Органические вещества клеток и их функции.

Белкии их функции. Белки занимают первое место как по количеству, так и по значению.

Строительная функциябелков заключается в том, что они участвуют в образовании всех клеточных мембран в органоидах клетки, а также внеклеточных структур.

Каталитическая функция(от греч. katalysis — разрушение). Все биологические катализаторы (ферменты) - вещества белковой природы. Они ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз. Фермент катализирует только одну реакцию, т.е. он узкоспецифичен.

Двигательная функцияобеспечивается сократительными белками, которые участвуют во всех видах движения клетки.

Транспортная функциябелков заключается в присоединении химических элементов (например, кислорода) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к различным тканям и органам тела.

При поступлении в организм чужеродных белков или микроорганизмов в белых кровяных тельцах — лейкоцитах — образуются особые белки — антитела. Они связывают и обезвреживают несвойственные организму вещества. В этом выражается защитная функция белков.

Белки служат и одним из источников энергии в клетке, т.е. выполняют энергетическую функцию.

Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Например, целлюлоза образует стенки растительных клеток; сложный полисахарид хитин — главный структурный компонент наружного скелета членистоногих. Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке. Крахмал у растений и гликоген у животных, откладываясь в клетках, служат энергетическим резервом. Углеводы также участвуют в обезвреживании и выведении из организма ядовитых веществ.

Липиды - это нейтральные жиры, воск, фосфолипиды. Одна из основных функций жиров — энергетическая. Содержание жира в клетке составляет 5— 15 % массы сухого вещества. В клетках жировой ткани количество жира возрастает до 90%. Накапливаясь в клетках жировой ткани животных, в семенах и плодах растений, жир служит запасным источником энергии.

Липиды и липоиды выполняют и строительную функцию: они входят в состав клеточных мембран. Вследствие плохой теплопроводности жир способен выполнять теплоизолирующую функцию. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани, которая у китов образует слой толщиной до 1 м.

Нуклеиновые кислоты – это молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и РНК (рибонуклеиновой кислоты), основными функциями которых являются запись, хранение и воспроизведение наследственной информации.

Клетки животных и растений значительно различаются по форме, размерам и внутреннему строению. Однако у тех и других есть сходство в главных чертах процессов жизнедеятельности, обмене веществ, в раздражимости, росте, развитии, способности к изменчивости.

Клетки всех типов содержат два основных компонента, тесно связанных между собой, — цитоплазму и ядро (рис. 3).

Рис. 3 Строение клетки (снимок электронного микроскопа).

Клеточное ядро - это важнейшая часть клетки. Оно есть почти во всех клетках многоклеточных организмов. Клеточное ядро содержит ДНК- вещество наследственности, в котором зашифрованы все свойства клетки. Поэтому ядро необходимо для осуществления двух важнейших функций. Во-первых, это деление, при котором образуются новые клетки, во всём подобные материнской. Во-вторых, ядро регулирует все процессы белкового синтеза, обмена веществ и энергии, идущие в клетке. Ядроклетки играет основную роль в ее жизнедеятельности, с его удалением клетка прекращает свои функции и гибнет. От цитоплазмы ядро отделено оболочкой, состоящей из двух мембран.

Цитоплазма – это коллоидное вещество, которое заполняет всю клетку. Цитоплазма состоит на 85 % из воды, на 10 % — из белков, остальной объем приходится на долю липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и минеральных соединений; все эти вещества образуют коллоидный раствор, близкий по консистенции глицерину. Движение цитоплазмы осуществляется непрерывно и способствует перемещению питательных веществ и воздуха внутри клетки.

Цитоплазма пронизана канальцами различной формы и величины. Их стенки представляют собой мембраны, тесно контактирующие со всеми органоидами клетки и составляющие вместе с ними единую функционально-структурную систему для осуществления обмена веществ и энергии и перемещения веществ внутри клетки.

В клетках всех живых организмов происходит интенсивное обновление веществ и структур. Из окружающей среды клетка получает вещества, которые подвергаются различным превращениям и затем из них синтезируются органические соединения, необходимые для построения структур клетки. Продукты разложения из клетки выводятся также во внешнюю среду.

В клетке осуществляется пластический и энергетический обмен веществ.

Пластический обмен (или ассимиляция) – это совокупность реакций синтеза органических молекул, идущих на построение тела клетки.

Разновидности пластического обмена – биосинтез белков (у животных и человека), фотосинтез и хемосинтез (в основном у растений).

- Биосинтез белков. Любая клетка организма способна синтезировать свои белки. Эта способность передается из поколения в поколение.

Информация о структуре белков содержится в ДНК. Один из участков молекулы ДНК, который содержит информацию о первичной структуре конкретного белка, называется геном.

Синтез белка начинается с транскрипции – процесса списания информации о структуре белка с участием ДНК(гена) на информационную молекулу РНК, которая выполняет транспортную роль: переносит информацию, а также захватывает необходимые аминокислоты и переносит все это к рибосомам цитоплазмы, где и происходит биосинтез белка.

Если этот процесс нарушается (изменения в окружающей среде, заболевания, канцерогены), часть информации может не списаться (исказиться) или затеряться. В результате ген будет построен не как копия, а измененным (искаженным). Это называется мутацией (от лат. mutatio - изменение, перемена) – т.е. качественные, внезапно появляющиеся изменения генов, передаваемые далее из поколения в поколение. Процесс возникновения мутаций получил название мутагенеза.

- Фотосинтез – это процесс синтеза (построения) органических соединений (глюкоза) из неорганических при помощи солнечного света. Фотосинтез делает энергию Солнца и углерод доступными для живых организмов:

6СО₂ + 6Н₂О + солнечный свет (энергия) → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Для осуществления фотосинтеза необходим хлорофилл – вещество зеленого цвета, поглощающее солнечные лучи.

- Хемосинтез – это синтез органических соединений из неорганических при помощи химической энергии, которая выделяется в реакциях окисления неорганических веществ. Процесс хемосинтеза протекает без участия хлорофилла, для его осуществления необязательно наличие света. Хемосинтез осуществляют некоторые группы бактерий – нитрифицирующие, железобактерии, серобактерии, которые играют важную роль в круговороте веществ.

Энергетический обмен. Процессом, противоположным биосинтезу, является диссимиляция, или катаболизм — совокупность реакций расщепления. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют еще энергетическим обменом клетки.

Химическая энергия питательных веществ заключена в различных ковалентных связях между атомами в молекуле органических соединений. Например, при разрыве пептидных связей освобождается около 12 кДж/моль. В глюкозе количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О, составляет 2800 кДж/моль (т. е. на 180 г глюкозы). При расщеплении глюкозы энергия выделяется поэтапно при участии ряда ферментов согласно итоговому уравнению:

С₆Н₁₂0₆ + 60₂ → 6Н₂0 + 6С0₂ + 2800 кДж

Этапы энергетического обмена. Энергетический обмен обычно делят на три этапа, каждый из которых осуществляется при участии специальных ферментов.

Первый этап — подготовительный. На этом этапе в пищеварительном тракте молекулы ди- и полисахаридов, жиров, белков распадаются на мелкие молекулы — глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, крупные молекулы нуклеиновых кислот — на нуклеотиды. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.

Второй этап — бескислородный, или неполный. Он называется также анаэробным дыханием, или брожением. Термин «брожение» обычно применяют по отношению к процессам, протекающим в клетках микроорганизмов или растений. Образующиеся на этом этапе вещества при участии ферментов подвергаются дальнейшему расщеплению. Например, в мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы пировиноградной кислоты, которые затем восстанавливаются в молочную кислоту (С₃Н₆0₃). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АТФ. В суммарном виде этот процесс выглядит так:

С₆Н₁₂О₆ + 3Н₃РО₄ + 2АДФ → 2С₃Н₆О₃ + 2АТФ + 2Н₂O

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение).

С₆Н₁₂O₆ + 2Н₃РO₄ + АДФ → 2С₂Н₅OН + 2СO₂ + 2АТФ + 2Н₂O

У других микроорганизмов расщепление глюкозы — гликолиз — может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и др. Во всех случаях распад одной молекулы сопровождается образованием двух молекул АТФ. В ходе бескислородного расщепления глюкозы в виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40% энергии, а остальная рассеивается в виде теплоты.

Третий этап энергетического обмена — стадия кислородного расщепления, или аэробного дыхания. При доступе кислорода к клетке образовавшиеся во время предыдущего этапа вещества окисляются до конечных продуктов — Н₂О и СО₂. Кислородное дыхание сопровождается выделением большого количества энергии и аккумуляцией ее в молекулах АТФ. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так:

2С₃Н₆0₃ + 60, + 36Н₃Р0₄ + 36АДФ → 6С0₂ + 6Н₂0 + 36АТФ + 36Н₂0

Таким образом, при окислении двух молекул молочной кислоты образуется 36 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.

Совокупность процессов ассимиляции (пластического обмена) и диссимиляции (энергетического обмена), в результате которых реализуется связь клетки с окружающей средой, называется обменом веществ, или метаболизмом:

ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН + ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН = МЕТАБОЛИЗМ

У представителей неклеточных форм организации живого (вирусыи бактериофаги(фаги)), строение которых крайне упрощено (состоят из ДНКлибо РНК и белкового футляра), функции обмена веществ и размножения осуществляются только внутри клеток другого организма: у вирусов — внутри клеток растений и животных, у фагов — в бактериальных клетках.

Внеклточную форму живого вещества представляют внрусы, открытые в 1892 г. Д.И.Ивановским (1864 -1920).

Они неспособны к самостоятельному существованию и развиваются в клетках других живых организмов: бактерий, растений, животных, включая человека. В биосфере вирусы выполняют особую функцию. Они вызывают тяжелые заболевания живых организмов, приводящие многих из них к гибели. Тем самым вирусы способствуют гибели ослабленных и выживанию наиболее приспособленных организмов. Существует несколько систем их классификации. Мы будем использовать систему, которая выглядит следующим образом:

А. Надцарство. Доядерные организмы или прокариоты.

1. Царство Бактерий.

2. Царство Архебактерий.

Б. Надцарство. Ядерные организмы или эукариоты.

1. Царство Животных.

1.1 Подцарство Простейших.

1.2 Подцарство Многоклеточных.

2. Царство Грибы.

2.1 Низшие Грибы.

2.2 Высшие Грибы.

3. Царство Растения.

3.1 Подцарство Багрянки.

3.2 Подцарство Настоящие водоросли.

3.3 Подцарство Высшие растения.

Царство Бактерий держит рекорд по разнообразию способов питания: оно единственное, в котором есть представители всех типов питания.

К бактериям - древнейшим фотоавтотрофным организмам на планете - относятся около 50 видов. Гетеротрофные бактерии выполняют в биосфере две основные роли. Первая - разложение отмерших организмов и возвращение исходных элементов в окружающую среду. Значительная часть этой работы происходит в пищеварительных трактах многоклеточных животных. Вторая - непрерывное вовлечение в круговорот новых порций минеральных веществ.

Диаметр большинства бактериальных клеток составляет от 0, 1 до 1 мкм, в длину некоторые бактерии достигают от 10 до 30 мкм. Хотя каждая бактериальная клетка очень мала, тем не менее, общая масса бактерий, обитающих на Земле, превышает массу всех других живых организмов вместе взятых.

Крупнейшим событием в современном естествознании явилось открытие архебактерий(от греч. archaioc - древний). Архебактерии обитают в крайне неблагоприятных условиях. Для анаэробных серных архебактерийоптимальными являются температуры от 85°С до 105°С, аэробные серные бактерии живут в среде с водородным показателем рН около 1. Есть бактерии, которые живут в водах, в которых концентрация поваренной соли достигает 20-30%.

По способам питания архебактерии разнообразны. Среди них есть хемо- и фотоавтотрофы, а также гетеротрофы. Удивительно, но среди архебактерийнет форм, вызывающих заболевания растений и животных.

Цианобактерии- древнейшие обитатели планеты. Всем известна слизистая пленка оливкового цвета, покрывающая лужи и прибрежные камни. Это и есть колонии цианобактерий или синезеленые водоросли. Цианобактерии называют экологическим феноменом. Они первыми заселяют вулканические пеплы и туфы, их находят даже в ядерных реакторах. Цианобактерии встречаются повсеместно - на суше и в океане, в горячих источниках и на снегу и даже на шерсти некоторых животных. Среди цианобактерий имеются группы с различным питанием: фотоавтотрофы, хемотрофы, гетеротрофы. Около сотни видов цианобактерий способны фиксировать азот атмосферы.

Фиксация азота по своему значению сравнима только с фотосинтезом. Из фиксируемого естественным путем азота около 90% связывается прокариотами и только 10% - при атмосферных электрических процессах - молниях.

Цианобактерий совместно с бактериями и почвенными насекомыми создают почвы на бесплодных прежде скалах. Тем самым биосферная роль цианобактерий определяется тем, что они заселяют бесплодные прежде субстраты, подготавливая их для заселения разнородным живым веществом.

ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ

1. АУТЭКОЛОГИЯ (ЭКОЛОГИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ОРГАНИЗМОВ)

Аутэколо́ гия(греч. Autos – сам) (факториальная экология) - изучает последствия воздействия абиотических, т.е. негативных, факторов окружающей среды на отдельную особь. Рассматривают приспособительные (адаптационные) способности особи к воздействию факторов водной, наземно-воздушной, почвенной или организменной среды, в которой данная особь развивается. Устанавливаются общие закономерности взаимодействия организма с окружающей его средой.

Среда обитания

Под средой обитания следует понимать пространство, непосредственно окружающее организм, т.е. комплекс природных тел и явлений, с которыми организм вступает в прямые или косвенные отношения.

В соответствии с законом равнозначности всех условий жизни все природные условия среды, необходимые для жизни, играют равнозначную роль.

Различают водную, наземно-воздушную, почвенную, а также организменную среду, образуемую самими живыми организмами, тела которых используются паразитами или симбионтами.

Для каждой из этих сред характерны специфические условия жизни.

Водная среда в ходе эволюционного развития была освоена живыми организмами раньше других.

Особенности водной среды проистекают из физико-химических свойств воды. Поскольку она легко растворяет минеральные соли, живые организмы вместе с ней поглощают питательные вещества без каких-либо существенных изменений собственного химического состава. От прозрачности воды зависит фотосинтез зеленых и пурпурных водорослей, фитопланктона, высших растений.

Для водной среды характерны плотность и вязкость. Плотность воды примерно в 800 раз, а вязкость примерно в 55 раз выше, чем у воздуха.

Поэтому водные организмы (особенно, активно движущиеся) сталкиваются с большой силой гидродинамического сопротивления. Эволюция многих групп водных животных по этой причине шла в направлении формирования формы тела и типов движения, снижающих лобовое сопротивление, что приводит к снижению энергозатрат на плавание. Так, обтекаемая форма тела встречается у представителей различных групп организмов, обитающих в воде, - дельфинов (млекопитающих), костистых и хрящевых рыб и др.

В водной среде жизни важнейшим экологическим фактором является кислород. Несмотря на хорошую растворимость кислорода в воде его содержание в ней меньше, чем в воздухе (примерно 1 % по объему).

Живые организмы, постоянно обитающие в водной среде, или живущие в воде часть жизненного цикла, называются гидробионтами. К ним относятся:

- планктон (греч. Planktos – парящий) - совокупность организмов, пассивно обитающих в толще воды и неспособных активно сопротивляться переносу течениями. Различают фитопланктон и зоопланктон. Фитопланктон (от греч. Phyton - растение) - совокупность микроскопических растений, служит важнейшим источником кислорода и органических веществ для других обитателей водной среды, в частности, зоопланктона (от греч. zoon – животное). К зоопланктону относятся некоторые простейшие, ракообразные, моллюски и др.;

- нектон (греч. Nektos – плавающий) - совокупность активно плавающих организмов, обитающих в толще воды и способных противостоять силе течения и самостоятельно перемещаться на значительные расстояния. К нектонам относятся: рыбы, кальмары, китообразные, ластоногие, водные змеи, черепахи, пингвины и др.;

- бентос (греч. Benthos - глубина) - совокупность организмов, обитающих на дне (на грунте или в грунте) водной среды. Организмы бентоса служат объектами питания многим рыбам и другим водным животным.

С процессом увеличения глубинных вод, насыщенных биогенными элементами, связан апвеллинг. Апвеллинг (от англ. up - наверх и well - хлынуть) - это подъем вод из морских глубин к поверхности, вызываемый устойчиво дующими ветрами, которые сгоняют поверхностные воды в сторону открытого моря, а взамен на поверхность поднимаются воды нижележащих слоев. Глубинные воды содержат большое количество питательных веществ, способствующих развитию плавающих растений. Районы апвеллинга являются местами интенсивного лова рыбы, питающейся плавающими растениями.

Обитателей водной среды называют гидробионтами(от греч. hydor – вода).

Наземно-воздушная средаболее сложна в своем строении и её населяют организмы, имеющие более высокую организацию.

Для этой среды наиболее существенную роль играют такие условия, как температура воздуха, интенсивность освещения, насыщенность кислородом, влажность и другие.

В почвенной среде, где обитают микроорганизмы и находятся корневые системы множества растений, температура воздуха и свет не так важны, как структура, химический состав и влажность почв.

Организмы, обитающие здесь, как правило, лишены зрения; обитателей почв называют эдафобионтами (от греч. эдафос – почва) или геобионтами (от греч. гео – земля).

Среда жизни, обитая в которой организмы осуществляют связь с внешней средой через хозяина, называется организменной. Эту среду как правило занимают организмы, называемые паразитами, или симбионтами. Важную роль здесь играют обилие пищи, относительная стабильность условий, защищенность от неблагоприятных внешних воздействий и крайне нежелательно активное сопротивление организма-хозяина.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒