17. Oferiți o descriere comparativă a structurii și funcțiilor mitocondriilor și cloroplastelor.
Orez. 6. Scheme ale structurii mitocondriilor ( A) și cloroplaste ( b)
Mitocondriile (coloana mitos- fir și chondrion- granule) - organite intracelulare. Coaja lor este formată din două membrane. Membrana exterioară este netedă, cea interioară formează excrescențe numite criste. În interiorul mitocondriei se află o matrice semilichidă care conține ARN, ADN, proteine, lipide, carbohidrați, enzime, ATP și alte substanțe; matricea conține și ribozomi. Dimensiunile mitocondriilor sunt cuprinse între 0,2-0,4 și 1-7 microni. Cantitatea depinde de tipul de celulă (de exemplu, într-o celulă hepatică pot exista 1000-2500 mitocondrii). Mitocondriile pot fi spirale, rotunde, alungite, cupate etc.; mitocondriile pot schimba forma (Fig. 6, A).
Pe membrana interioară a mitocondriilor sunt enzime respiratorii și enzime pentru sinteza ATP. Datorită acestui fapt, mitocondriile asigură respirația celulară și sinteza ATP.
Mitocondriile pot sintetiza ele însele proteinele, deoarece au propriul ADN, ARN și ribozomi. Mitocondriile se înmulțesc împărțind în două.
În structura lor, mitocondriile seamănă cu celulele procariote; în acest sens, se presupune că acestea provin din simbionți aerobici intracelulari. Mitocondriile se găsesc în citoplasma celulelor majorității plantelor și animalelor.
Cloroplastele aparțin plastidelor - organite inerente numai în celulele vegetale. Acestea sunt plăci verzi cu diametrul de 3-4 μm și formă ovală (Fig. 6, b). Cloroplastele, precum mitocondriile, au membrane exterioare și interioare. Membrana interioară formează excrescențe - tilacoide (cf. cristae în mitocondrii). Tilakoidele formează stive - granule, care sunt unite printr-o membrană interioară. Un cloroplast poate conține câteva zeci de boabe. Clorofila este localizată în membranele tilacoide, iar în golurile dintre boabele din matricea (stroma) cloroplastului există ribozomi, ARN și ADN (comparați compoziția matricei mitocondriale). Ribozomii cloroplastici, precum ribozomii mitocondriale, sintetizează proteinele. Funcția principală a cloroplastelor este de a asigura procesul de fotosinteză: în membranele tilacoidelor, faza luminoasă, iar în stroma cloroplastelor, faza întunecată a fotosintezei. Matricea cloroplastului conține granule de amidon primar sintetizat din glucoză în timpul fotosintezei. Cloroplastele, precum mitocondriile, se reproduc prin diviziune. Astfel, există trăsături comune în organizarea morfologică și funcțională a mitocondriilor și a cloroplastelor. Principala caracteristică care unește aceste organite este prezența propriilor informații genetice și sinteza propriilor proteine.
18. Extindeți caracteristicile structurii și funcțiilor reticulului endoplasmatic al celulei.
Orez. 7. Scheme ale structurii brutului ( A) și netedă ( b) reticul endoplasmatic
Reticulul endoplasmatic (EPS) sau reticulul endoplasmatic (ER) este o rețea de canale care pătrund întreaga citoplasmă. Pereții acestor canale sunt formate din membrane în contact cu toate organitele celulei. EPS și organele formează împreună un singur sistem intracelular, care efectuează metabolismul și energia din celulă și asigură transportul intracelular al substanțelor. Distingeți între EPS neted și granular. Granular sau aspru. EPS constă din saci cu membrană (cisterne) acoperite cu ribozomi, făcându-l să pară aspru. EPS neted poate fi lipsit de ribozomi; structura sa este mai aproape de tipul tubular. Proteinele sunt sintetizate pe ribozomii rețelei granulare, care apoi intră pe canalele EPS, unde dobândesc o structură terțiară. Lipidele și carbohidrații sunt sintetizați pe membranele EPS netede, care intră și în canalele EPS (Fig. 7).
EPS îndeplinește următoarele funcții: participă la sinteză materie organică, transportă substanțele sintetizate în aparatul Golgi, împarte celula în compartimente. În plus, în celulele hepatice, EPS este implicat în detoxifierea substanțelor toxice, iar în celulele musculare joacă rolul unui depozit de calciu, care este necesar pentru contracția musculară.
EPS este prezent în toate celulele, cu excepția celulelor bacteriene și a eritrocitelor; ocupă de la 30 la 50% din volumul celulei.
19. Descrieți structura ribozomului. Care este rolul ribozomilor în procesele metabolice?
Ribozomii sunt organite submicroscopice cu diametrul de 15–35 nm, vizibile printr-un microscop electronic. Prezent în toate celulele. Pot exista câteva mii de ribozomi într-o singură celulă. Ribozomii sunt de origine nucleară, mitocondrală și plastidă (vezi răspunsurile la întrebările 11 și 17). Cea mai mare parte a acestuia se formează în nucleul nucleului sub formă de subunități (mari și mici) și apoi trece în citoplasmă. Nu există membrane. Ribozomii includ ARNr și proteine. Proteinele sunt sintetizate pe ribozomi. Majoritatea proteinelor sunt sintetizate pe EPS brut (vezi răspunsul la întrebarea 18); parțial, sinteza proteinelor are loc pe ribozomi în citoplasmă în stare liberă. Grupuri de câteva zeci de ribozomi formează polizomi.
20. Care este rolul biologic al complexului Golgi în activitatea vitală a celulei?
Complexul Golgi este o rețea complexă de cavități, tuburi și vezicule din jurul nucleului. Se compune din trei componente principale: un grup de cavități membranare, un sistem de tuburi care se extind din cavități și bule la capetele tuburilor. Complexul Golgi îndeplinește următoarele funcții: substanțele se acumulează în cavități, care sunt sintetizate și transportate de-a lungul EPS; aici suferă modificări chimice. Substanțele modificate sunt ambalate în vezicule cu membrană, care sunt expulzate de celulă sub formă de secreții. În plus, veziculele sunt utilizate de celulă ca lizozomi (Fig. 8).
Complexul Golgi a fost descoperit în 1898 în neuroni.
21. Ce sunt incluziunile celulare și care este semnificația lor în procesele vieții celulare? Care este rolul biologic al lizozomilor în viața unei celule?
Incluziunile celulare sunt structuri celulare instabile. Acestea includ picături și boabe de proteine, carbohidrați, grăsimi, precum și incluziuni cristaline (cristale organice care pot forma proteine, viruși, săruri ale acidului oxalic etc. în celule și cristale anorganice formate din săruri de calciu). Spre deosebire de organite, aceste incluziuni nu au membrane sau elemente de citoschelet și sunt sintetizate și consumate periodic.
Picăturile de grăsime sunt folosite ca substanță de rezervă datorită conținutului ridicat de energie. Boabe de carbohidrați (polizaharide; sub formă de amidon în plante și sub formă de glicogen la animale și ciuperci) - ca sursă de energie pentru formarea ATP; boabe proteice - ca sursă de material de construcție, săruri de calciu - pentru a asigura procesul de excitație, metabolism etc.
Lizozomi (greacă. lizo- se dizolvă, somn- corp) - acestea sunt vezicule mici cu un diametru de aproximativ 1 micron, limitate de o membrană și care conțin un complex de enzime care asigură descompunerea grăsimilor, carbohidraților și proteinelor. Acestea sunt implicate în digestia particulelor care au pătruns în celulă ca urmare a endocitozei (a se vedea răspunsul la întrebarea 14) și în îndepărtarea organelor pe moarte (de exemplu, coada din mormoloci), a celulelor și a organelor. În timpul foametei, lizozomii dizolvă unele organite fără a ucide celula. Lizozomii se formează în complexul Golgi (vezi răspunsul la întrebarea 20).
22. Ce compuși anorganici sunt incluși în celulă? Care este semnificația componentelor anorganice ale celulei în asigurarea proceselor activității sale vitale? Care este rolul biologic al apei în celulă?
Compușii anorganici ai celulei includ apă și diverse săruri.
Rolul sărurilor din organism este de a oferi o diferență de potențial transmembranar (datorită diferenței de concentrații de ioni de potasiu și sodiu în interiorul și exteriorul celulei), proprietăți tampon (datorită prezenței anionilor de acid fosforic și carbonic în citoplasmă ), în crearea presiunii osmotice a celulei etc. Compoziția substanțelor anorganice a celulei include microelemente (ponderea lor este mai mică de 0,1%). Acestea includ: zinc, mangan și cobalt, care fac parte din centrele active ale enzimelor; fier în hemoglobină; magneziu în clorofilă; iod în compoziția hormonilor tiroidieni etc.
În medie, o celulă conține 80% apă; apa din celulele embrionului este de 95%, în celulele organismelor vechi - 60%, adică cantitatea de apă depinde de intensitatea metabolismului. Cantitatea de apă depinde și de tipul de țesut: în neuroni este de 85%, în os - 20%. Când corpul pierde 20% din apă, apare moartea. Apa determină turgența (elasticitatea) țesuturilor, creează un mediu pentru reacții chimice, participă la reacțiile de hidroliză, în faza ușoară a fotosintezei, la termoreglare, este un bun solvent. În funcție de tipul de interacțiune cu apa, substanțele sunt împărțite în hidrofile sau polare - bine solubile în apă și hidrofobe sau nepolare - slab solubile în apă.
23. Descrieți structura și funcția carbohidraților care alcătuiesc celula.
Carbohidrații sunt compuși organici care conțin hidrogen, carbon și oxigen. Se formează din apă și dioxid de carbonîn procesul de fotosinteză în cloroplastele plantelor verzi (în bacterii - în procesul de fotosinteză sau chimiosinteză bacteriană).
Există monozaharide (glucoză, fructoză, galactoză, riboză, dezoxiriboză), dizaharide (zaharoză, maltoză), polizaharide (amidon, fibre, glicogen, chitină).
Carbohidrații îndeplinesc următoarele funcții: sunt o sursă de energie (atunci când se descompun 1 g de glucoză, se eliberează 17,6 kJ de energie), îndeplinesc o funcție de construcție (membrana celulozei în celulele vegetale, chitina în scheletul insectelor și în peretele celular al ciupercilor), fac parte din ADN, ARN și ATP ca dezoxiriboză și riboză. De obicei, celulele animale conțin aproximativ 1% carbohidrați (în celulele hepatice - până la 5%), iar în celulele vegetale - până la 90%.
24. Care sunt structura și funcțiile acizilor grași și lipoizilor care alcătuiesc celula.
Orez. 9. Modele spațiale de acizi grași
Orez. 10. Structura policiclică a unor steroizi
Grăsimile și lipoizii aparțin grupului de compuși organici nepolari, adică sunt substanțe hidrofobe. Grăsimi- acestea sunt trigliceride ale acizilor grași superiori (Fig. 9), lipide Este o clasă mare de substanțe organice cu proprietăți hidrofobe (de exemplu, colesterolul). Lipidele includ fosfolipide (în molecula lor, unul sau două reziduuri de acizi grași sunt înlocuite cu grupuri care conțin fosfor și, uneori, și azot) și steroizi (structura lor se bazează pe patru inele de carbon, Fig. 10).
Acești compuși îndeplinesc o funcție energetică (cu descompunerea a 1 g de grăsime, se eliberează 38,9 kJ de energie), structurale (fosfolipidele stau la baza membranelor biologice), de protecție (protecție împotriva impacturilor, reglarea căldurii, impermeabilizare).
25. Care sunt caracteristicile structurii și funcțiilor proteinelor care alcătuiesc celula?
Proteinele sunt heteropolimeri constituiți din 20 de monomeri diferiți - alfa-aminoacizi naturali. Proteinele sunt polimeri neregulați.
Structura generală a unui aminoacid poate fi reprezentată după cum urmează: R- (H) C (NH2) -COOH. Aminoacizii dintr-o proteină sunt legați printr-o legătură peptidică -N (H) -C (= O). Aminoacizii sunt împărțiți în neesențiali (sintetizați în corpul însuși) și de neînlocuit, pe care corpul animalului îi primește din alimente. Dintre proteine, se disting proteinele, constând doar din aminoacizi și proteide, care conțin în plus o parte neproteică (de exemplu, hemoglobina, care constă din proteina globină și hem - porfirina).
În structura unei molecule proteice, se disting mai multe niveluri de organizare structurală (Fig. 11). Structura primară este o secvență de reziduuri de aminoacizi conectate prin legături peptidice. Structura secundară - de regulă, este o structură elicoidală (alfa-helix), care este ținută de un set de legături de hidrogen care apar între apropiate unele de altele –C = O și –NH-grupuri. Un alt tip de structură secundară este stratul beta sau stratul pliat; acestea sunt două lanțuri polipeptidice paralele legate prin legături de hidrogen, perpendiculare pe lanțuri. Structura terțiară a unei molecule de proteină este o configurație spațială care de obicei seamănă cu o globulă compactă; este susținut de legături ionice, hidrogen și disulfură (S - S), precum și de interacțiuni hidrofobe. Structura cuaternară este formată prin interacțiunea mai multor subunități - globule (de exemplu, o moleculă de hemoglobină este formată din patru astfel de subunități). Pierderea unei molecule proteice a structurii sale se numește denaturare; poate fi cauzată de temperatură, deshidratare, radiații etc. Dacă în timpul denaturării structura primară nu este perturbată, atunci la restaurare condiții normale structura proteinei este complet recreată.
Funcțiile proteinelor din celulă sunt foarte diverse. Aceștia acționează ca catalizatori, adică accelerează reacțiile chimice din organism (enzimele accelerează reacțiile de zeci și sute de mii de ori). Proteinele îndeplinesc, de asemenea, o funcție de construcție (fac parte din membranele și organele celulei, precum și din compoziția structurilor extracelulare, de exemplu, colagenul din țesutul conjunctiv). Mișcarea organismelor este asigurată de proteine speciale (actină și miozină). Proteinele îndeplinesc, de asemenea, o funcție de transport (de exemplu, hemoglobina transportă O 2). Proteinele oferă funcții sistem imunitar organism (anticorpi și antigeni), coagulare a sângelui (fibrinogen din plasma sanguină), adică îndeplinește funcții de protecție. De asemenea, ele servesc ca una dintre sursele de energie (în timpul descompunerii a 1 g de proteine, se eliberează 17,6 kJ de energie). Funcțiile de reglare ale proteinelor sunt, de asemenea, cunoscute, deoarece mulți hormoni sunt proteine (de exemplu, hormoni ai hipofizei, pancreasului etc.). În plus, corpul conține și proteine de rezervă, de exemplu, care sunt o sursă de nutriție pentru dezvoltarea fătului.
26. Descrieți structura și semnificația biologică a ATP. De ce se numește ATP principala sursă de energie din celulă?
ATP este trifosfatul de adenozină, o nucleotidă aparținând grupului de acizi nucleici. Concentrația de ATP în celulă este scăzută (0,04%; la mușchii scheletici, 0,5%). Molecula ATP este formată din adenină, riboză și trei reziduuri de acid fosforic (Fig. 12). În timpul hidrolizei reziduurilor de acid fosforic, energia este eliberată:
ATP + H 2 O = ADP + H 3 PO 4 + 40 kJ / mol.
Legătura dintre reziduurile de acid fosforic este de mare energie; clivajul său eliberează de aproximativ 4 ori mai multă energie decât clivajul altor legături. Energia hidrolizei ATP este utilizată de celulă în procesele de biosinteză și diviziune celulară, în timpul mișcării, în timpul producției de căldură, în timpul conducerii impulsurilor nervoase etc. După hidroliză, ADP-ul format, de obicei cu ajutorul proteinelor citocromului, este refosforilat rapid pentru a forma ATP. ATP se formează în mitocondrii în timpul respirației, în cloroplaste în timpul fotosintezei și, de asemenea, în alte procese intracelulare. ATP este numit o sursă universală de energie, deoarece energia celulară se bazează în principal pe procesele în care ATP este fie sintetizat, fie consumat.
27. Extindeți relația structurii și funcțiilor ADN-ului și ARN-ului și indicați caracteristicile asemănărilor și diferențelor lor.
ADN-ul (acidul dezoxiribonucleic) este o moleculă formată din două lanțuri polinucleotidice răsucite spiralat (Fig. 14). ADN-ul formează o helică dreaptă, cu diametrul de aproximativ 2 nm, lungime de până la 0,1 mm (desfăcută) și greutate moleculară de până la 6 × 10-12 kDa. Structura ADN-ului a fost determinată pentru prima dată de D. Watson și F. Crick în 1953. Monomerul ADN-ului este dezoxiribonucleotid, constând dintr-o bază azotată - adenină (A), citozină (C), timină (T) sau guanină (G) , - pentoză (dezoxiriboză) și fosfat. Nucleotidele sunt legate într-un lanț datorită reziduurilor de acid fosforic situate între pentoze: o polinucleotidă poate conține până la 30.000 nucleotide. Secvența nucleotidică a unei catene este complementară (adică suplimentară) cu secvența din cealaltă catena datorită legăturilor de hidrogen dintre bazele azotate complementare (două legături de hidrogen între A și T și trei legături de hidrogen între G și C). În interfază, înainte de diviziunea celulară, are loc replicarea ADN (reduplicarea): ADN-ul se desfășoară de la un capăt, iar o nouă catenă complementară este sintetizată pe fiecare catenă; este un proces enzimatic care folosește energia ATP. ADN-ul se găsește în principal în nucleu (vezi răspunsul la întrebarea 11); formele ADN extra-nucleare includ ADN mitocondrial și plastid (a se vedea răspunsul la întrebarea nr. 17).
Orez. 13. Diagrama bloc a ARN-ului: a - coloana vertebrală zahăr-fosfat; b - lanț unic
a - coloana vertebrală zahăr-fosfat; b - perechi complementare de baze azotate; c - helix dublu
ARN (acid ribonucleic) este o moleculă formată dintr-un singur lanț de nucleotide (Fig. 13). O ribonucleotidă constă dintr-una din cele patru baze azotate, dar în loc de timină (T), ARN conține uracil (U), iar în loc de dezoxiriboză, riboză. Există diferite tipuri de ARN într-o celulă: ARNt (transport - transportă aminoacizii la ribozomi), ARN mesager (ARNm, transferă informații despre secvența de aminoacizi de la ADN la proteină), ARN ribozomal (inclus în ribozomi; vezi răspunsul la întrebarea N19), ARN mitocondrial etc.
28. Caracteristici ale structurii acizilor nucleici.
ADN și ARN sunt polinucleotide compuse din dezoxiribonucleotide și, respectiv, ribonucleotide (vezi răspunsul la întrebarea 27). O moleculă de nucleotidă este formată din pentoză, o bază azotată și un reziduu de acid fosforic. ADN conține dezoxiriboză, ARN - riboză; ADN conține baze azotate A și G (aparțin clasei purinelor) și C și T (clasa pirimidinelor), iar ARN conține Y în loc de T (vezi răspunsul 27).
ADN-ul și ARN-ul sunt acizi. conțin un reziduu de acid fosforic (–H 2 PO 4). Zaharul, baza azotata si reziduurile de acid fosforic se combina pentru a forma o molecula de nucleotide.
Două nucleotide formează o dinucleotidă, conectându-se prin condensare, în urma căreia se formează o punte fosfodiesterică între grupul fosfat al unuia și zahărul celuilalt nucleotid. Când se sintetizează o polinucleotidă, acest proces se repetă de multe ori. O coloană vertebrală de zahăr-fosfat neramificată este construită prin formarea de punți fosfodiesterice între al treilea și al cincilea atom de carbon al reziduurilor de zahăr. Podurile fosfodiesterice sunt formate din legături covalente puternice, care conferă rezistență și stabilitate întregului lanț polinucleotidic.
Acizii nucleici au o structură primară (secvență de nucleotide) și o structură tridimensională. ADN-ul este format din două lanțuri polinucleotidice răsucite în spirală. Lanțurile sunt direcționate în direcții opuse: capătul 3 al unui lanț este opus capătului 5 al celuilalt. Opuse unul altuia, bazele azotate ale celor două lanțuri sunt legate prin legături de hidrogen (două legături între A și T și trei între G și C). Bazele care sunt hidrogen legate între ele se numesc complementare (vezi și răspunsul la întrebarea 27).
29. Descrieți procesul de biosinteză a proteinelor. Care este semnificația biologică a acestui proces? Ce rol joacă ADN-ul în biosinteza proteinelor?
Proteinele sunt sintetizate de toate celulele, cu excepția celor non-nucleare. Structura unei proteine este determinată de ADN-ul nuclear. Informațiile despre secvența de aminoacizi dintr-un lanț polipeptidic se află într-o secțiune a ADN numită genă. ADN-ul conține informații despre structura primară a unei proteine. Codul ADN este același pentru toate organismele. Fiecare aminoacid corespunde a trei nucleotide care formează un triplet sau codon. Această codificare este redundantă: sunt posibile 64 de combinații de triplete, în timp ce există doar 20 de aminoacizi, există și triplete de control, de exemplu, denotând începutul și sfârșitul unei gene.
Sinteza proteinelor începe cu transcrierea, adică Sinteza ARNm dintr-un model ADN. Procesul se desfășoară cu ajutorul enzimei polimerazei conform principiului complementarității și începe cu o secțiune specifică a ADN-ului. ARNm sintetizat intră în citoplasmă pe ribozomi, unde are loc sinteza proteinelor.
ARNt are o structură similară cu o frunză de trifoi și asigură transferul aminoacizilor către ribozomi. Fiecare aminoacid se atașează la un situs acceptor al ARNt corespunzător situat pe pețiol. Capătul opus al ARNt se numește anticodon și poartă informații despre tripletul corespunzător unui aminoacid dat. Există mai mult de 20 de tipuri de ARNt.
Transferul de informații de la ARNm la proteine în timpul sintezei sale se numește traducere. Ribozomii adunați în polizomi se mișcă de-a lungul ARNm; mișcarea are loc secvențial, în triplete. La locul de contact al ribozomului cu ARNm, funcționează o enzimă care colectează proteinele din aminoacizii livrați la ribozomii ARNt. Aceasta compară codonul ARNm cu anticodonul ARNt; dacă sunt complementare, enzima (sintetaza) „leagă” aminoacizii, iar ribozomul avansează cu un codon.
Sinteza unei molecule de proteină durează de obicei 1-2 minute (un pas durează 0,2 s).
Biosinteza proteinelor este un lanț de reacții care utilizează energia ATP. Enzimele sunt implicate în toate reacțiile de sinteză a proteinelor.
Biosinteza proteinelor este sinteza matricei. Matricea este ADN în sinteza ARN și ADN sau ARN în sinteza proteinelor.
30. Extindeți rolul enzimelor în reglarea proceselor vitale, în biosinteza proteinelor.
A- o enzimă simplă; b - enzimă bicomponentă; v- enzima alosterică (A - centru activ, substrat S, R - regulator sau centru alosteric); 1 - secțiune catalitică; 2 - zone de contact; 3 - cofactor
Enzimele (aluatul latin) sunt catalizatori biologici cu caracter proteic. Ele pot consta doar din proteine sau pot include un compus neproteic, cum ar fi vitaminele sau un ion metalic. Enzimele sunt implicate atât în procesele de asimilare, cât și în cele de disimilare. Aceștia acționează într-o succesiune strict definită. Enzimele sunt specifice fiecărei substanțe și accelerează doar anumite reacții. Dar există enzime care catalizează mai multe reacții.
Situl activ al unei enzime este o mică parte a enzimei în care are loc această reacție (Fig. 15).
Rolul fiziologic al enzimelor este că, în absența sau activitatea insuficientă, procesele metabolice sunt încetinite brusc; în prezența enzimelor, reacțiile pot fi accelerate cu un factor de 1011. Biosinteza proteinelor este, de asemenea, un proces enzimatic (a se vedea răspunsul la întrebarea 29).
31. Oferiți o descriere comparativă a organismelor autotrofe și heterotrofe.
32. Care este semnificația proceselor metabolice în funcționarea unei celule, a unui organism, a biosferei?
Metabolismul și metabolismul energetic sunt cele mai importante funcții ale unui organism viu (vezi și răspunsul la întrebarea 7). În procesul de metabolism, organismul primește substanțele necesare construirii și reînnoirii elementelor structurale ale celulelor și țesuturilor, precum și energia pentru a asigura toate procesele vieții.
Totalitatea tuturor reacțiilor de biosinteză, însoțite, de regulă, de absorbția energiei, se numește asimilare (schimb plastic), iar toate reacțiile de descompunere, însoțite, de regulă, de eliberarea energiei, se numesc disimilare (energie schimb valutar). Totalitatea tuturor reacțiilor de asimilare și disimilare se numește metabolism.
Metabolismul se efectuează la nivel celular, țesut, organ și organism. Tulburările metabolice afectează toate procesele vitale ale corpului și pot duce la moartea acestuia.
Biosfera este învelișul geologic al Pământului locuit de organisme vii. Biosfera - sistem deschis; la fel ca organismele vii, biosfera primește energie din exterior. Metabolismul se desfășoară în mod constant în biosferă. Procesele biogeochimice au loc în biosferă, la care participă organisme-producători și organisme-descompunătoare. Procesul non-stop al redistribuirii ciclice regulate a materiei și energiei în biosferă este numit marele cerc al schimbului de biote. Încălcările acestui proces duc la întreruperea homeostaziei biosferei și, în cele din urmă, pot duce la moartea acesteia.
33. În ce unități structurale ale celulei au loc procesele de oxidare a oxigenului? Care este chimia și efectul lor energetic?
Etapa de oxidare a oxigenului a metabolismului energetic are loc în mitocondrii, pe membranele interioare ale cărora există enzime respiratorii (vezi și răspunsul la întrebarea 17). În acest stadiu, 18 molecule ATP sunt obținute dintr-o moleculă de acid lactic și, în total, dintr-o moleculă de glucoză în timpul glicolizei (stadiul anoxic, care apare datorită enzimelor din partea solubilă a citoplasmei celulare) și oxidării aerobe, 38 molecule ATP sunt formate.
Eficiența fosforilării oxidative este de 55%.
34. Extindeți esența și semnificația biologică a procesului de fotosinteză.
Fotosinteza este procesul de sintetizare a substanțelor organice din cele anorganice datorită energiei luminii.
Fotosinteza în celulele vegetale are loc în cloroplaste (vezi și răspunsul la întrebarea 17).
Formula de sinteză:
6CO 2 + 6H 2 O = C 6 H 12 O 6 + 6O 2.
Faza luminoasă a fotosintezei are loc numai în lumină: o cuantă de lumină scoate un electron din molecula de clorofilă, care se află în membrana interioară a tilacoidului; electronul bătut fie se întoarce înapoi, fie intră în lanțul de enzime care se oxidează reciproc. Un lanț de enzime transferă un electron către exteriorul membranei tilacoide către un purtător de electroni. Membrana este încărcată negativ din exterior.
Molecula de clorofilă încărcată pozitiv, care se află în centrul membranei, oxidează enzimele care conțin ioni de mangan care se află pe partea interioară a membranei. Aceste enzime sunt implicate în reacțiile de fotoliză a apei, în urma cărora se formează ioni H +; protonii sunt expulzați pe suprafața interioară a membranei tilacoide și pe această suprafață apare o sarcină pozitivă. Când diferența de potențial în membrana tilacoidă atinge 200 mV, protonii încep să alunece prin canalul ATP sintetază, iar ATP este sintetizat.
În timpul fazei întunecate a fotosintezei, glucoza este sintetizată din CO 2 și hidrogen atomic asociat cu purtători datorită energiei ATP.
CO 2 este legat de enzima ribuloză difosfat carboxilază la ribuloză-1,5-difosfat, care este apoi transformată în zahăr cu trei carbon.
Glucoza este sintetizată în matricea tilacoidă pe sisteme enzimatice. Reacția totală a stadiului întunecat:
6CO 2 + 24H = C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.
35. Oferiți o descriere comparativă a proceselor de respirație și fotosinteză.
Respirația în plante este un proces în care carbohidrații sunt în principal oxidați cu eliberarea de energie necesară vieții. Acest proces are loc în mitocondrie (vezi răspunsurile la întrebările 17 și 33). Când respirați în organisme aerobe, O 2 este absorbit și CO 2 este eliberat. Reacția totală a procesului de respirație aerobă:
С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6H 2 0 + energie.
Energia eliberată în timpul oxidării moleculei de glucoză este utilizată pentru a sintetiza ATP (vezi și răspunsul la întrebarea 33).
În fotosinteză, materia organică se formează folosind energia luminii (a se vedea răspunsul la întrebarea 34). În acest caz, O2 este eliberat în atmosferă și CO 2 este absorbit; energia este stocată în legăturile chimice ale substanțelor organice, în principal carbohidrați.
Fotosinteza și respirația la plante sunt două laturi ale metabolismului (asimilare și disimilare).
36. Care este diferența dintre fotosinteză și chemosinteză și care este semnificația acestor procese pentru evoluție?
Esența procesului de fotosinteză este sinteza substanțelor organice din CO 2 și H 2 O folosind energia luminii, iar esența procesului de chemosinteză este sinteza substanțelor organice din cele anorganice datorită energiei reacțiilor chimice care apare în timpul oxidării substanțelor anorganice. În timpul fotosintezei, O 2 este eliberat în atmosferă; primele organisme fotosintetizante au fost cianobacteriile (alge albastre-verzi), datorită activității cărora atmosfera Pământului a început să fie saturată cu O 2, ceea ce a creat condiții pentru existența tuturor organismelor aerobe. În timpul chemosintezei, O 2 nu este eliberat în atmosferă, deoarece chimiotrofii (bacterii nitrificante, bacterii sulf, bacterii fier etc.) nu folosesc apa ca sursă de hidrogen, ci H 2 S sau hidrogen molecular. Dacă pe Pământ ar exista doar bacterii chemotrofe, atunci organismele aerobe nu ar putea trăi (vezi și răspunsurile la întrebările 31 și 34).
37. Care este esența procesului de mitoză și semnificația sa biologică? Oferiți o scurtă descriere a proceselor care apar în diferite faze ale mitozei.
Mitoza (greacă. mios- fir) - principala metodă de diviziune celulară. În celulele animale, durează 30-60 de minute, în celulele vegetale - 2-3 ore.
Mitoza constă din patru faze: profază, metafază, anafază și telofază (Fig. 16). Profaza este prima fază a diviziunii, în timpul căreia cromozomii dicromatide se spiralizează și devin vizibili. Nucleolii și învelișul nuclear se dezintegrează și se formează un fir de ax de fisiune. Metafaza - faza de acumulare a cromozomilor la ecuatorul celulei; filamentele cu fus de fisiune provin din poli și se alătură centromerilor cromozomilor. Fiecare cromozom are două fire care provin din doi poli. Anafaza este faza de separare a cromozomilor, în timpul căreia centromerii se divid, iar cromozomii cu o singură cromatidă sunt separați de fire de ax către polii celulei. Aceasta este cea mai scurtă fază a mitozei. Telofaza - faza sfârșitului diviziunii, când cromozomii sunt despiralizați, se formează nucleolul, se restabilește membrana nucleară, se așează un sept la ecuator (în celulele vegetale) sau apare o constricție (în celulele animale). Firele fusului dispar.
Înainte de a începe mitoza, în timpul interfazei, celula este pregătită pentru divizare (vezi răspunsul la întrebarea 11).
Ca rezultat al mitozei, dintr-o celulă diploidă cu cromozomi cu două cromatide și o cantitate dublată de ADN (2n4c; în această formulă n este numărul de cromozomi, c este numărul de cromatide), se formează două celule fiice cu una- cromozomi cromatidici și o singură cantitate de ADN (2n2c). Acesta este modul în care celulele somatice (celulele corpului) se divid.
Importanța mitozei constă în transmiterea exactă a informațiilor ereditare către celulele fiice, o creștere a numărului de celule din corp, precum și în asigurarea procesului de reproducere asexuată a organismelor și de regenerare.
38. Care sunt diferențele funcționale și citologice dintre celulele somatice și celulele germinale?
Celulele somatice formează organe și țesuturi ale organismului animalelor și plantelor; celulele somatice în sine sunt formate ca urmare a mitozei și au un set diploid de cromozomi (2n); fiecare celulă somatică conține două gene într-o pereche de cromozomi omologi care determină trăsături alternative (gene alelice).
Celulele sexuale (gamete) sunt formate prin meioză (diviziune de reducere; vezi și răspunsurile la întrebările 41 și 42) și au un set haploid de cromozomi (n). Fiecare gamet conține o genă din fiecare pereche de cromozomi omologi. Când gametele se îmbină, se formează un zigot.
39. Dovediți care este avantajul evolutiv al separării sexelor.
Separarea sexelor se află în centrul reproducerii sexuale. Cu reproducerea sexuală, descendenții sunt obținuți ca urmare a fuziunii materialului genetic al nucleilor haploizi. Aceste nuclee sunt conținute în gamete haploide, a căror fuziune formează un zigot diploid. Un proces matur este obținut din zigot în procesul de dezvoltare.
Reproducere sexuală are un avantaj evolutiv foarte mare față de asexual. Acest lucru se datorează faptului că genotipul descendenților provine dintr-o combinație de gene aparținând ambilor părinți. Ca urmare, capacitatea organismului de a se adapta la condițiile de mediu crește.
40. Care sunt bazele citologice ale determinării sexului?
În marea majoritate a animalelor dioice, genele determină sexul unui individ care se dezvoltă dintr-o celulă de ou. Aceasta se numește determinarea genotipică a sexului. Într-un organism diploid, există două seturi omoloage de autozomi și, în majoritatea cazurilor, o pereche de cromozomi sexuali. În setul autosomal al ambelor sexe, cromozomii paterni și materni sunt echivalenți morfologic și funcțional, în timp ce între cromozomii sexuali, de regulă, există diferențe morfologice și, în toate cazurile, funcționale. Cromozomul care este reprezentat într-un număr dublu la unul dintre sexe se numește cromozomul X. Este în contrast cu cromozomul Y, care este prezent într-un singur exemplar.
Sexul care conține doi cromozomi X în celulele sale se numește homogametic și conține atât cromozomi X, cât și Y se numește heterogametic.
La toate mamiferele, mulți pești, unii amfibieni și insecte, sexul homogametic este feminin, iar sexul heterogametic este mascul. Cu toate acestea, la păsări, reptile, amfibieni cu coadă și unele insecte (fluturi), sexul feminin este heterogametic, iar masculul este homogametic. La unele insecte, genotipul X0 se găsește din cauza dispariției cromozomului Y. În același timp, se formează două varietăți de gameți în sexul heterogametic: cu și fără cromozom X.
41. Descrieți principalele faze ale diviziunii meiotice și dezvăluiți semnificația sa biologică.
Meioză(Greacă. meioză- scădere) - o metodă de divizare a celulelor diploide cu formarea a patru celule fiice dintr-o celulă diploidă a unei mame celule haploide... Meioza constă din două diviziuni succesive ale nucleului și o scurtă interfază între ele (Fig. 17).
Fig. 18. Reprezentarea schematică a etapelor succesive ale meiozei. A. Leptonema care precede conjugarea cromozomilor. B. Debutul conjugării în stadiul zigonemului. V. Pakhinema. G. Diplonem. D. Metafaza I. E. Anafaza I. J. Telofaza I. 3. Interfaza între două diviziuni ale meiozei. I. Profaza II. K. Metafaza II. L. Telofaza II. Pentru simplitate, diagrama prezintă o singură pereche de omologi.
Prima diviziune constă din profaza I, metafaza I, anafaza I și telofaza I. În profaza I, cromozomii împerecheați, fiecare dintre aceștia constând din două cromatide, se potrivesc (acest proces se numește conjugarea cromozomilor omologi), încrucișat (încrucișare) peste), formând poduri (chiasmata), apoi schimbă site-uri. Odată cu încrucișarea, se efectuează recombinarea genelor. După trecere, cromozomii sunt deconectați.
În metafaza I, cromozomii asociați sunt localizați de-a lungul ecuatorului celulei; firele axului de fisiune sunt atașate la fiecare dintre cromozomi. În anafaza I, cromozomii cu două cromatide diverg spre polii celulei; în acest caz, numărul de cromozomi la fiecare pol devine la jumătate din celula mamei. Apoi se instalează telofaza I - se formează două celule cu un număr haploid de cromozomi dicromatide; prin urmare, prima diviziune a meiozei se numește reducere. Telofaza I este urmată de o interfază scurtă (în unele cazuri, telofaza I și interfaza sunt absente). În interfața dintre două diviziuni ale meiozei, dublarea cromozomilor nu are loc, deoarece fiecare cromozom este deja format din două cromatide.
A doua diviziune a meiozei diferă de mitoză doar prin faptul că celulele cu un set haploid de cromozomi trec prin ea; în a doua divizie, profaza II este uneori absentă. În metafaza II, cromozomii dicromatide sunt localizați de-a lungul ecuatorului; procesul are loc în două celule fiice simultan. În anafaza II, cromozomii monocromatici se deplasează deja către poli. În telofaza II, nucleele și septurile (în celulele vegetale) sau constricțiile (în celulele animale) se formează în patru celule fiice. Ca urmare a celei de-a doua diviziuni a meiozei, se formează patru celule cu un set haploid de cromozomi (1n1c); a doua diviziune se numește ecuațională (egalizatoare) (Fig. 18). Acestea sunt gameți la animale și oameni sau spori la plante.
Semnificația meiozei constă în faptul că se creează un set haploid de cromozomi și condiții pentru variabilitatea ereditară datorată încrucișării și divergenței probabilistice a cromozomilor.
Va urma
Un rol important în viața fiecărei celule îl joacă structurile speciale - mitocondriile. Structura mitocondriilor permite organului să lucreze într-un mod semi-autonom.
caracteristici generale
Mitocondriile au fost descoperite în 1850. Cu toate acestea, a devenit posibil să se înțeleagă structura și scopul funcțional al mitocondriilor abia în 1948.
Datorită dimensiunilor lor destul de mari, organele se disting clar la microscopul cu lumină. Lungimea maximă este de 10 microni, diametrul nu depășește 1 micron.
Mitocondriile sunt prezente în toate celulele eucariote. Acestea sunt două organite cu membrană, de obicei în formă de bob. Există, de asemenea, mitocondrii sferice, filamentoase, în formă de spirală.
Numărul mitocondriilor poate varia considerabil. De exemplu, în celulele hepatice există aproximativ o mie, iar în ovocite - 300 de mii. Celulele vegetale conțin mai puține mitocondrii decât animalele.
TOP-4 articolecare au citit împreună cu aceasta
Orez. 1. Găsirea mitocondriilor în celulă.
Mitocondriile sunt plastice. Acestea își schimbă forma și se mută în centrele active ale celulei. De obicei, există mai multe mitocondrii în acele celule și părți ale citoplasmei în care cererea de ATP este mai mare.
Structura
Fiecare mitocondrie este separată de citoplasmă de două membrane. Membrana exterioară este netedă. Structura membranei interioare este mai complexă. Formează numeroase pliuri - criste, care măresc suprafața funcțională. Între cele două membrane există un spațiu de 10-20 nm, umplut cu enzime. În interiorul organitei se află o matrice - o substanță asemănătoare gelului.
Orez. 2. Structura internă a mitocondriilor.
Tabelul „Structura și funcția mitocondriilor” descrie în detaliu componentele organului.
|
Compoziţie |
Descriere |
Funcții |
|
Membrana exterioară |
Se compune din lipide. Conține o cantitate mare de porină proteică, care formează tubuli hidrofili. Întreaga membrană exterioară este pătrunsă cu pori prin care moleculele de substanțe intră în mitocondrii. De asemenea, conține enzime implicate în sinteza lipidelor |
Protejează organitul, favorizează transportul substanțelor |
|
Acestea sunt situate perpendicular pe axa mitocondrială. Ele pot fi sub formă de plăci sau tuburi. Numărul de criste variază în funcție de tipul de celule. Există de trei ori mai multe dintre ele în celulele cardiace decât în celulele hepatice. Acestea conțin fosfolipide și proteine de trei tipuri: Catalitic - sunt implicate în procesele oxidative; Enzimatic - participă la formarea ATP; Transport - transporta moleculele din matrice spre exterior și înapoi |
Efectuează a doua etapă a respirației cu ajutorul lanțului respirator. Se produce oxidarea hidrogenului, formarea a 36 de molecule de ATP și apă |
|
|
Constă dintr-un amestec de enzime, acizi grași, proteine, ARN, ribozomi mitocondriale. Aici se află propriul ADN al mitocondriilor. |
Realizează prima etapă a respirației - ciclul Krebs, în urma căruia se formează 2 molecule de ATP |
Funcția principală a mitocondriilor este generarea de energie celulară sub formă de molecule de ATP datorită reacției de fosforilare oxidativă - respirație celulară.
În plus față de mitocondrii, celulele vegetale conțin organite semi-autonome suplimentare - plastide.
În funcție de scopul funcțional, există trei tipuri de plastide:
- cromoplaste - acumulează și depozitează pigmenți (caroten) de diferite nuanțe care dau culoare plantelor florilor;
- leucoplaste - depozitați substanțele nutritive, cum ar fi amidonul, sub formă de cereale și granule;
- cloroplaste - cele mai importante organite care conțin pigmentul verde (clorofilă), care dă culoare plantelor și care realizează fotosinteza.
Orez. 3. Plastidele.
Ce am învățat?
Am examinat caracteristicile structurale ale mitocondriilor - două organite cu membrană care efectuează respirația celulară. Membrana exterioară este formată din proteine și lipide și produce transportul substanțelor. Membrana interioară formează pliuri - criste, pe care are loc oxidarea hidrogenului. Crista este înconjurat de o matrice - o substanță asemănătoare gelului în care au loc unele reacții ale respirației celulare. Matricea conține ADN mitocondrial și ARN.
Testează după subiect
Evaluarea raportului
Rata medie: 4.4. Total evaluări primite: 105.
1. Completați tabelul 15 "Caracteristicile comparative ale mitocondriilor și cloroplastelor". Dacă există un semn, puneți în celula corespunzătoare semnul + ... Faceți o concluzie cu privire la motivele asemănărilor și motivele diferențelor dintre mitocondrii și cloroplaste.
2. Analiza medicamentelor „orbe”.
Partea practică
Tabelul 15.
Caracteristici comparative ale mitocondriilor și cloroplastelor
PREPARARE Nr. 6 Condriosmos în celulele hepatice amfibiene
Mitocondriile din celulele hepatice amfibiene. Fixarea cu Ca-formol; colorare după Altman.
La mărire redusă, celulele hepatice mari, poligonale, rotunjite cu limite subțiri ale celulelor sunt vizibile pe rânduri. Între celulele hepatice sunt vizibile capilarele largi din sânge, în care se află celulele sanguine.
La o mărire ridicată, pe un fundal gălbui al citoplasmei hepatocitelor, sunt vizibile mitocondriile roz-roșii uniform distanțate, sub formă de boabe rotunjite sau tije. O parte a mitocondriilor granulare este o secțiune transversală a mitocondriilor în formă de tijă.
Orez. 51. Mitocondriile din celulele hepatice amfibiene. 1 - citoplasmă; 2 - hepatocite; 3 - mitocondrii; 4 - lanțuri scurte de mitocondrii.
Prelegerea numărul 6.
Număr de ore: 2
MITOCHONDRIA ȘI PLASTIDE
1.
2. Plastidele, structura, soiurile, funcțiile
3.
Mitocondriile și plastidele sunt organite cu două membrane ale celulelor eucariote. Mitocondriile se găsesc în toate celulele animalelor și plantelor. Plastidele sunt caracteristice celulelor vegetale care efectuează procese fotosintetice. Aceste organite au un plan structural similar și unele proprietăți comune. Cu toate acestea, în ceea ce privește procesele metabolice de bază, acestea diferă semnificativ între ele.
1. Mitocondriile, structura, semnificația funcțională
caracteristici generale mitocondrii. Mitocondriile (grecesc „mitos” - fir, „chondrion” - cereale, granule) sunt organite rotunde, ovale sau în formă de tijă, cu două membrane, cu un diametru de aproximativ 0,2-1 microni și o lungime de 7-10 microni. Aceste organitepot fi detectate cu ajutorul microscopiei cu lumină, deoarece acestea sunt de dimensiuni suficiente și densitate mare. Particularități structura interna ele pot fi examinate doar cu microscopul electronic.Mitocondriile au fost descoperite în 1894 de R. Altman, care le-a dat numele de „bioblasti”.Termenul „mitocondrii” a fost introdus de K. Benda în 1897. Sunt disponibile mitocondriile practic în toate celulele eucariote. Organismelor anaerobe (amibă intestinală etc.) le lipsește mitocondriile. Numărmitocondriile dintr-o celulă variază de la 1 la 100 de mii.și depinde de tipul, activitatea funcțională și vârsta celulei. Deci, în celulele vegetale există mai puține mitocondrii decât la animale; si inexistă mai multe celule tinere decât cele vechi.Ciclul de viață al mitocondriilor este de câteva zile. Într-o celulă, mitocondriile se acumulează de obicei în apropierea zonelor citoplasmei în care este nevoie de ATP. De exemplu, în mușchiul inimii, mitocondriile sunt situate în apropierea miofibrilelor, iar în spermă formează o teacă spirală în jurul axei flagelului.
Structura ultramicroscopică a mitocondriilor. Mitocondriile sunt delimitate de două membrane, fiecare cu o grosime de aproximativ 7 nm. Membrana exterioară este separată de membrana interioară printr-un spațiu intermembranar de aproximativ 10-20 nm lățime. Membrana exterioară este netedă, iar cea interioară formează pliuri - cristae (latină „crista” - creastă, creștere), crescând suprafața acesteia. Numărul cristelor nu este același în mitocondriile diferitelor celule. Pot fi de la câteva zeci la câteva sute dintre ele. Există în special multe criste în mitocondriile celulelor care funcționează activ, de exemplu, celulele musculare. Cristae conțin lanțuri de transfer de electroni și fosforilarea asociată a ADP (fosforilarea oxidativă). Spațiul interior al mitocondriilor este umplut cu o substanță omogenă numită matrice. Crista mitocondrială de obicei nu blochează complet cavitatea mitocondrială. Prin urmare, matricea este continuă pe tot parcursul. Matricea conține molecule ADN circulare, ribozomi mitocondriale, depozite de săruri de calciu și magneziu. Moleculele de ARN de diferite tipuri sunt sintetizate pe ADN mitocondrial, ribozomii sunt implicați în sinteza unui număr de proteine mitocondriale. Dimensiunea redusă a ADN-ului mitocondrial nu permite codificarea sintezei tuturor proteinelor mitocondriale. Prin urmare, sinteza majorității proteinelor mitocondriale se află sub control nuclear și se realizează în citoplasma celulei. Fără aceste proteine, creșterea și funcționarea mitocondriilor este imposibilă. ADN-ul mitocondrial codifică proteinele structurale responsabile de integrarea corectă a componentelor funcționale individuale în membranele mitocondriale.
Reproducerea mitocondriilor. Mitocondriile se înmulțesc prin divizarea sau fragmentarea mitocondriilor mari în altele mai mici. Mitocondriile astfel formate se pot dezvolta și diviza din nou.
Funcții mitocondriale. Funcția principală a mitocondriilor este de a sintetiza ATP. Acest proces are loc ca urmare a oxidării substraturilor organice și a fosforilării ADP. Prima etapă a acestui proces are loc în citoplasmă în condiții anaerobe. Deoarece glucoza este substratul principal, procesul se numește glicoliză.În acest stadiu, substratul suferă o degradare enzimatică în acid piruvic cu sinteza simultană a unei cantități mici de ATP. A doua etapă are loc în mitocondrie și necesită prezența oxigenului. În acest stadiu, oxidarea ulterioară a acidului piruvic are loc cu eliberarea de CO 2 și transferul de electroni către acceptori. Aceste reacții sunt efectuate de o serie de enzime ale ciclului acidului tricarboxilic, care sunt localizate în matricea mitocondrială. Electronii eliberați în timpul oxidării în ciclul Krebs sunt transferați în lanțul respirator (lanțul de transport al electronilor). În lanțul respirator, acestea se combină cu oxigenul molecular pentru a forma molecule de apă. Ca urmare, energia este eliberată în porțiuni mici, care sunt stocate sub formă de ATP. Oxidarea completă a unei molecule de glucoză cu formarea de dioxid de carbon și apă oferă energie pentru a reîncărca 38 de molecule de ATP (2 molecule în citoplasmă și 36 în mitocondrii).
Analogi mitocondriali la bacterii. Bacteriile nu au mitocondrii. În schimb, au lanțuri de transport ale electronilor localizate în membrana celulară.
2. Plastidele, structura, soiurile, funcțiile. Problema originii plastidelor
Plastidele (din greacă. plastide- creatori, generatoare) Sunt organite cu două membrane caracteristice organismelor fotosintetice eucariote.Există trei tipuri principale de plastide: cloroplaste, cromoplaste și leucoplaste. Setul de plastide dintr-o celulă se numește plastidom. Plastidele sunt interconectate de o origine comună în ontogeneză din proplastidele celulelor meristematice.Fiecare dintre aceste tipuri, în anumite condiții, se poate transforma unul în altul. La fel ca mitocondriile, plastidele conțin propriile molecule de ADN. Prin urmare, ele sunt, de asemenea, capabile să se reproducă independent de diviziunea celulară.
Cloroplastele(din greacă. "cloros„- verde”plastos"- sculptat)Sunt plastide în care are loc fotosinteza.
Caracteristicile generale ale cloroplastelor. Cloroplastele sunt organite verzi de 5-10 microni lungime și 2-4 microni lățime. În algele verzi se găsesc cloroplaste gigantice (cromatofori), care ating o lungime de 50 microni. La plantele superioare, cloroplastele avea biconvexe sau elipsoidale. Numărul de cloroplaste dintr-o celulă poate varia de la una (unele alge verzi) la o mie (shag). Vo celulă de plante superioare are în medie 15-50 de cloroplaste.De obicei, cloroplastele sunt distribuite uniform în citoplasma celulei, dar uneori sunt grupate în jurul nucleului sau membranei celulare. Aparent, acest lucru depinde de influențele externe (intensitatea luminii).
Structura ultramicroscopică a cloroplastelor. Cloroplastele sunt separate de citoplasmă de două membrane, fiecare dintre acestea având o grosime de aproximativ 7 nm. Între membrane există un spațiu intermembranar cu un diametru de aproximativ 20-30 nm. Membrana exterioară este netedă, cea interioară are o structură pliată. Între pliuri sunt tilacoizi având forma unor discuri. Tilacoidele formează stive ca o coloană de monede numită boabe. MBoabele sunt conectate între ele prin alți tilacoizi ( lamele, freturi). Numărul tilacoidelor pe o față variază de la câteva la 50 sau mai mult. La rândul său, cloroplastul plantelor superioare conține aproximativ 50 de boabe (40-60), dispuse într-un model de tablă de șah. Acest aranjament asigură iluminarea maximă a fiecărei fețe. În centrul bobului se află clorofila înconjurată de un strat de proteine; apoi există un strat de lipoide, din nou proteine și clorofilă. Clorofila are o structură chimică complexă și există în mai multe modificări ( a, b, c, d ). Plantele superioare și algele conțin xlorofila a cu formula C 55 H 72 O 5 N 4 M g ... Clorofila ca suplimentar b (plante superioare, alge verzi), clorofilă c (maro și diatomee), clorofilă d (alge roșii).Clorofila se formează numai în prezența luminii și a fierului, care joacă rolul de catalizator.Matricea cloroplastului este o substanță omogenă incoloră care umple spațiul dintre tilacoizi.Matricea conțineenzime ale „fazei întunecate” a fotosintezei, ADN, ARN, ribozomi.În plus, depunerea primară a amidonului sub formă de boabe de amidon are loc în matrice.
Proprietăți cloroplastice:
· semi-autonomie (au propriul lor aparat de sintetizare a proteinelor, dar cea mai mare parte a informațiilor genetice se află în nucleu);
· capacitatea de a vă deplasa independent (departe de lumina directă a soarelui);
· capacitatea de a se reproduce independent.
Reproducerea cloroplastelor. Cloroplastele se dezvoltă din proplastide, care sunt capabile să se replice prin divizare. La plantele superioare, se găsește și divizarea cloroplastelor mature, dar extrem de rar. Odată cu îmbătrânirea frunzelor și tulpinilor, coacerea fructelor, cloroplastele își pierd culoarea verde, transformându-se în cromoplaste.
Funcțiile cloroplastului. Funcția principală a cloroplastelor este fotosinteza. În plus față de fotosinteză, cloroplastele efectuează sinteza ATP din ADP (fosforilare), sinteza lipidelor, amidonului, proteinelor. Cloroplastele sintetizează, de asemenea, enzime care asigură faza luminoasă a fotosintezei.
Cromoplastele(din grecescul chromatos - culoare, vopsea și " plastos "- sculptat)Sunt plastide colorate. Culoarea lor se datorează prezenței următorilor pigmenți: caroten (portocaliu-galben), licopen (roșu) și xantofilă (galben). Cromoplastele sunt deosebit de abundente în celulele petalelor de flori și ale cojilor de fructe. Majoritatea cromoplastelor se găsesc în fructe și flori și frunze ofilitoare. Cromoplastele se pot dezvolta din cloroplaste, care în acest proces pierd clorofila și acumulează carotenoizi. Acest lucru se întâmplă în timpul coacerii multor fructe: după ce s-au umplut cu suc copt, acestea devin galbene, devin roz sau devin roșii.Funcția principală a cromoplastelor este de a oferi culoare florilor, fructelor, semințelor.
Spre deosebire de leucoplaste și mai ales de cloroplaste, membrana interioară a cloroplastelor nu formează tilacoizi (sau formează singuri). Cromoplastele sunt rezultatul final al dezvoltării plastidelor (cloroplastele și plastidele se transformă în cromoplaste).
Leucoplastele(din grecescul leucos - alb, plastos - sculptat, creat). Sunt plastide incolorerotund, ovoid, fusiform. Se găsesc în părțile subterane ale plantelor, semințelor, epidermei și în miezul tulpinii. Mai ales bogat leucoplastii tuberculi de cartofi.Membrana interioară formează câțiva tilacoizi. În lumină, cloroplastele se formează din cloroplaste.Leucoplastele, în care amidonul secundar este sintetizat și acumulat, sunt numite amiloplastele, uleiuri - eilaloplaste, proteine - proteoplaste. Funcția principală a leucoplastelor este acumularea de substanțe nutritive.
3. Problema originii mitocondriilor și plastidelor. Autonomie relativă
Există două teorii principale despre originea mitocondriilor și a plastidelor. Acestea sunt teoriile filiației directe și ale endosimbiozei secvențiale. Conform teoriei filiației directe, mitocondriile și plastidele s-au format prin compartimentarea celulei în sine. Eucariotele fotosintetice au evoluat din procariote fotosintetice. În celulele eucariote autotrofe rezultate, mitocondriile s-au format prin diferențiere intracelulară. Ca urmare a pierderii plastidelor din autotrofe, au apărut animale și ciuperci.
Teoria endosimbiozelor secvențiale este cea mai întemeiată. Conform acestei teorii, apariția unei celule eucariote a trecut prin mai multe etape de simbioză cu alte celule. În prima etapă, celulele de tipul bacteriilor heterotrofe anaerobe includeau bacterii aerobe libere care se transformau în mitocondrii. În paralel cu aceasta, în celula gazdă, genoforul procariot este format într-un nucleu separat de citoplasmă. În acest fel, a apărut prima celulă eucariotă, care era heterotrofă. Celulele eucariote emergente, prin simbioză repetată, au inclus alge albastru-verzui, ceea ce a dus la apariția structurilor de tip cloroplast în ele. Astfel, mitocondriile erau deja prezente în celulele eucariote heterotrofe, când acestea din urmă au dobândit plastide ca urmare a simbiozei. Mai târziu, ca urmare a selecției naturale, mitocondriile și cloroplastele și-au pierdut o parte din materialul genetic și s-au transformat în structuri cu autonomie limitată.
Dovezi pentru teoria endosimbiotică:
1. Similitudinea structurii și a proceselor energetice în bacterii și mitocondrii, pe de o parte, și în algele albastru-verzi și cloroplaste, pe de altă parte.
2. Mitocondriile și plastidele au propriile lorun sistem specific pentru sinteza proteinelor (ADN, ARN, ribozomi). Specificitatea acestui sistem constă în autonomia sa și o diferență accentuată față de cea din celulă.
3. ADN-ul mitocondriilor și al plastidelor estemoleculă ciclică sau liniară mică,care diferă de ADN-ul nucleului și prin caracteristicile sale se apropie de ADN-ul celulelor procariote.Sinteza ADN a mitocondriilor și plastidelor nu estedepinde de sinteza ADN-ului nuclear.
4. În mitocondrii și cloroplaste există i-ARN, t-ARN, r-ARN. Ribozomii și r-ARN-ul acestor organite diferă brusc de cei din citoplasmă. În special, ribozomii mitocondriale și cloroplastii, spre deosebire de ribozomii citoplasmatici, sunt sensibili la antibioticul cloramfenicol, care suprimă sinteza proteinelor în celulele procariote.
5. Creșterea numărului de mitocondrii are loc prin creșterea și divizarea mitocondriilor originale. Creșterea numărului de cloroplaste are loc prin modificări ale proplastidelor, care, la rândul lor, se înmulțesc prin divizare.
Această teorie explică bine reținerea rămășițelor sistemelor de replicare în mitocondrii și plastide și permite construirea unei filogenii secvențiale de la procariote la eucariote.
Autonomia relativă a cloroplastelor și plastidelor. În anumite privințe, mitocondriile și cloroplastele se comportă ca organisme autonome. De exemplu, aceste structuri sunt formate numai din mitocondriile și cloroplastele originale. Acest lucru a fost demonstrat în experimente pe celule vegetale, în care formarea cloroplastelor a fost suprimată de antibioticul streptomicină și pe celulele de drojdie, unde formarea mitocondriilor a fost suprimată de alte medicamente. După astfel de influențe, celulele nu au restaurat niciodată organele lipsă. Motivul este că mitocondriile și cloroplastele conțin o anumită cantitate din propriul lor material genetic (ADN), care codifică o parte din structura lor. Dacă acest ADN se pierde, ceea ce se întâmplă atunci când formarea organelor este suprimată, atunci structura nu poate fi recreată. Ambele tipuri de organite au propriul lor sistem de sinteză a proteinelor (ribozomi și ARN-uri de transport), care este oarecum diferit de sistemul principal de sinteză a proteinelor al celulei; se știe, de exemplu, că sistemul de sintetizare a proteinelor din organite poate fi suprimat de antibiotice, în timp ce acestea nu acționează asupra sistemului de bază. ADN-ul organelor este responsabil pentru cea mai mare parte a eredității extracromozomiale sau citoplasmatice. Ereditatea extracromozomială nu respectă legile mendeliene, deoarece în timpul diviziunii celulare, ADN-ul organului este transferat celulelor fiice într-un mod diferit de cromozomi. Studiul mutațiilor care apar în ADN-ul organelor și ADN-ul cromozomilor a arătat că ADN-ul organelor este responsabil doar pentru o mică parte a structurii organelor; majoritatea proteinelor lor sunt codificate în gene localizate pe cromozomi. Autonomia relativă a mitocondriilor și plastidelor este văzută ca o dovadă a originii lor simbiotice.
Viața ca proces biologic este una în întreaga biosferă și există pe baza principiilor fundamentale. Prin urmare, diferite forme de viață, precum și diferite componente structurale ale reprezentanților speciilor biologice, au asemănări semnificative. În parte, acestea sunt asigurate de o origine comună sau de îndeplinirea unor funcții similare. În acest context, este necesar să se analizeze în detaliu modul în care se manifestă asemănările dintre mitocondrii și cloroplaste, deși la prima vedere aceste organite celulare au puțin în comun.
Mitocondriile
Mitocondriile sunt structuri celulare cu două membrane responsabile de alimentarea cu energie a nucleului și a organelor. Se găsesc în plante, ciuperci și animale. Ei sunt responsabili pentru aceasta, adică asimilarea finală a oxigenului, din care, ca urmare a transformării biochimice, se extrage energie pentru sinteza macroergilor. Acest lucru se realizează prin transferul de sarcină pe membrana mitocondrială și oxidarea enzimatică a glucozei.
Cloroplastele
Cloroplastele sunt organite celulare ale plantelor, unele bacterii fotosintetice și protiști. Acestea sunt structuri celulare cu două membrane în care glucoza este sintetizată folosind energia luminii solare. Acest proces este realizat prin transferul de energie fotonică și apariția reacțiilor enzimatice asociate cu transferul de sarcină prin membrană. Fotosinteza are ca rezultat utilizarea dioxidului de carbon, sinteza glucozei și eliberarea de oxigen molecular.
Asemănări între mitocondrii și cloroplaste
Cloroplastele și mitocondriile sunt organite celulare cu două membrane. Primul strat le protejează de citoplasma celulei, iar al doilea formează numeroase pliuri pe care au loc procesele de transfer al sarcinii. Principiul muncii lor este similar, dar direcționat în direcții diferite. În mitocondrii, enzimaticul apare utilizând oxigen, iar dioxidul de carbon acționează ca produse de reacție. Ca urmare a transformării, se sintetizează și energia.
La cloroplaste, se observă procesul opus - sinteza glucozei și eliberarea oxigenului din dioxidul de carbon cu consumul de energie luminoasă. Aceasta este o diferență fundamentală între aceste organite, dar diferă doar direcția procesului. Electrochimia sa este aproape identică, deși pentru acest lucru sunt folosiți intermediari diferiți.
De asemenea, puteți lua în considerare în detaliu modul în care se manifestă asemănările dintre mitocondrii și cloroplaste. Se află în autonomia organelor, deoarece acestea au chiar și propria moleculă de ADN care stochează coduri pentru proteine structurale și enzime. Ambele organite au propriul lor aparat autonom pentru biosinteza proteinelor, prin urmare cloroplastele și mitocondriile sunt capabile să-și asigure în mod independent enzimele necesare și să-și refacă structura.
rezumat
Principala similitudine dintre mitocondrii și cloroplaste este autonomia lor în interiorul celulei. Separate de citoplasmă printr-o membrană dublă și având propriul lor complex de enzime biosintetice, ele nu depind de celulă în nimic. De asemenea, au propriul lor set de gene și, prin urmare, pot fi considerate un organism viu separat. Există o teorie filogenetică conform căreia, în primele etape ale dezvoltării vieții unicelulare, mitocondriile și cloroplastele erau cele mai simple procariote.
Se spune că, într-o anumită perioadă, au fost absorbiți de o altă celulă. Datorită prezenței unei membrane separate, acestea nu au fost clivate, devenind un donator de energie pentru „gazdă”. În cursul evoluției, datorită schimbului de gene în organismele prenucleare, ADN-ul cloroplastelor și mitocondriilor a fost încorporat în genomul celulei gazdă. Din acel moment, celula însăși a reușit să asambleze aceste organite dacă nu au fost transferate la ea în timpul mitozei.