Лекция №2. ( 2 часа) 2 часть. Для студентов заочного отделения 2024 - 2025 учебного года с общим количеством часов - 10.
Содержание:
1. Энергетический обмен в клетке. 2. Гликолиз, его характеристика и значение. 3. Цикл Кребса. 4. Окислительное фосфорилирование. 5. Типы клеточного питания. 6. Хемосинтез. Разновидности хемосинтезирующих бактерий. 7. Фотосинтез. Фазы фотосинтеза и их характеристика. 8. Пластический обмен. 9. Генетический код. 10. Этапы матричного синтеза: транскрипция, сплайсинг, трансляция. 11. Виды РНК, их локализация, синтез и роль в клетке. 12. Синтез белка. 13. Регуляция трансляции и транскрипции в клетке и организме. 14. Деление клетки. Митоз. Фазы митоза. Роль митоза в жизни клетки и организма. 15. Деление клетки. Мейоз. Фазы мейоза. Роль мейоза в жизни клетки и организма. Сперматогенез и оогенез. 16. Характеристика процессов: конъюгация, кроссинговер и оплодотворение. 17. Виды оплодотворения у животных и растений.
1. Энергетический обмен в клетке.
Энергетический обмен — это совокупность химических реакций, которые происходят в клетках живых организмов для получения энергии.
Этапы энергетического обмена
- Подготовительный этап. Происходит в пищеварительной системе или лизосомах клеток. Крупные молекулы органических веществ (белки, жиры, углеводы) расщепляются на более мелкие молекулы — глюкозу, аминокислоты, жирные кислоты и нуклеотиды. Этот этап не сопровождается синтезом АТФ.
- Бескислородный (гликолиз, брожение). Происходит в цитоплазме клеток. Глюкоза расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК) или молочной кислоты. При этом образуется небольшое количество энергии (2–3 АТФ).
- Кислородный (дыхание). Происходит на мембранах митохондрий. ПВК поступает в митохондрии, где происходит её полное окисление до углекислого газа и воды. При этом выделяется большое количество энергии (36 АТФ).
Таким образом, энергетический обмен включает три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный. В результате энергетического обмена клетка получает энергию в виде АТФ, которая используется для всех процессов жизнедеятельности.
2. Гликолиз, его характеристика и значение.
Гликолиз — это процесс расщепления глюкозы, который происходит в цитоплазме клеток. Он является одним из основных путей получения энергии в живых организмах.
Характеристика гликолиза:
- Субстрат: глюкоза (C₆H₁₂O₆).
- Продукты: 2 молекулы пирувата (C₃H₄O₃), 2 молекулы АТФ (аденозинтрифосфата) и 2 молекулы НАДН (никотинамидадениндинуклеотид-H+).
- Ферменты: гликолиз катализируется рядом ферментов, которые последовательно превращают глюкозу в пируват.
- Локализация: происходит в цитоплазме клетки.
- Кислород: анаэробный процесс, то есть не требует кислорода для своего протекания.
Значение гликолиза:
- Получение энергии: гликолиз является основным источником энергии для клеток в условиях недостатка кислорода или при его отсутствии. Он позволяет клеткам получать небольшое количество АТФ, которое необходимо для поддержания жизнедеятельности.
- Анаэробные условия: гликолиз обеспечивает энергией клетки, находящиеся в анаэробных условиях, где кислород недоступен или его концентрация слишком мала для эффективного использования других путей получения энергии.
- Образование промежуточных продуктов: продукты гликолиза могут использоваться в дальнейшем для синтеза других важных соединений, таких как аминокислоты, нуклеотиды и другие метаболиты.
Таким образом, гликолиз играет важную роль в обеспечении клеток энергией в различных условиях и имеет большое значение для поддержания их жизнедеятельности.
3. Цикл Кребса.
Цикл Кребса, также известный как цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), представляет собой ключевой этап в процессе дыхания всех аэробных организмов. Этот процесс происходит в митохондриях и обеспечивает клетку энергией в виде АТФ.
Основные этапы цикла Кребса:
- Поступление ацетил-КоА: Ацетил-кофермент A (ацетил-CoA) вступает в цикл Кребса. Это соединение образуется из пирувата, который является продуктом гликолиза.
- Окисление ацетил-CoA: В ходе нескольких химических реакций ацетил-CoA окисляется, высвобождая электроны, которые затем используются в электрон-транспортной цепи для синтеза АТФ.
- Образование CO₂: В результате окисления ацетил-CoA образуются молекулы углекислого газа (CO₂), которые выводятся из организма.
- Синтез ГТФ: В процессе цикла также происходит синтез гуанозинтрифосфата (ГТФ), который может быть преобразован в АТФ, обеспечивая клетку дополнительной энергией.
- Восстановление коферментов: Некоторые реакции в цикле Кребса приводят к восстановлению коферментов, таких как НАД+ и ФАД, которые также играют важную роль в производстве энергии.
Цикл Кребса — это фундаментальный процесс, обеспечивающий клетку энергией, необходимой для её жизнедеятельности. Он играет ключевую роль в обмене веществ и дыхании всех аэробных клеток.
4. Окислительное фосфорилирование.
Окислительное фосфорилирование — это процесс, в ходе которого энергия, высвобождаемая при окислении органических веществ, используется для синтеза аденозинтрифосфата (АТФ) из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата. Этот процесс происходит в митохондриях клеток.
Основные этапы окислительного фосфорилирования.
Окислительное фосфорилирование является одним из основных процессов, обеспечивающих клетку энергией в виде АТФ.
5. Типы клеточного питания.
В природе существует два основных типа клеточного питания: автотрофное и гетеротрофное.
Автотрофы — это организмы, которые способны синтезировать органические вещества из неорганических, используя энергию света (фотоавтотрофы) или химических связей (хемоавтотрофы). К автотрофам относятся растения, некоторые бактерии и водоросли.
Гетеротрофы — это организмы, которые не способны синтезировать органические вещества самостоятельно и получают их из окружающей среды. К гетеротрофам относятся животные, грибы, большинство бактерий и некоторые другие организмы.
Таким образом, различие между автотрофами и гетеротрофами заключается в способе получения органических веществ, необходимых для роста и развития организма.
6. Хемосинтез. Разновидности хемосинтезирующих бактерий.
Хемосинтез — это процесс синтеза органических веществ из неорганических, который осуществляется некоторыми бактериями за счёт энергии химических реакций.
Разновидности хемосинтезирующих бактерий:
- Нитрифицирующие бактерии. Они окисляют аммиак до азотистой и азотной кислот, что способствует образованию нитратов в почве.
- Железобактерии. Эти бактерии используют энергию окисления железа для синтеза органических веществ. Они играют важную роль в образовании железных руд и обогащении почвы железом.
- Серобактерии. Они получают энергию путём окисления сероводорода или других соединений серы. Это приводит к образованию сульфатов, которые могут использоваться другими организмами.
- Водородные бактерии. Эти бактерии осуществляют хемосинтез за счёт окисления водорода. Они могут быть найдены в местах с высокой концентрацией водорода, например, в нефтяных скважинах.
- Метанообразующие бактерии. Они производят метан из углекислого газа и водорода. Эти бактерии играют важную роль в анаэробных условиях, таких как болота и пищеварительная система животных.
Эти бактерии имеют большое значение для экосистем, так как они способствуют круговороту веществ и энергии в природе.
7. Фотосинтез. Фазы фотосинтеза и их характеристика.
Фотосинтез — это процесс, в ходе которого растения, водоросли и некоторые бактерии преобразуют солнечную энергию в химическую энергию, запасаемую в виде органических соединений. Этот процесс обеспечивает основу для всей жизни на Земле, поскольку он производит кислород и органические вещества, необходимые для существования живых организмов.
Фазы фотосинтеза
Фотосинтез состоит из двух основных фаз: световой фазы и темновой фазы.
- Световая фаза происходит на мембранах тилакоидов хлоропластов. В этой фазе используются молекулы хлорофилла для поглощения света, что приводит к разделению воды на кислород, водород и электроны. Электроны перемещаются по цепи переноса электронов, создавая АТФ (аденозинтрифосфат) и НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфат).
- Темновая фаза протекает в строме хлоропласта и не требует света. В этой фазе углекислый газ (CO₂) преобразуется в глюкозу с использованием энергии, запасённой в световой фазе в форме АТФ и НАДФН. Это сложный процесс, включающий несколько этапов, включая цикл Кальвина.
Таким образом, обе фазы фотосинтеза важны для преобразования солнечной энергии в химическую, которая затем используется живыми организмами для поддержания жизни.
8. Пластический обмен.
Пластический обмен, или ассимиляция, — это совокупность биохимических процессов, в ходе которых происходит синтез сложных органических веществ из простых молекул-предшественников или из молекул веществ, поступивших из внешней среды.
Основные процессы пластического обмена:
- Фотосинтез — процесс, происходящий в клетках растений, водорослей и некоторых бактерий, при котором энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей органических веществ.
- Хемосинтез — способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ служат реакции окисления неорганических соединений.
- Биосинтез белка — сложный многостадийный процесс, в котором участвуют ДНК, мРНК, тРНК, рибосомы, ферменты и различные виды РНК. В результате этого процесса происходит сборка полипептидной цепи из аминокислот.
В ходе пластического обмена образуются сложные органические вещества, необходимые для построения клеток и обеспечения их жизнедеятельности. Эти вещества используются в качестве строительных блоков для роста и обновления тканей организма, а также для получения энергии в процессе энергетического обмена.
Таким образом, пластический обмен является одним из основных процессов жизнедеятельности организмов, обеспечивающих их рост, развитие и самовоспроизведение.
9. Генетический код.
Генетический код — это система, которая позволяет хранить и передавать информацию о структуре белков в живых организмах. Он представляет собой последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК, которые кодируют определённые аминокислоты.
Основные свойства генетического кода:
- Триплетность: каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов, который называется кодоном.
- Специфичность: каждый кодон соответствует только одной аминокислоте.
- Универсальность: генетический код одинаков для всех живых организмов на Земле.
- Избыточность (или вырожденность): некоторые аминокислоты могут кодироваться несколькими кодонами.
- Непрерывность и дискретность: информация считывается непрерывно, но передача информации происходит дискретно, с помощью отдельных кодонов.
- Полярность: считывание информации начинается с определённой точки (старт-кодона) и идёт в одном направлении.
- Колинеарность: последовательность аминокислот в белке соответствует последовательности кодонов в мРНК.
Таблица генетического кода
В таблице приведены основные кодоны, которые используются для начала и окончания синтеза белка. Остальные кодоны соответствуют определённым аминокислотам.
Таким образом, генетический код является важным инструментом для понимания процессов, происходящих в клетке, и имеет большое значение для изучения биологии и медицины.
10. Этапы матричного синтеза: транскрипция, сплайсинг, трансляция.
Матричный синтез — это процесс создания молекул РНК и белков на основе информации, закодированной в ДНК. Он включает в себя несколько этапов, которые обеспечивают точность и эффективность передачи генетической информации.
- Транскрипция — первый этап матричного синтеза, при котором происходит копирование участка ДНК в молекулу РНК. В ходе транскрипции фермент РНК-полимераза распознаёт участок ДНК, называемый промотором, и начинает синтез молекулы РНК, комплементарной одной из цепей ДНК. Процесс продолжается до тех пор, пока РНК-полимераза не достигнет терминатора — участка ДНК, сигнализирующего о завершении транскрипции.
- Сплайсинг — второй этап матричного синтеза, который происходит после транскрипции и представляет собой процесс удаления интронов (некодирующих участков) из молекулы РНК и соединения экзонов (кодирующих участков). Сплайсинг обеспечивает образование зрелой мРНК, которая может быть использована для синтеза белка.
- Трансляция — третий этап матричного синтеза, в ходе которого происходит перевод последовательности нуклеотидов в молекуле мРНК в последовательность аминокислот в белке. Трансляция осуществляется на рибосомах с участием тРНК и аминоацил-тРНК синтетаз. Рибосома считывает информацию с мРНК и последовательно присоединяет аминокислоты, образуя полипептидную цепь. Этот процесс продолжается до тех пор, пока рибосома не достигнет стоп-кодона на мРНК, что сигнализирует о завершении трансляции.
Таким образом, матричный синтез является сложным и многоэтапным процессом, обеспечивающим точную передачу генетической информации от ДНК к РНК и белкам.
11. Виды РНК, их локализация, синтез и роль в клетке.
РНК (рибонуклеиновая кислота) — это одноцепочечный полимер, который играет важную роль в синтезе белков. Существует несколько видов РНК:
- мРНК (матричная РНК)Локализация: ядро и цитоплазма.
Синтез: происходит в ядре клетки в процессе транскрипции, когда РНК-полимераза копирует участок ДНК в мРНК.
Роль: переносит информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам, где происходит синтез белка. - тРНК (транспортная РНК)Локализация: цитоплазма.
Синтез: образуется в ядрышке клетки.
Роль: доставляет аминокислоты к месту синтеза белка на рибосомах. - рРНК (рибосомная РНК)Локализация: рибосомы.
Синтез: также образуется в ядрышке.
Роль: является структурным компонентом рибосом и участвует в синтезе белка.
Все виды РНК играют важную роль в процессе синтеза белка, который называется трансляцией. Этот процесс включает в себя следующие этапы:
- Инициация: мРНК связывается с рибосомой, и первая тРНК с аминокислотой присоединяется к ней.
- Элонгация: рибосома движется вдоль мРНК, добавляя новые аминокислоты, соединённые с тРНК, в растущую полипептидную цепь.
- Терминация: когда рибосома достигает стоп-кодона на мРНК, синтез белка прекращается, и он отделяется от рибосомы.
12. Синтез белка.
Синтез белка — это сложный процесс, который происходит в клетках живых организмов и включает в себя несколько этапов.
1. Транскрипция
Первый этап синтеза белка называется транскрипцией. Он происходит в ядре клетки (у эукариот) или в цитоплазме (у прокариот). В ходе транскрипции информация о структуре белка, закодированная в ДНК, переписывается на матричную РНК (мРНК).
Процесс транскрипции можно представить в виде следующей схемы:
2. Трансляция.
Второй этап синтеза белка называется трансляцией. Он происходит на рибосомах, которые находятся в цитоплазме клетки. В ходе трансляции информация, записанная в мРНК, используется для сборки полипептидной цепи из аминокислот.
Процесс трансляции можно представить в виде следующей схемы:
Здесь:
Таким образом, в результате трансляции образуется полипептидная цепь, которая затем может сворачиваться и формировать трёхмерную структуру белка.
13. Регуляция трансляции и транскрипции в клетке и организме.
Транскрипция — это процесс, в ходе которого информация из ДНК переписывается в РНК. Трансляция — это перевод информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, то есть синтез белка на основе мРНК.
Регуляция транскрипции.
Регуляция транскрипции происходит на уровне промотора — участка ДНК, с которого начинается синтез РНК. В этом процессе участвуют регуляторные белки, которые могут связываться с определёнными последовательностями ДНК и влиять на активность генов.
- Репрессоры — белки, которые подавляют транскрипцию генов. Они связываются с оператором — участком ДНК, который регулирует работу гена.
- Активаторы — белки, которые усиливают транскрипцию генов. Они также связываются с регуляторными участками ДНК.
- Сигнальные молекулы — вещества, которые могут активировать или подавлять работу регуляторных белков. Они могут поступать извне клетки или синтезироваться внутри неё.
Регуляция трансляции.
Регуляция трансляции происходит после того, как мРНК уже синтезирована. Она может осуществляться на разных уровнях:
- Инициация трансляции — процесс, в котором рибосома присоединяется к мРНК и начинает синтез белка. На этом этапе могут действовать факторы инициации, которые регулируют присоединение рибосомы к мРНК.
- Элонгация трансляции — процесс удлинения полипептидной цепи. На этом этапе действуют факторы элонгации, которые обеспечивают продвижение рибосомы по мРНК и присоединение аминокислот к растущей цепи белка.
- Терминация трансляции — процесс остановки синтеза белка. Он происходит, когда рибосома достигает стоп-кодона на мРНК. На этом этапе действует фактор терминации, который вызывает отделение рибосомы от мРНК и освобождение синтезированного белка.
Таким образом, регуляция трансляции и транскрипции позволяет клетке адаптироваться к изменяющимся условиям среды и обеспечивать свои потребности в белках. Это важный механизм, который лежит в основе многих биологических процессов.
14. Деление клетки. Митоз. Фазы митоза. Роль митоза в жизни клетки и организма.
Митоз — это процесс деления клетки, который обеспечивает рост, развитие и регенерацию тканей организма. Он состоит из четырёх фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы.
Профаза.
В этой фазе происходит конденсация хромосом, ядерная оболочка распадается, и формируются нити веретена деления. Центриоли (если они есть) расходятся к полюсам клетки.
Метафаза.
Хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, образуя так называемую метафазную пластинку. Нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом.
Анафаза.
Центромеры разделяются, и хроматиды (теперь уже самостоятельные хромосомы) расходятся к противоположным полюсам клетки. Это самый короткий этап митоза.
Телофаза.
Вокруг хромосом образуются новые ядерные оболочки, и происходит деление цитоплазмы, в результате чего образуются две дочерние клетки с идентичным набором хромосом.
Роль митоза в жизни клетки и организма:
- Рост и развитие. Митоз обеспечивает увеличение количества клеток в организме, что необходимо для его роста и развития.
- Регенерация. Митоз играет важную роль в регенерации тканей, позволяя организму восстанавливать повреждённые или утраченные части тела.
- Бесполое размножение. Некоторые организмы могут размножаться путём митоза, производя генетически идентичные копии самих себя.
Таким образом, митоз является фундаментальным процессом, обеспечивающим жизнедеятельность всех живых организмов.
15. Деление клетки. Мейоз. Фазы мейоза. Роль мейоза в жизни клетки и организма. Сперматогенез и оогенез.
Мейоз — это особый вид деления эукариотической клетки, при котором из одной диплоидной клетки образуется четыре гаплоидных, путём уменьшения числа хромосом.
Фазы мейоза.
Мейоз состоит из двух последовательных делений: редукционного (первое деление) и эквационного (второе деление). Каждое из этих делений имеет свои фазы:
- Редукционное деление:Профаза I — самая продолжительная фаза, во время которой происходит конъюгация гомологичных хромосом (синапсис) и кроссинговер, обмен участками между гомологичными хромосомами.
Метафаза I — пары гомологичных хромосом выстраиваются по экватору веретена деления.
Анафаза I — к полюсам расходятся целые хромосомы, а не отдельные хроматиды, как в митозе.
Телофаза I — образуются две клетки с гаплоидным набором хромосом, но каждая хромосома состоит из двух хроматид. - Эквационное деление:Профаза II — очень короткая, так как отсутствует конъюгация и кроссинговер.
Метафаза II — хромосомы выстраиваются по экватору.
Анафаза II — хроматиды расходятся к разным полюсам.
Телофаза II — формируются четыре гаплоидные клетки.
Роль мейоза в жизни клетки и организма.
- Генетическое разнообразие. Мейоз обеспечивает генетическое разнообразие потомства за счёт кроссинговера и независимого распределения хромосом в анафазе I.
- Поддержание постоянства числа хромосом. В результате мейоза образуются гаметы с половинным набором хромосом, что обеспечивает сохранение постоянного числа хромосом в каждом поколении организмов.
Сперматогенез и оогенез.
Сперматогенез — процесс формирования мужских половых клеток (сперматозоидов), который происходит в семенных канальцах яичек. Он включает в себя следующие этапы:
- Размножение — сперматогонии делятся митозом.
- Рост — сперматоциты I порядка увеличиваются в размерах.
- Созревание — два последовательных деления мейозом, в результате которых образуются сперматиды.
- Формирование — сперматиды превращаются в сперматозоиды.
Оогенез — процесс образования женских половых клеток (яйцеклеток), который происходит в яичниках. Оогенез включает в себя:
- Размножение и рост — оогонии (предшественники яйцеклеток) делятся митотически, затем превращаются в ооциты I порядка.
- Созревание — ооцит I порядка проходит первое деление мейоза, образуя ооцит II порядка и первое полярное тельце. Затем ооцит II порядка делится ещё раз, образуя яйцеклетку и второе полярное тельце.
16. Характеристика процессов: конъюгация, кроссинговер и оплодотворение.
Конъюгация — это процесс обмена генетическим материалом между двумя бактериальными клетками через специальный половой фактор. В результате этого процесса образуются новые комбинации генов, что способствует генетическому разнообразию бактерий.
Кроссинговер — это обмен участками гомологичных хромосом в процессе мейоза, который приводит к образованию новых комбинаций генов. Это происходит в профазе I мейоза и является важным механизмом генетической рекомбинации.
Оплодотворение — это слияние мужской и женской половых клеток (сперматозоида и яйцеклетки) с образованием зиготы. Этот процесс обеспечивает передачу генетического материала от родителей к потомству и создаёт генетическое разнообразие за счёт случайного объединения родительских генов.
Таким образом, каждый из этих процессов играет важную роль в генетическом разнообразии и эволюции живых организмов.
17. Виды оплодотворения у животных и растений.
Оплодотворение — это процесс слияния мужской и женской половых клеток, в результате которого образуется зигота. Оплодотворение может быть внешним или внутренним.
Внешнее оплодотворение.
При внешнем оплодотворении слияние гамет происходит вне тела самки. Этот вид оплодотворения характерен для водных организмов, таких как рыбы, земноводные и некоторые виды беспозвоночных. Например, у рыб самка выпускает икру в воду, а самец одновременно выпускает сперму, что приводит к оплодотворению.
Внутреннее оплодотворение.
При внутреннем оплодотворении мужская половая клетка (сперматозоид) попадает внутрь женского организма, где происходит их слияние. Такой тип оплодотворения встречается у наземных позвоночных, включая млекопитающих и птиц. У млекопитающих, например, сперматозоиды попадают в яйцеклетку внутри женского репродуктивного тракта.
Процесс двойного оплодотворения у растений.
У растений также существует особый тип оплодотворения, называемый двойным оплодотворением. Он характерен для цветковых растений. Двойное оплодотворение включает в себя два независимых процесса:
- Первый процесс — это слияние одного спермия с яйцеклеткой, образуя зиготу, которая впоследствии развивается в зародыш семени.
- Второй процесс — слияние второго спермия с центральной клеткой зародышевого мешка, формируя эндосперм, который служит источником питательных веществ для развивающегося зародыша.
Этот процесс был открыт Сергеем Навашиным и имеет большое значение для размножения цветковых растений, обеспечивая высокую эффективность оплодотворения и формирование жизнеспособных семян.
Таким образом, изучение клеточного уровня организации живой материи подразумевает раскрытие таких процессов, как: обмен веществ, биосинтез белка, пластический и энергетический обмены, хемосинтез, деление клетки, митоз, мейоз и другие.