Головна
Cоціологія || Гуманітарні науки || Мистецтво та мистецтвознавство || Історія || Медицина || Науки про Землю || Політологія || Право || Психологія || Навчальний процес || Філософія || Езотерика || Екологія || Економіка || Мови та мовознавство
ГоловнаМедицина → Нервова система: анатомія, фізіологія, Нейрофармакология
  ЗМІСТ   »»

ОБМІН РЕЧОВИН І ЕНЕРГІЇ В КЛІТИНІ. КЛІТИННИЙ ЦИКЛ. ПОНЯТТЯ ПРО ТКАНИНАХ

В результаті вивчення даного розділу студенти повинні: знати

вміти

Обмін речовин і енергії в клітині

Метаболізм. Харчування клітини. Будь-яка клітина постійно здійснює складні, різноманітні, але прекрасно скоординовані реакції перетворення речовин. Одні реакції спрямовані на виготовлення необхідних для нормальної життєдіяльності молекул {Пластичний обмін), а інші реакції, навпаки, супроводжуються розпадом харчових і допоміжних матеріалів для отримання енергії {Енергетичний обмін).

Отримувані з їжею білки, жири, вуглеводи, вітаміни і мікроелементи використовуються клітинами для синтезу необхідних їм речовин і побудови клітинних структур. Ці процеси протікають з витратою енергії. Сукупність реакцій біосинтезу речовин і їх подальшого складання в більші структури називається асиміляцією, або анаболизмом.

Переважна кількість реакцій пластичного обміну вимагає витрат енергії. Цю енергію клітини отримують за рахунок розпаду органічних речовин, які або надходять ззовні з їжею, або беруться з «запасів» клітини. При розпаді цих молекул виділяється енергія, частина якої розсіюється у вигляді тепла, а частина - запасається у вигляді молекул АТФ. При необхідності АТФ використовується для покриття енергетичних витрат клітини, в тому числі для забезпечення процесів асиміляції. Сукупність реакцій розпаду речовин, що супроводжуються виділенням і запасанием енергії, називається диссимиляцией, або катаболизмом.

Анаболизм і катаболізм - протилежні процеси: в першому випадку відбувається утворення речовин, на що витрачається енергія, а в другому - розпад речовин з виділенням і запасанием енергії. Анаболизм і катаболізм взаємопов'язані і завжди строго скоординовані і збалансовані. Порушення цього балансу призводить до розвитку захворювань або навіть загибелі, як окремих клітин, так і всього організму. Сукупність реакцій анаболізму і катаболізму, що протікають в клітині, називається метаболізмом, або обміном речовин.

Реакції метаболізму в живій клітині протікають при помірних температурах, нормальному тиску і незначних коливаннях кислотності. При таких умовах поза живих організмів ці реакції або взагалі не могли б здійснюватися, або протікали б дуже повільно. Однак в живих організмах вони протікають дуже швидко, що обумовлюється участю в них ферментів - особливих білкових каталізаторів. Так як активність ферментів дуже висока, то для підтримки нормальної швидкості метаболічних процесів потрібна незначна кількість кожного ферменту. Але ферменти діють вибірково, і клітці необхідно проводити дуже багато видів ферментів.

Всі тварини організми па Землі отримують речовини для пластичного і енергетичного обміну ззовні. Процес надходження цих речовин в клітку називається харчуванням. Одноклітинні організми самі поглинають харчові речовини, самі їх перетравлюють і самі використовують харчові молекули в різних реакціях внутрішньоклітинного обміну речовин. У багатоклітинних організмах з'їдена їжа найчастіше перетравлюється (руйнується за допомогою комплексу ферментів) в спеціально призначених для цього органах травлення, а потім з потоком крові органічні і неорганічні харчові речовини надходять до кожної клітини для засвоєння. Після перетравлення білки надходять до клітин у вигляді окремих амінокислот, вуглеводи - у вигляді моносахаридів (глюкози, фруктози), жири - у вигляді гліцерину і жирних кислот, неорганічні молекули - в розчиненому вигляді.

За рахунок енергії зруйнованих хімічних зв'язків органічних речовин спочатку синтезується універсальний для всіх живих істот джерело енергії - АТФ, який після цього витрачається на покриття енергетичних витрат.

Енергетичний обмін. АТФ синтезується в результаті реакції фосфорилювання - приєднання ще одного залишку фосфорної кислоти до молекули АДФ:

На приєднання третього фосфату до молекули АДФ витрачається 40 кДж енергії, яка зберігається в клітці у вигляді хімічного зв'язку. Такий зв'язок називається макроергічним. Якщо клітці потрібно енергія, то за рахунок розриву макроергічних зв'язку клітина отримає назад приблизно 40 кДж енергії.

Енергія для синтезу АТФ з АДФ виділяється в результаті дисиміляції, т. Е. Розщеплювання органічних речовин в клітині. Дисиміляція може проходити в два або три етапи в залежності від специфіки організму та умов його проживання (рис. 2.1).

Схема процесів енергетичного обміну

Мал. 2.1. Схема процесів енергетичного обміну

Більшість живих організмів, що мешкають на Землі, є аеробами. аероби використовують в обміні речовин кисень, що надходить з навколишнього середовища. Енергетичний обмін у аеробів протікає в три стадії: підготовча, бескислородная, киснева. У анаеробів - організмів, котрі мають потреби в кисні, а також у аеробів при дефіциті кисню енергетичний обмін відбувається в дві стадії: підготовча і бескислородная.

підготовча стадія полягає в розщепленні великих органічних молекул до більш простих: білків - до амінокислот, ліпідів - до гліцерину і жирних кислот, полісахаридів - до моносахаридів. У клітці деградація органічних речовин відбувається в фаголізосомах під дією цілого ряду лізосомальнихферментів. При цьому виділяється відносно мало енергії, що не запасається у вигляді АТФ, а розсіюється у вигляді тепла. Утворені амінокислоти, жирні кислоти і моносахариди можуть використовуватися клітиною для пластичного обміну, а також для подальшого розщеплення з метою отримання енергії.

безкиснева стадія енергетичного обміну є ферментативне розщеплення речовин, отриманих в ході підготовчої стадії. У цих реакціях кисень участі не бере. Ми розглянемо деталі другій стадії на прикладі гліколізу - безкисневого розщеплення глюкози.

гліколіз являє собою багатоступінчастий процес. Молекула глюкози, в складі якої шість атомів вуглецю (С6Н12Проб), Розщеплюється в ході гліколізу до двох молекул піровиноградної кислоти (ПВК), що містить три атома вуглецю (С3Н403). Реакції проходять в цитоплазмі клітин і катализируются комплексом ферментів. При подібному розщепленні 1 моля глюкози виділяється 200 кДж енергії, проте 60% її розсіюється у вигляді тепла. Решта 40% енергії використовується для синтезу двох молекул АТФ. ПВК в тваринних клітинах, а також в клітинах багатьох мікроорганізмів і грибів далі перетворюється в лактат - молочну киць- лоту (С3П603):

Таким чином, в результаті безкисневого ферментативного розщеплення глюкоза розпадається не до кінцевих продуктів (С02 і Н20), а до проміжних, ще багатих енергією, з'єднань. Тому в аеробних організмах після гліколізу відбувається третя, завершальна, стадія енергетичного обміну.

третя стадія енергетичного обміну є повне кисневе розщеплення, зване клітинному диханням. Органічні сполуки, що утворилися в ході другої стадії і містять запаси хімічної енергії, окислюються до С02 і Н20 - кінцевих продуктів. Цей процес також є багатостадійним, але, на відміну від гліколізу, відбувається в мітохондріях, а не в цитоплазмі. З двох молекул молочної кислоти, що утворилися на другій стадії енергетичного обміну (т. Е. З однієї молекули глюкози), в результаті повного кисневого розщеплення синтезуються 36 молекул АТФ:

Дві молекули АТФ, крім того, утворюються в ході безкисневого розщеплення.

Таким чином, енергетичний обмін клітини в разі розпаду глюкози сумарно можна представити у вигляді такої реакції:

Для енергетичного обміну більшість клітин використовує вуглеводи, але для цих цілей потенційно може бути використано і окислення ліпідів, і окислення білків. Але амінокислоти, які утворюються при перетравленні білків їжі, потрібні клітці для синтезу власних білків. Тому білки і амінокислоти, що надійшли з їжею, рідко витрачаються на отримання енергії, а основним «паливом» є вуглеводи і жири.

Пластичний обмін. Синтез білків в клітині. Генетичний код. Транскрипція. Трансляція. Найважливішим елементом пластичного обміну в клітині є синтез білків. Білки виконують в клітині і організмі безліч функцій, і тому їх синтез йде безперервно. Більшість білків існує в клітці нетривалий час: в організмі людини за добу розпадається близько 0,5 кг білків, стільки ж білків синтезується заново.

Кожен вид живих істот характеризується власним, строго певним набором білків. Хоча деякі білки і виконують одну й ту ж функцію, їх набір визначає унікальність кожного виду. Білкові молекули в різних організмах можуть бути близькими за складом і навіть повністю однаковими.

Однак, всі особини одного виду хоч трохи, але відрізняються один від одного. Наприклад, всі люди схожі, але немає двох абсолютно однакових людей. Персональна неповторність забезпечується певними відмінностями в структурі білків.

Властивості білків визначаються, перш за все, послідовністю амінокислот в молекулі, т. Е. Первинною структурою білка. Інформація про первинну структуру білка кодується в нуклеотидної послідовності в молекулах ДНК. Таким чином, в ДНК міститься інформація про будову і функції як кожної окремої клітини, так і організму в цілому. Ділянка ДНК, що кодує первинну структуру одного білка, називається геном.

Кожній амінокислоті білка в молекулі ДНК відповідає послідовність з трьох один за одним розташованих нуклеотидів, які утворюють триплет, або кодон. На сьогоднішній день виявлено, які триплети в складі ДНК кодують кожну з 20 амінокислот, що входять до складу білків.

До складу ДНК можуть входити чотири азотистих підстави: аденін (А), гуанін (Г), тимін (Т) і цитозин (Ц). Число триплетів, які можуть бути складені з поєднань чотирьох азотистих основ, так само 64 (43). Таким чином, принципово ДНК могла б кодувати 64 амінокислоти. Разом з гем, встановлено, що всього кодується тільки 20 амінокислот. Пояснюється це тим, що багатьом амінокислотам відповідає не один, а кілька кодонів (табл. 2.1). Дана характеристика генетичного коду називається виродження. Вона забезпечує надійність зберігання і передачі генетичної інформації при діленні клітин. Наприклад, амінокислоті аланину відповідають чотири кодону - ЦГТ, ЦДА, ЦГГ, ЦГЦ. Випадкова заміна в третьому нуклеотиде кодону не зможе привести до змін в структурі білка - це все одно буде кодон аланина (див. Табл. 2.1).

Таблиця 2.1

генетичний код

перше

підставу

друга підстава

третє

підставу

У (Л)

Ц (0

А (Т)

Г (Ц)

У (А)

Фен / F

Фен / F

Лей / L

Лей / L

Cep / S

Cep / S

Cep / S

Cep / S

Тир / Y

Тир / Y

  • стоп
  • стоп

Цис / С цис / С - стоп Три / W

У (A)

Ц (Г)

A (T) Г (Ц)

Ц (Г)

Лей / L

Лей / L

Лей / L

Лей / L

Іро / Р

Про / Р

Про / P

Про / P

Гіс / Н

Гіс / Н

Глн / Про

Глн / Q

Apr / R

Apr / R

Арг / R

Apr / R

У (А) Ц (Г) А (Т) Г (Ц)

А (Т)

Ілі / 1

Ілі / 1

Ілі / 1

Мет / М старт

Тре / Т

Тре / Т

Тре / Т

Тре / Т

Ach / N

Ach / N

Ліз / К

Ліз / К

Cep / S

Cep / S

Apr / R

Apr / R

У (А) U (0 А (Т) Г (Д)

перше

підставу

друга підстава

третє

підставу

У (Л)

Ц (Г)

А (Т)

Г (Ц)

Г (Ц)

Вал / V

Вал / V

Вал / V

Вал / V

Ала / А Ала / А Ала / А Ала / А

Acn / D

Acn / D

Гли / Е

Гли / Е

Гли / G

Гли / G

Гли / G

Гли / G

У (А) Ц (Г) А (Т) Г (Ц)

Примітка. Перший нуклеотид триплета беруть з лівого вертикального ряду, другий - з горизонтального ряду, третій - з правого вертикального;

У - урацил, А - аденін, Ц - цитозин, Г - гуанін, Т - тимін (в дужках - нуклеотид в складі ДНК, поза дужками - комплементарний йому нуклеотид в складі мРНК);

старт - старт-кодон (з нього ініціюється трансляція, т. е. починається синтез білка); стоп - стоп-кодони (на них трансляція припиняється);

амінокислоти (трибуквених російська номенклатура / однобуквеним англійська номенклатура): Феї / F - фенілаланін; Лей / L - лейцин; Ілі / 1 - ізолейцин; Мет / М - метіонін; Вал / V - валін; Cep / S - серин; Про / Р - пролін; Тре / Т - треонін; Ала / А - аланін; Тир / Y - тирозин; Гіс / Н - гістидин; Глн / Q - глутамин; АСН / N - аспарагін; Ліз / К - лізин; Acn / D - аспарагінова кислота; Гли / Е - глутамінова кислота; Цис / С - цистеїн; Три / W - триптофан; Apr / R - аргінін; Гли / G - гліцин

Ще одна властивість генетичного коду - його однозначність (специфічність). Це пов'язано з тим, що кожен триплет (кодон) визначає тільки одну амінокислоту. Так, триплет УУУ означає, що в молекулі білка буде тільки амінокислота фенілаланін. ДНК нс містить нуклеотидів, що не входять до складу будь-яких кодонів, це властивість отримало назву безперервності коду.

Молекула ДНК містить багато сотень генів, при цьому в її склад обов'язково включені особливі триплети, що позначають початок або кінець того чи іншого гена, м е виконують функцію «знаків пунктуації».

Генетичний код універсальний для всіх живих організмів, що свідчить про наявність у всіх живих істот на Землі єдиного предка.

У той час як носієм інформації про первинну структуру білків є ДНК, локалізована в клітинному ядрі, процес синтезу білка протікає в цитоплазмі, а конкретно - на рибосомах. У цитоплазму інформація про структуру білка надходить з ядра у вигляді матричної РНК (мРНК) (рис. 2.2).

При синтезі мРНК ділянку двухценочечной ДНК деспирализо, а потім на одній з ланцюжків ДНК відбувається синтез молекули мРНК за принципом комплементарності. Навпаки А молекули ДНК - У молекули РНК (замість тиміну (Т) РНК несе урацил, або У), проти Т молекули ДНК - А молекули РНК, проти Г молекули ДНК стає Ц молекули РНК і проти Ц молекули ДНК - Г молекули РНК. В результаті синтезується одна ланцюжок мРНК, яка представляє собою копію другий (нематрічной) ланцюжка ДНК, але з однією відмінністю - урацил включений замість тиміну. Завдяки такому механізму інформація про амінокислотної послідовності білка перекладається з «мови ДНК» на «мову РНК». Цей процес отримав назву транскрипції (Рис. 2.3).

Схема синтезу мРНК. транскрипція

Мал. 2.2. Схема синтезу мРНК. транскрипція

Схема процесів синтезу білка

Мал. 23. Схема процесів синтезу білка:

а - транскрипція; б - трансляція

У клітині мРНК синтезується в ядрі, утворює комплекси з особливими ядерними білками і через нори в мембрані ядра переноситься в цитоплазму. У цитоплазмі повинен бути присутнім повний набір необхідних амінокислот. Велика частина амінокислот надходить в організм з травної системи, де вони з'являються в результаті розщеплювання білків, що надходять з їжею. Крім цього, деякі амінокислоти синтезуються в самому організмі. Для того щоб потрапити в рибосому і брати участь в синтезі білка, будь-яка амінокислота повинна прикріпитися до спеціальної транспортної РНК (тРНК).

«Збірка» первинному ланцюзі білка з окремих амінокислот здійснюється на рибосомах, які найчастіше розташовані на гранулярной ЕПР. Даний процес носить назву трансляції. Суть трансляції - переклад послідовності нуклеотидів молекули мРНК в послідовність амінокислот молекули білка (рис. 2.4).

Схема процесу трансляції

Мал. 2.4. Схема процесу трансляції:

А - адснін; Г - гуанін; У - урацил; Ц - цитозин

Рибосома взаємодіє з тим кінцем мРНК, з якого має розпочатися синтез білка, і починає рухатися по ланцюжку мРНК, затримуючись на кожному її ділянці, що включає в себе два кодони (3 + 3 = 6 нуклеотидів). Час такої затримки - 0,2 с. За цей час молекула тРНК, антикодон якої комплементарний кодону, що знаходиться в рибосомі, встигає розпізнати його. Амінокислота, яка була пов'язана з цією тРНК, відділяється від «носія» і за допомогою пептидного зв'язку приєднується до зростаючого ланцюжка білка. Одночасно до рибосоми підходить наступна тРНК, антикодон якої комплементарний наступного триплети в мРНК,

і наступна амінокислота, доставлена цієї тРНК, включається до складу зростаючої білкової ланцюжка. Рибосома після цього зсувається по мРНК, зупиняється на наступній ділянці, і весь процес повторюється заново. Нарешті, рибосома досягає одного з стоп-кодонів (УАА, УАГ або УГА) і синтез білка завершується. Всі описувані реакції йдуть дуже швидко. Підраховано, що на синтез досить великої молекули білка необхідно витратити всього близько 2 хв.

Однак клітці потрібна не одна, а багато молекул кожного різновиду білка. Тому, як тільки рибосома, першої почала синтезувати білок, просувається вперед по молекулі мРНК, на цю ж мРНК нанизується друга рибосома і починає синтез такого ж білка. Так само може бути нанизана на мРНК і третя, і четверта рибосома, і т. Д. Група рибосом, одночасно синтезують білок на одній молекулі мРНК, називають полисомой. Звільнена після закінчення синтезу білка рибосома може зв'язатися з іншою молекулою мРНК і почати синтез іншого білка, інформація про структуру якого закодована в цій молекулі мРНК. Таким чином, послідовність амінокислот в первинну структуру білка не залежить від рибосом, а визначається тільки послідовністю нуклеотидів мРНК.

  1. Організація фізіотерапевтичної допомоги в лікувальних установах, лікувальні фізичні фактори - сестринський догляд в фізіотерапевтичної практиці
    Фізіотерапія - галузь медицини, що вивчає дію на організм природних і штучно створюваних фізичних факторів, що застосовуються для лікування хворих, профілактики захворювань та медичної реабілітації. Предметом вивчення фізіотерапії є лікувальні фізичні фактори. Об'єктом вивчення фізіотерапії
  2. Органи ротової порожнини - цитологія, гістологія і ембріологія
    Органи ротової порожнини (губи, ясна, щоки, тверде і м'яке піднебіння, мигдалини, мова з смаковими сосочками, слинні залози і зуби) аналізують смак корму, роздрібнюють, зволожують його, слиною і переміщують в глотку. У ротовій порожнині розрізняють щелевидное переддень і власне ротову порожнину,
  3. Орган дотику - цитологія, гістологія і ембріологія
    Орган дотику - це периферична частина шкірного (тактильного) аналізатора, що сприймає різні роздратування: контактні і дистантних (біль), температурні (тепло, холод). Почуття болю виникає в нервових клітинах кори головного мозку, зокрема в тім'яних долях, куди доходять больові сигнали по нервових
  4. Онтогенез як процес реалізації спадкової інформації, фенотип організму. Роль спадковості і середовища у формуванні фенотипу - біологія. Частина 1
    онтогенез, або індивідуальний розвиток організму, здійснюється на основі спадкової програми, одержуваної через які вступили в запліднення статеві клітини батьків. При безстатевому розмноженні ця програма укладена в неспеціалізованих клітинах єдиного батька, що дає потомство. В ході реалізації
  5. Олігосахариди - біохімія людини
    (Від грец. «Oligos» - малий, нечисленний) - з'єднання, молекули яких побудовані з моносахаридів, що з'єднуються ефірними кисло род-Глікозидний зв'язками, причому число залишків моносахаридів в молекулах олігосахаридів не перевищує 10. Утворюються в реакції етерифікації з відщепленням води
  6. Окислювальне декарбоксилювання пірувату (ОДП) - біохімія
    Піруват, що утворився в цитоплазмі клітини, надходить в мітохондрії, де він перетворюється в ацетил-КоА і С0 2 , при дії сложноорганізованного мультиферментного піруватдегідрогеназного комплексу (ПД-комп лскс). До складу ПД-комплексу (табл. 19.1) входять три складних ферменту, ко ферменти
  7. Одночасне спадкування декількох ознак. Незалежне і зчеплене успадкування - біологія. Частина 1
    Раніше були розглянуті характерні риси фенотипічного прояву і успадкування окремих ознак. Однак фенотип організму являє собою сукупність багатьох властивостей, за формування яких відповідають різні гени. Так як загальне число генів у генотипі значно більше числа хромосом, кожна хромосома містить
  8. Обмін води і мінеральних речовин, питання і завдання для самоконтролю - вікова анатомія і фізіологія. Т.2 опорно-рухова і вісцеральні системи
    Вода і мінеральні солі не є джерелами енергії, але їх нормальне надходження і виведення з організму є умовою його нормальної життєдіяльності. Вони створюють внутрішнє середовище організму, будучи основною складовою частиною плазми крові, лімфи і тканинної рідини. Всі перетворення речовин в
© 2014-2021  ibib.ltd.ua