного углевода или липида. Сходным путем образуются и другие молекулы: витамины, гормоны и другие.
1. Основной задачей процессов обмена веществ является поддержание постоянства внутренней среды организма (гомеостаза) в непрерывно меняющихся условиях существования.
2. Метаболизм складывается из двух взаимосвязанных процессов – ассимиляции и диссимиляции.
3. В клетке процессы метаболизма связаны с различными мембранными структурами цитоплазмы.
Вопросы для повторения и задания
1. В чем заключается биологический синтез? Приведите примеры.
2. Дайте определение ассимиляции.
3. Что такое генетический код?
4. Сформулируйте основные свойства генетического кода.
5. Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты?
6. Где происходит синтез белка?
7. Расскажите, как осуществляется синтез белка.
Используя словарный запас рубрик «Терминология» и «Summary», переведите на английский язык пункты «Опорных точек».
Процессом, противоположным синтезу, является диссимиляция – совокупность реакций расщепления. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют еще энергетическим обменом клетки или катаболизмом (от греч. katabole – разрушение).
Рис. 4.4. Схема строения АТФ и превращения ее в АДФ
Химическая энергия питательных веществ заключена в различных ковалентных связях между атомами в молекулах органических соединений. Например, при разрыве такой химической связи, как пептидная, освобождается около 12 кДж на 1 моль. В глюкозе количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О, составляет 2800 кДж на 1 моль (т. е. на 180 г глюкозы). При расщеплении глюкозы энергия выделяется поэтапно при участии ряда ферментов согласно итоговому уравнению:
Часть энергии, освобождаемой из питательных веществ, рассеивается в форме теплоты, а часть аккумулируется, т. е. накапливается в богатых энергией фосфатных связях АТФ.
Именно АТФ обеспечивает энергией все виды клеточных функций: биосинтез, механическую работу (деление клетки, сокращение мышц), активный перенос веществ через мембраны, поддержание мембранного потенциала в процессе проведения нервного импульса, выделение различных секретов.
Молекула АТФ состоит из азотистого основания аденина, сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 4.4). Аденин, рибоза и первый фосфат образуют аденозинмонофосфат (АМФ). Если к первому фосфату присоединяется второй, получается аденозиндифосфат (АДФ). Молекула с тремя остатками фосфорной кислоты (АТФ) наиболее энергоемка. Отщепление концевого фосфата АТФ сопровождается выделением 40 кДж вместо 12 кДж, выделяемых при разрыве обычных химических связей.
Благодаря богатым энергией связям в молекулах АТФ клетка может накапливать большое количество энергии в очень небольшом пространстве и расходовать ее по мере надобности. Синтез АТФ идет главным образом в митохондриях. Отсюда молекулы АТФ поступают в разные участки клетки, обеспечивая энергией процессы метаболизма.
Этапы энергетического обмена. Энергетический обмен обычно делят на три этапа. Первый этап – подготовительный. На этом этапе молекулы ди– и полисахаридов, жиров, белков распадаются на мелкие молекулы – глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты; крупные молекулы нуклеиновых кислот – на нуклеотиды. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.
Второй этап – бескислородный. Он называется также анаэробным дыханием (гликолизом) или брожением. Термин «брожение» обычно применяют по отношению к процессам, протекающим в клетках микроорганизмов или растений. Образующиеся на этом этапе в цитоплазме клеток вещества при участии ферментов подвергаются дальнейшему расщеплению. Например, в мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3), которые затем восстанавливаются в молочную кислоту (С3Н6О3). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ. В суммарном виде это выглядит так:
У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение):
У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и т. д.
Во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. В ходе бескислородного расщепления глюкозы в виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40 % энергии, а остальная рассеивается в виде теплоты.
Третий этап энергетического обмена – стадия аэробного дыхания, или кислородного расщепления. Реакции этой стадии энергетического обмена осуществляются в митохондриях. При доступе кислорода к клетке образовавшиеся во время предыдущего этапа вещества окисляются до конечных продуктов – Н2О и СО2. Кислородное дыхание сопровождается выделением большого количества энергии и аккумуляцией ее в молекулах АТФ. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так:
Таким образом, при окислении двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.
По способу получения энергии все организмы делятся на две группы – автотрофные и гетеротрофные.
4.3. Автотрофный тип обмена веществ
Автотрофы – это организмы, осуществляющие питание (т. е. получающие энергию) за счет неорганических соединений. К ним относятся некоторые бактерии и все зеленые растения. В зависимости от того, какой источник энергии используется автотрофными организмами для синтеза органических соединений, их делят на две группы: фототрофы и хемотрофы.
Рис. 4.5. Схема процесса фотосинтеза
Для фототрофов источником энергии служит свет, а хемотрофы используют энергию, освобождающуюся при окислительно-восстановительных реакциях. Зеленые растения являются фототрофами. При помощи содержащегося в хлоропластах хлорофилла они осуществляют фотосинтез – преобразование световой энергии в энергию химических связей.
Фотосинтез. Фотосинтезом называют образование органических (и неорганических) молекул из неорганических за счет использования энергии солнечного света. Этот процесс состоит из двух фаз – световой и темновой (рис. 4.5).
Таким образом, источником молекулярного кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза и выделяющегося в атмосферу, является вода, расщепляющаяся в результате фотолиза – разложения воды под влиянием света. Кроме фотолиза воды энергия света используется в световой фазе для синтеза АТФ из АДФ и фосфата без участия кислорода.
Это очень эффективный процесс: в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях тех же растений с участием кислорода. Таким путем накапливается энергия, необходимая для процессов, происходящих в темновой фазе фотосинтеза.
В комплексе химических реакций темновой фазы, для течения которых свет не обязателен, ключевое место занимает связывание СО2. В этих реакциях участвуют молекулы АТФ, синтезированные во время световой фазы, и атомы водорода, образовавшиеся в процессе фотолиза воды и связанные с молекулами-переносчиками:
Так энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических соединений.
Как уже отмечалось выше, побочным продуктом фотосинтеза зеленых растений является молекулярный кислород, выделяемый в атмосферу. Свободный кислород в атмосфере является мощным фактором преобразования веществ. Его появление послужило предпосылкой возникновения на нашей планете аэробного типа обмена веществ и выхода жизни на сушу.
Хемосинтез. Некоторые бактерии, лишенные хлорофилла, тоже способны к синтезу органических соединений, при этом они используют энергию химических реакций неорганических веществ. Преобразование энергии химических реакций в химическую энергию синтезируемых органических соединений называют хемосинтезом.
Хемосинтез был открыт видным русским микробиологом С. Н. Виноградским (1887).
К группе автотрофов-хемосинтетиков (хемотрофов) относятся нитрифицирующие бактерии. Некоторые из них используют энергию окисления аммиака в азотистую кислоту, другие – энергию окисления азотистой кислоты в азотную. Известны хемосинтетики, извлекающие энергию из окисления двухвалентного железа в трехвалентное («железные бактерии») или из окисления сероводорода до серной кислоты («серные бактерии»). Фиксируя атмосферный азот, переводя минералы в растворимую форму, усваиваемую растениями, хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в круговороте веществ в природе.
Processes of biosynthesis continuously take place in the cells. With the help of enzymes rather simple organic substances are transformed into complicated high-molecular ones: proteins are formed from aminoacids, multimolecular carbohydrates – from simple carbohydrates, nucleotides – from nitrogenic bases and carbohydrates, DNA and RNA – from nucleotides. All the reactions of biosynthesis in the organism are called assimilation. The opposite process, that includes destruction of organic compounds, is dissimilation. The energy, derived from dissimilation reactions is necessary for the process of biosynthesis.
1. Метаболизм складывается из двух тесно взаимосвязанных и противоположно направленных процессов: ассимиляции и диссимиляции.
2. Подавляющее большинство процессов жизнедеятельности, протекающих в клетке, требуют затрат энергии в виде АТФ.
3. Расщепление глюкозы у аэробных организмов, при котором за бескислородным этапом следует расщепление молочной кислоты с участием кислорода, в 18 раз более эффективно с энергетической точки зрения, чем анаэробный гликолиз.
4. Наиболее эффективной формой фотосинтеза является такая, при которой в качестве источника водорода используется вода.
Вопросы для повторения и задания
1. Что такое диссимиляция? Охарактеризуйте этапы диссимиляции.
2. В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?
3. Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.
4. Какие типы питания организмов вам известны?
5. Какие организмы называют автотрофными?
6. Охарактеризуйте световую и темновую фазы фотосинтеза.
7. Почему в результате фотосинтеза у зеленых растений в атмосферу выделяется свободный кислород?
8. Что такое хемосинтез?
9. Какие организмы называют гетеротрофными? Приведите примеры.
Используя словарный запас рубрик «Терминология» и «Summary», переведите на английский язык пункты «Опорных точек».
Каждому термину, указанному в левой колонке, подберите соответствующее ему определение, приведенное в правой колонке на русском и английском языках.
Select the correct definition for every term in the left column from English and Russian variants listed in the right column.
Вопросы для обсуждения
Какие организмы называют автотрофными? На какие группы подразделяют автотрофов?
Каков механизм образования свободного кислорода в результате фотосинтеза у зеленых растений? В чем биологическое и экологическое значение этого процесса?
Где, в результате каких преобразований молекул и в каком количестве образуется АТФ у живых организмов?
Основные положения
Сущность метаболизма заключается в преобразовании веществ и энергии.
Реакции обмена веществ складываются из взаимосвязанных, но разнонаправленных процессов ассимиляции и диссимиляции, согласованность которых обеспечивает гомеостаз организма.
Генетический код – это исторически сложившаяся организация молекул ДНК и РНК, при которой наследственная информация о признаках и свойствах организма оказывается заключенной в последовательности нуклеотидов.
Энергетический обмен организма или клетки включает три этапа: подготовительный – расщепление биополимеров пищи до мономеров, бескислородное расщепление – до промежуточных продуктов и кислородное расщепление – до конечных продуктов. Только два последних этапа сопровождаются образованием АТФ.
Проблемные области
Как реализуется наследственная информация о признаках и свойствах ДНК– и РНК-содержащих вирусов?
В чем заключается биологический смысл избыточности генетического кода?
Каким образом реализуется наследственная информация о структуре и функциях небелковых молекул, синтезируемых в клетке?
Как вы считаете, можно ли повысить эффективность фотосинтеза?
Прикладные аспекты
Как вы думаете, каким образом можно повысить эффективность фотосинтеза у зеленых растений?
Какие примеры, характеризующие использование особенностей метаболизма живых организмов в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях, вы можете привести?
Задания
Напишите уравнения реакций световой и темновой фаз фотосинтеза. Обозначьте пути переноса электронов и протонов.
Охарактеризуйте различные реакции бескислородного расщепления глюкозы у анаэробных и аэробных организмов.
Опишите процесс расщепления органических молекул при участии кислорода в клетках аэробных организмов.
Глава 5. Строение и функции клеток
Для разнообразнейших элементарных частей организмов существует общий принцип строения и развития, и этим принципом является образование клеток.
В настоящее время выделяют два уровня клеточной организации: прокариотический и эукариотический. Прокариотические организмы сохраняют черты глубочайшей древности: они очень просто устроены. На этом основании их выделяют в самостоятельное царство. Эукариотические организмы содержат ограниченное оболочкой ядро, а также сложно устроенные «энергетические станции» – митохондрии. Иными словами, все клетки «ядерных» – эукариот – высоко организованы, приспособлены к потреблению кислорода и поэтому могут производить большое количество энергии.
5.1. Прокариотическая клетка
Бактерии представляют собой типичные прокариотические клетки. Они живут повсюду: в воде, в почве, в пищевых продуктах. Они обитают в самой глубокой котловине в океане и на высочайшей горной вершине Земли – Эвересте, их находят во льдах Арктики и Антарктиды, в подземных источниках горячих вод, верхних слоях атмосферы. Уже этот перечень условий обитания показывает, какой высокой степенью приспособленности обладают прокариотические организмы, несмотря на простоту своего строения. Бактерии представляют собой примитивные формы жизни, и можно предположить, что они относятся к тому типу живых существ, которые появились на самых ранних этапах развития жизни на Земле.
По-видимому, первоначально бактерии жили в морях; от них, вероятно, и произошли современные микроорганизмы. Человек познакомился с миром микробов сравнительно недавно, лишь после того, как научился изготовлять линзы (XVII в.), дающие достаточно сильное увеличение. Развитие техники в последующие века позволило подробно изучить бактерии и другие прокариотические организмы.
Остановимся на особенностях строения клетки бактерий (рис. 5.1). Размеры бактериальных клеток колеблются в широких пределах: от 1 до 10–15 мкм. По форме выделяют шаровидные клетки – кокки, вытянутые – палочки, или бациллы, и извитые – спириллы (рис. 5.2). В зависимости от того, к какому виду относятся микроорганизмы, они существуют или по отдельности, или образуют характерные скопления. Например, стрептококк, вызывающий воспалительные заболевания у человека и животных, образует цепочки из нескольких бактериальных клеток; стафилококк, поражающий дыхательные пути у детей, растет в виде образований, напоминающих кисть винограда. По характеру таких скоплений бактериальных клеток и по особенности их жизнедеятельности микробиологи могут определить, к какому виду относится выделенный микроорганизм.
Рис. 5.1. Схема строения прокариотических клеток
По своим физиологическим свойствам бактерии довольно разнообразны. Они могут жить или только в аэробных, или только в анаэробных условиях, или в тех и других. Необходимую им энергию они получают в процессе дыхания, брожения или фотосинтеза. Ряд видов содержит различные пигменты. Многие бактерии паразитируют в организме животных или растений, вызывая у них заболевания. Сравнительно недавно были открыты бактерии, паразитирующие на других бактериях.
Рис. 5.2. Форма и взаимное расположение бактерий: 1 – палочки, 2–4 – кокки, 5 – спириллы
Основная особенность строения бактерий – отсутствие ядра, ограниченного оболочкой. Наследственная информация у них заключена в одной хромосоме. Бактериальная хромосома, состоящая из одной молекулы ДНК, имеет форму кольца и погружена в цитоплазму. ДНК у бактерий не образует комплексов с белками, и поэтому подавляющее большинство наследственных задатков – генов, входящих в состав хромосомы, «работает», т. е. с них непрерывно считывается наследственная информация. Бактериальная клетка окружена мембраной (см. рис. 5.1), отделяющей цитоплазму от клеточной стенки, образованной сложным гетерополимерным веществом. В цитоплазме мембран мало. В ней находятся рибосомы, осуществляющие синтез белков. Все ферменты, обеспечивающие процессы жизнедеятельности бактерий, диффузно рассеяны по цитоплазме или прикреплены к внутренней поверхности мембраны. У многих микроорганизмов внутри клетки откладываются запасные вещества – полисахариды, жиры, полифосфаты. Эти вещества, включаясь в обменные процессы, могут продлевать жизнь клетки в отсутствие внешних источников энергии.
Бактерии размножаются делением надвое. После редупликации кольцевой хромосомы и удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, а затем дочерние клетки расходятся или остаются связанными в характерные группы – цепочки, пакеты и т. д. Иногда размножению предшествует половой процесс, сущность которого заключается в обмене генетическим материалом и возникновении новых комбинаций генов в бактериальной хромосоме.
Рис. 5.3. Созревшая спора в бактериальной клетке
Многим бактериям свойственно спорообразование. Споры возникают, как правило, когда ощущается недостаток в питательных веществах или когда в среде в избытке накапливаются продукты обмена. Спорообразование начинается с отшнуровывания части цитоплазмы от материнской клетки. Отшнуровавшаяся часть содержит хромосому и окружена мембраной (рис. 5.3). Затем спора окружается клеточной стенкой, нередко многослойной. Процессы жизнедеятельности внутри спор практически прекращаются. Споры бактерий в сухом состоянии очень устойчивы и могут сохранять жизнеспособность многие сотни и даже тысячи лет, выдерживая резкие колебания температуры. Примером этого могут служить споры, обнаруженные в древних захоронениях (мумии древних египтян, запасы пищевых продуктов в различных пещерах), при стерильном бурении льдов, окружающих Южный полюс. Попадая в благоприятные условия, споры преобразуются в активную бактериальную клетку. Ученые-микробиологи вырастили колонии микроорганизмов из спор, оказавшихся в образце льда, возраст которого 10–12 тыс. лет.
Споры болезнетворных бактерий, в покоящемся состоянии пролежавшие многие годы в земле, попадая в воду (при различного рода ирригационных мероприятиях), могут служить причиной возникновения вспышек инфекционных заболеваний. Так, например, палочки сибирской язвы сохраняют жизнеспособность, оставаясь в виде спор более 30 лет.
Таким образом, спорообразование у прокариот является этапом жизненного цикла, обеспечивающим переживание неблагоприятных условий окружающей среды. Кроме этого в состоянии спор может происходить распространение микроорганизмов при помощи ветра и другими способами.
Recently two levels of cell organization are distinguished: procaryotic and eucaryotic ones. In procaryotic organisms many ancient features have remained, including the simplicity of their structure. Thus, they have no nuclei separated from protoplasm by a membrane, no special ability to reproduce organelles, and no skeleton like formations in cytoplasm. Because of these features, they are excluded to a separate Kingdom of procaryotic microorganisms. Eubacteriums and cianobacteriums are considered the most important representatives of this Kingdom, and archaeobacteriums have remained the most similar to ancient ancestors.
1. У прокариот генетический материал клетки представлен одной кольцевой молекулой ДНК.
2. Все бактерии, сине-зеленые и микоплазмы гаплоидны, т. е. содержат одну копию генов.
3. В клетках прокариотических организмов практически нет внутренних мембран, поэтому большинство ферментов диффузно распространено по цитоплазме.
Вопросы для повторения и задания
1. Что такое органоиды клетки?
2. На чем основано деление всех живых организмов на две группы – прокариот и эукариот?
3. Какие организмы относятся к прокариотам?
4. Опишите строение бактериальной клетки.
5. Как размножаются бактерии?
6. В чем сущность процесса спорообразования у бактерий?
Используя словарный запас рубрик «Терминология» и «Summary», переведите на английский язык пункты «Опорных точек».
Каждому термину, указанному в левой колонке, подберите соответствующее ему определение, приведенное в правой колонке на русском и английском языках.
Select the correct definition for every term in the left column from English and Russian variants listed in the right column.
Вопросы для обсуждения
В чем заключается значение прокариот в биоценозах? Какова их экологическая роль?
Каким образом болезнетворные микроорганизмы влияют на состояние макроорганизма (хозяина)?
Внимание! Это не конец книги.
Данное произведение размещено по согласованию с ООО «ЛитРес» (20% исходного текста). Если размещение книги нарушает чьи-либо права, то сообщите об этом.