Схематическое изображение процесса фотосинтеза, происходящего в растениях
История изучения фотосинтеза
Концепция окислительно-восстановительной сущности фотосинтеза
В 1960 году Юрием Соломоновичем Карпиловым был описан C4-фотосинтез, а в 1966 году Маршаллом Дэвинсоном Хэтчем и Чарльзом Роджером Слэком были представлены дальнейшие исследования этого процесса. Они показали, что C4-фотосинтез является эффективным механизмом, позволяющим растениям адаптироваться к жарким условиям и недостатку воды.
Значение фотосинтеза для эволюции
Хлоропласты в клетках листа
Фотосинтез, будучи экологическим средообразующим фактором в биосфере, находится в прямой зависимости от внешних факторов среды. Его эффективность определяется взаимодействием фотосинтезирующих растений с конкретными условиями окружающей среды. Зная условия среды можно регулировать продуктивность растений в различных природно-климатических зонах сельскохозяйственного производства.
Митохондрии в клетке
Схема строения митохондрии
Митохондрия клетки печени крысы в разрезе.
Наружная мембрана митохондрии:
- Толщина: 7 нм
- Состав: липиды с вкраплениями белков
- Функция: отграничение митохондрии от цитоплазмы
- Содержит: порин, ферменты (монооксигеназы, ацил-СоА-синтетазы, фосфолипазы А2)
- Взаимодействие с мембраной эндоплазматического ретикулума
Межмембранное пространство:
- Размер: 10-20 нм
- Концентрация веществ: мало отличается от цитоплазмы
- Белки для транспорта имеют специфические сигнальные пептиды
Одним из белков, содержащихся во внутренней мембране и периплазматическом пространстве, является цитохром c.
Эта статья уже готова, но всегда есть место для улучшений. Переработайте ее по своему усмотрению!
Внутренняя структура митохондрий
Внутренняя мембрана состоит в основном из белковых комплексов (соотношение белок/липид — 3:1) и образует многочисленные гребневидные складки — кристы, существенно увеличивающие площадь её поверхности. Например, в клетках печени составляет около трети всех клеточных мембран.
Характеристики внутренней мембраны митохондрий
- Присутствие кардиолипина делает мембрану абсолютно непроницаемой для протонов.
- Высокое содержание белков до 70 % по весу.
- Не имеет специальных отверстий для транспорта мелких молекул и ионов.
АТФ-синтаза и дыхательная цепь
На внутренней мембране, в стороне, обращённой к матриксу, располагаются молекулы АТФ-синтазы, где происходит синтез АТФ при прохождении протонов. В основании частиц располагаются компоненты дыхательной цепи.
Структура матрикса митохондрий
Матрикс — ограниченное внутренней мембраной пространство. Здесь находятся ферментные системы окисления пирувата, жирных кислот, а также ферменты цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса).
ДНК и белоксинтез митохондрии
В матриксе митохондрии содержится митохондриальная ДНК, РНК и белоксинтезирующий аппарат митохондрии.
- Митохондриальная ДНК — замкнутая кольцевая двуспиральная молекула, имеющая размер 16569 нуклеотидных пар.
- Кодирует 2 рРНК, 22 тРНК и 13 субъединиц ферментов дыхательной цепи.
Сравнение геномов митохондрий
У митохондрий человека геном значительно меньше по сравнению с растениями. Геном митохондрий растений может достигать 370000 нуклеотидных пар. Количество генов и дополнительные пути электронного транспорта в митохондриях растений также значительно больше.
Репликация митохондриальной ДНК
Митохондриальная ДНК реплицируется в интерфазе, частично синхронизировано с репликацией ДНК в ядре. Во время клеточного цикла митохондрии делятся, начиная с кольцевой бороздки на внутренней митохондриальной мембране.
Детальное изучение нуклеотидной последовательности митохондриального генома позволило установить, что в митохондриях животных и грибов часто отклонения от универсального генетического кода. Например, в митохондриях человека кодон ATA кодирует аминокислоту метионин вместо изолейцина, а кодоны AGA и AGG, обычно кодирующие аргинин, являются стоп-кодонами.
Митохондрии растений, вероятно, используют универсальный генетический код. Еще одной особенностью митохондрий является возможность узнавания одной молекулой тРНК сразу трех или четырех кодонов, снижая значимость третьего нуклеотида в кодоне.
Белоксинтезирующая система митохондрий
Митохондрии обладают собственной белоксинтезирующей системой. Очень маленькие 55S рибосомы являются характерной особенностью у митохондрий животных и грибов, что превосходит даже показатели прокариотических 70S-рибосом.
В митохондриях растений размеры рибосом сходны с прокариотическими. Большие рибосомные РНК имеют меньший размер, чем у прокариот, а малая рРНК отсутствует.
Обновление митохондрий
В специализированных (не делящихся) клетках митохондрии обычно не делятся. Обновление митохондрий происходит путем созревания митохондрий из протомитохондрий, которые имеют диаметр 0,1-0,2 микрона.
Протомитохондрии, предшествующие зрелым митохондриям, изначально возможно образуются из ДНК постмитохондрий. Эти протомитохондрии обладают высокой скоростью дыхания, но низким дыхательным контролем.
Кодирование белков в митохондрии
Количество транслируемых с митохондриальной мРНК белков, формирующих субъединицы крупных ферментных комплексов, ограничено. Значительная часть белков кодируется в ядре и синтезируется на цитоплазматических 80S-рибосомах.
В частности, так образуются некоторые белки:
- переносчики электронов
- митохондриальные транслоказы
- компоненты транспорта белков в митохондрии
- факторы, необходимые для транскрипции, трансляции и репликации митохондриальной ДНК
Подобные белки на своём N-конце имеют особые сигнальные пептиды, размер которых варьирует от 12 до 80 аминокислотных остатков. Данные участки формируют амфифильные завитки, обеспечивают специфический контакт белков со связывающими доменами митохондриальных распознающих рецепторов, локализованных на наружной мембране.
Транспорт белков в митохондрии
До наружной мембраны митохондрии данные белки транспортируются в частично развёрнутом состоянии в ассоциации с белками-шаперонами (в частности — с hsp70). После переноса через наружную и внутреннюю мембраны в местах их контактов поступающие в митохондрию белки вновь связываются с шаперонами, но уже собственного митохондриального происхождения. Эти шапероны подхватывают пересекающий мембраны белок, способствуют его втягиванию в митохондрию, а также контролируют процесс правильного сворачивания полипептидной цепи.
Функции митохондрий и энергообразование
Одной из основных функций митохондрий является синтез АТФ — универсальной формы химической энергии в живой клетке.
Пути синтеза АТФ:
- Субстратное фосфорилирование в жидкой фазе (например, при гликолизе)
- Мембранное фосфорилирование, связанное с использованием энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов
Самое своеобразное в митохондриях — это хемиосмотическое сопряжение, где химическая энергия превращается в электрохимический протонный градиент. Это приводит к образованию макроэргической связи в молекуле АТФ.
Четыре основные стадии энергообразования в митохондриях:
- Окисление субстрата в матриксе
- Процессы энергообразования в матриксе
- Связан с кристами митохондрий
- Образование макроэргической связи
Большинство шаперонов обладает АТФазной активностью, в результате чего как транспорт белков в митохондрию, так и образование их функционально активных форм являются энергозависимыми процессами.
Ещё в цитоплазме в серии из 10 отдельных ферментативных реакций гликолиза шестиуглеродная молекула глюкозы частично окисляется до двух трёхуглеродных молекул пирувата с образованием двух молекул АТФ. Затем пируват переносится из цитозоля через наружную и внутреннюю мембраны в матрикс, где первоначально декарбоксилируется и превращается в ацетил-СоА. Этот процесс катализируется крупным пируватдегидрогеназным комплексом, имеющим размер, сопоставимый с размером рибосомы, и состоящим из трёх ферментов, пяти коферментов и двух регуляторных белков. Точно так же жирные кислоты, полученные при расщеплении нерастворимых триглицеридов в цитоплазме, переносятся в митохондриальный матрикс в виде ацил-СоА-производных и подвергаются бета-окислению с образованием ацетил-СоА.
На следующем этапе, также протекающем в матриксе митохондрии, ацетил-СоА полностью окисляется в цикле Кребса. В его работе задействованы четыре отдельных фермента, за каждый цикл обеспечивающие распад ацетил-СоА на два атома углерода, в виде СО2. Этот процесс обеспечивает образование одной молекулы ГТФ, а также НАДН — высокоэнергетического промежуточного соединения, которое легко отдаёт электроны в цепь переноса электронов на кристах митохондрий.
Дальнейшие процессы энергообразования в митохондрии происходят на её кристах и связаны с переносом электронов от НАДН к кислороду. В соответствии с тем, что потребление кислорода в качестве окислителя обычно называют «внутриклеточным дыханием», электронно-транспортную цепь ферментов, осуществляющих последовательный перенос электронов от НАДН к кислороду, часто называют «дыхательной цепью». При этом трансформация энергии окисления осуществляется ферментами, расположенными на кристах митохондрий и осуществляющими векторный (направленный по отношению к сторонам мембраны) перенос протонов водорода из матрикса митохондрии в межмембранное пространство. В этом состоит принципиальное отличие работы оксидоредуктаз дыхательной цепи от функционирования ферментов, катализирующих реакции в гомогенном (изотропном) растворе, где вопрос о направлении реакции в пространстве не имеет смысла.
Весь процесс переноса электрона по дыхательной цепи может быть разбит на три стадии, каждая из которых катализируется отдельным трансмембранным липопротеидным комплексом (I, III и IV), встроенным в мембрану кристы митохондрии. В состав каждого из названных комплексов входят следующие компоненты:
Каждый из этих комплексов осуществляет перенос электронов от донора к акцептору по градиенту редокс-потенциала через ряд последовательно функционирующих переносчиков. В качестве последних в дыхательной цепи митохондрий функционируют мигрирующие в плоскости мембраны жирорастворимые молекулы убихинона, а также небольшие (молекулярная масса 13 кДа) водорастворимые белки, содержащие ковалентно связанный гем и называемые «цитохромами с». При этом три из пяти компонентов, составляющих дыхательную цепь, работают так, что перенос электронов сопровождается переносом протонов через мембрану крист митохондрий в направлении из матрикса в межмембранное пространство.
Дыхательная цепь начинается с комплекса I (НАДН-убихинон-оксидоредуктаза), состоящего как минимум из 26 полипептидных цепей и имеющего молекулярную массу около 850 кДа. Функциональная активность этого комплекса определяется тем, что он содержит в своём составе более 20 атомов железа, упакованных в ячейки из атомов серы, а также флавин (флавинмононуклеотид — производное витамина рибофлавина). Комплекс I катализирует окисление НАДН, отщепляя от него два электрона, которые после «путешествия» по окислительно-восстановительным компонентам комплекса I попадают на молекулу-переносчик, в качестве которой выступает убихинон (Q). Последний способен ступенчато восстанавливаться, принимая на себя по два электрона и протона и, таким образом, превращаясь в восстановленную форму — убихинол (QH2).
Энергетический потенциал (запас энергии) в молекуле убихинола существенно ниже, чем в молекуле НАДН, а разница в подобной энергии временно запасается в виде электрохимического протонного градиента. Последний возникает в результате того, что перенос электронов по простетическим группам комплекса I, ведущий к снижению энергетического потенциала электронов, сопровождается трансмембранным переносом двух протонов из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.
Восстановленный убихинол мигрирует в плоскости мембраны, где достигает второго фермента дыхательной цепи — комплекса III (цитохром bc1). Последний представляет собой димер с молекулярной массой более 300 кДа, сформированный из восьми полипептидных цепей и содержащий атомы железа как в виде железосерных центров, так и в виде комплексов с гемами b(I), b(II) и c1 — сложными гетероциклическими молекулами с четырьмя атомами азота, расположенными по углам металлосвязывающего квадрата. Комплекс III катализирует реакцию окисления двух убихинолов до убихинонов, восстанавливая две молекулы цитохрома c (гемсодержащий переносчик, находящийся в межмембранном пространстве). Отщепляющиеся при этом от убихинолов четыре протона освобождаются в межмембранное пространство, продолжая формирование электрохимического градиента.
Последняя стадия катализируется комплексом IV (цитохром c-оксидаза) с молекулярной массой около 200 кДа, состоящим из 10-13 полипептидных цепей и, помимо двух различных гемов, включающим также несколько атомов меди, прочно связанных с белками. При этом электроны, отбираемые у восстановленного цитохрома c, пройдя по атомам железа и меди в составе комплекса IV, попадают на связанный в активном центре этого фермента кислород, что приводит к образованию воды.
Таким образом, суммарная реакция, катализируемая ферментами дыхательной цепи, состоит в окислении НАДН кислородом с образованием воды. По сути этот процесс заключается в ступенчатом переносе электронов между атомами металлов, присутствующих в простетических группах белковых комплексов дыхательной цепи, где каждый последующий комплекс обладает более высоким сродством к электрону, чем предыдущий. При этом сами электроны передаются по цепи до тех пор, пока не соединятся с молекулярным кислородом, обладающим наибольшим сродством к электронам. Освобождаемая же при этом энергия запасается в виде электрохимического (протонного) градиента по обе стороны внутренней мембраны митохондрий. При этом считается, что в процессе транспорта по дыхательной цепи пары электронов перекачивается от трёх до шести протонов.
Завершающим этапом функционирования митохондрии является генерация АТФ, осуществляемая встроенным во внутреннюю мембрану специальным макромолекулярным комплексом с молекулярной массой 500 кДа. Этот комплекс, называемый АТФ-синтазой, как раз и катализирует синтез АТФ путём конверсии энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов водорода в энергию макроэргической связи молекулы АТФ.
В структурно-функциональном плане АТФ-синтаза состоит из двух крупных фрагментов, обозначаемых символами F1 и Fo. Первый из них (фактор сопряжения F1) обращён в сторону матрикса митохондрии и заметно выступает из мембраны в виде сферического образования высотой 8 нм и шириной 10 нм. Он состоит из девяти субъединиц, представленных пятью типами белков. Полипептидные цепи трёх субъединиц α и стольких же субъединиц β уложены в похожие по строению белковые глобулы, которые вместе образуют гексамер (αβ)3, имеющий вид слегка приплюснутого шара. Подобно плотно уложенным долькам апельсина, последовательно расположенные субъединицы α и β образуют структуру, характеризующуюся осью симметрии третьего порядка с углом поворота 120°. В центре этого гексамера находится субъединица γ, которая образована двумя протяжёнными полипептидными цепями и напоминает слегка деформированный изогнутый стержень длиной около 9 нм. При этом нижняя часть субъединицы γ выступает из шара на 3 нм в сторону мембранного комплекса F0. Также внутри гексамера находится минорная субъединица ε, связанная с γ. Последняя (девятая) субъединица обозначается символом δ и расположена на внешней стороне F1.
Мембранная часть АТФ-синтазы, называемая фактором сопряжения F0, представляет собой гидрофобный белковый комплекс, пронизывающий мембрану насквозь и имеющий внутри себя два полуканала для прохождения протонов водорода. Всего в состав комплекса F0 входит одна белковая субъединица типа а, две копии субъединицы b, а также от 9 до 12 копий мелкой субъединицы c. Субъединица а (молекулярная масса 20 кДа) полностью погружена в мембрану, где образует шесть пересекающих её α-спиральных участков. Субъединица b (молекулярная масса 30 кДа) содержит лишь один сравнительно короткий погружённый в мембрану α-спиральный участок, а остальная её часть заметно выступает из мембраны в сторону F1 и закрепляется за расположенную на её поверхности субъединицу δ. Каждая из 9-12 копий субъединицы c (молекулярная масса 6-11 кДа) представляет собой сравнительно небольшой белок из двух гидрофобных α-спиралей, соединённых друг с другом короткой гидрофильной петлёй, ориентированной в сторону F1, а все вместе образуют единый ансамбль, имеющий форму погружённого в мембрану цилиндра. Выступающая из комплекса F1 в сторону F0 субъединица γ как раз и погружена внутрь этого цилиндра и достаточно прочно зацеплена за него.
Таким образом, в молекуле АТФ-синтазы можно выделить две группы белковых субъединиц, которые могут быть уподоблены двум деталям мотора: ротору и статору. «Статор» неподвижен относительно мембраны и включает в себя шарообразный гексамер (αβ)3, находящуюся на его поверхности и субъединицу δ, а также субъединицы a и b мембранного комплекса F0. Подвижный относительно этой конструкции «ротор» состоит из субъединиц γ и ε, которые, заметно выступая из комплекса (αβ)3, соединяются с погружённым в мембрану кольцом из субъединиц c.
Способность синтезировать АТФ — свойство единого комплекса F0F1, сопряжённого с переносом протонов водорода через F0 к F1, в последнем из которых как раз и расположены каталитические центры, осуществляющие преобразование АДФ и фосфата в молекулу АТФ. Движущей же силой для работы АТФ-синтазы является протонный потенциал, создаваемый на внутренней мембране митохондрий в результате работы цепи электронного транспорта.
Таким образом, каталитическая активность АТФ-синтазы непосредственно связана с вращением её «ротора», при котором поворот субъединицы γ вызывает одновременное изменение конформации всех трёх каталитических субъединиц β, что в конечном счёте и обеспечивает работу фермента. При этом в случае образования АТФ «ротор» крутится по часовой стрелке со скоростью четыре оборота в секунду, а само подобное вращение происходит дискретными скачками по 120°, каждый из которых сопровождается образованием одной молекулы АТФ.
Непосредственная функция синтеза АТФ локализована на β-субъединицах сопрягающего комплекса F1. При этом самым первым актом в цепи событий, приводящих к образованию АТФ, является связывание АДФ и фосфата с активным центром свободной β-субъединицы, находящейся в состоянии 1. За счёт энергии внешнего источника (тока протонов) в комплексе F1 происходят конформационные изменения, в результате которых АДФ и фосфат становятся прочно связанными с каталитическим центром (состояние 2), где становится возможным образование ковалентной связи между ними, ведущей к образованию АТФ. На данной стадии АТФ-синтазы ферменту практически не требуется энергии, которая будет необходима на следующем этапе для освобождения прочно связанной молекулы АТФ из ферментативного центра. Поэтому следующий этап работы фермента заключается в том, чтобы в результате энергозависимого структурного изменения комплекса F1 каталитическая β-субъединица, содержащая прочно связанную молекулу АТФ, перешла в состояние 3, в котором связь АТФ с каталитическим центром ослаблена. В результате этого молекула АТФ покидает фермент, а β-субъединица возвращается в исходное состояние 1, благодаря чему обеспечивается цикличность работы фермента.
Работа АТФ-синтазы связана с механическими движениями её отдельных частей, что позволило отнести этот процесс к особому типу явлений, названных «вращательным катализом». Подобно тому, как электрический ток в обмотке электродвигателя приводит в движение ротор относительно статора, направленный перенос протонов через АТФ-синтазу вызывает вращение отдельных субъединиц фактора сопряжения F1 относительно других субъединиц ферментного комплекса, в результате чего это уникальное энергообразующее устройство совершает химическую работу — синтезирует молекулы АТФ. В дальнейшем АТФ поступает в цитоплазму клетки, где расходуется на самые разнообразные энергозависимые процессы. Подобный перенос осуществляется специальным встроенным в мембрану митохондрий ферментом АТФ/АДФ-транслоказой, который обменивает вновь синтезированную АТФ на цитоплазматическую АДФ, что гарантирует сохранность фонда адениловых нуклеотидов внутри митохондрий.
Митохондриальный синтез жирных кислот (mtFASII)
ДНК митохондрий наследуются почти исключительно по материнской линии. Каждая митохондрия имеет несколько участков нуклеотидов в ДНК, идентичных во всех митохондриях (то есть в клетке много копий митохондриальных ДНК), что очень важно для митохондрий, неспособных восстанавливать ДНК от повреждений (наблюдается высокая частота мутаций).
Роль митохондрий в заболеваниях
Мутации в митохондриальной ДНК являются причиной целого ряда наследственных заболеваний человека.
История исследования митохондрий насчитывает около 130 лет — со времени описания их в 1850 г. Р. Келликером, который обнаружил их в мышцах насекомых и назвал саркосомами (данный термин до сих пор применяется для обозначения митохондрий мышечной ткани).
Беркинблит М. Б., Глаголев С. М., Фуралев В. А. Общая биология. — М.: МИРОС, 1999.
Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. Биология. — М.: МИР, 2006.
Уиллет Э. Генетика без тайн. — М.: ЭКСМО, 2008.
Дерябин Д. Г. Функциональная морфология клетки. — М.: КДУ, 2005.
Векшин Н. Л. Флуоресцентная спектроскопия биополимеров. — Пущино: Фотон, 2009.
Ченцов Ю. С. Хондриом — совокупность митохондрий клетки. — 1997.
Клетки — это мельчайшие строительные элементы всего живого, которые обладают собственным жизненным циклом; внутри них происходят сложные процессы, включая метаболизм (или обмен веществ) – комплекс химических реакций, необходимых для поддержания жизни.
Клетки (за редкими исключениями) очень малы. В одном-единственном листе на дереве их около 50 миллионов! Но, несмотря на свой крошечный размер, клетки невероятно сложно устроены и оборудованы. Изучая их строение, трудно вновь не поразиться совершенству Божьего творения и мудрости Создателя.
Растительные и животные клетки имеют различия в своём строении. Кроме того, клетки различаются и в зависимости от того, какую часть организма они образуют: например, у животных отличаются клетки мышц и нервных волокон, у растений – клетки корней и листьев. Но эти различия не столь велики, связаны преимущественно с внешним видом клетки; а её основные составные части остаются постоянными. Эти составные части называются органеллы. Каждая из них специализирована, то есть выполняет свою особую работу.
Среди органелл, входящих в состав животной клетки, наиболее важными являются пять.
Клеточная мембрана выполняет роль «кожи» клетки, её покрова. Мембрана окружает клетку, защищая её и одновременно связывая с соседними клетками. Кроме того, она обеспечивает поступление различных веществ в клетку и из клетки.
Цитоплазма – «транспортная сеть» клетки. Это постоянно движущаяся внутри клетки жидкость. Основное вещество цитоплазмы – вода, но она содержит и множество других веществ. Именно в цитоплазме протекают все процессы обмена веществ. Все остальные органеллы плавают в цитоплазме, свободно перемещаясь внутри клетки.
Ядро – это «мозг» клетки, её управляющий центр, контролирующий происходящие в цитоплазме химические реакции. Кроме этого, ядро содержит в себе генетическую информацию, необходимую для воспроизводства новых клеток. Оболочкой ядра является вутриклеточная мембрана, подобная наружной.
Вакуоли выполняют внутри клетки роль «продуктового склада». При рассматривании в микроскоп они похожи на пузырьки или «мешочки». Ещё одна задача вакуолей – выведение из клетки продуктов распада, образующихся в процессе её работы. В растительных клетках вакуолей содержится больше, чем в животных.
Митохондрии – внутриклеточные «энергетические станции». В них расще- плённые пищевые продукты при участии кислорода превращаются в энергию, необходимую для жизни и работы клетки.
Посмотрим теперь на устройство растительной клетки. Она, чаще всего, квадратной или угловатой формы, напоминающей прямоугольную. В её состав входят те же основные органеллы, но в дополнение к ним имеются ещё две дополнительные структуры.
Клеточная стенка усиливает прочность клетки и её сцепление с соседями. Она окружает клеточную мембрану, придавая ей форму и жёсткость. Благодаря этому растения сохраняют свою форму, хотя у них, в отличие от большинства животных, нет скелета – ни внутреннего, ни внешнего.
Хлоропласты в клетках мха
Хлоропласты – «цеха», производящие продукты питания. Здесь из углекислого газа и воды под воздействием света синтезируются питательные вещества. Наличие хлоропластов является главным отличительным признаком того, что организм является растением, а не животным. Хлоропласты имеют форму пластинок и окрашены в зелёный цвет благодаря содержащемуся в них веществу хлорофиллу.
Клетки не появляются из ничего, они происходят от других клеток. Совершается это в процессе деления, когда одна клетка делится на две.
Хотя каждая клетка может функционировать сама по себе, растения и животные были задуманы их Создателем так, чтобы их клетки взаимодействовали друг с другом. Группа клеток одинакового строения, работающих вместе и выполняющих какую-либо функцию, называется тканью. Различные ткани, взаимодействующие друг с другом и осуществляющие вместе те или иные процессы в организме, составляют óрганы.
Какое бы количество миллиардов клеток ни составляло взрослый организм растения или животного, все они вырастают из одной-единственной клетки (она называется зародышевая, или зигота). Каким же образом это происходит? В результате удивительного процесса, который называется митоз.
Митоз – это деление клетки, приводящее к появлению двух одинаковых клеток, каждая из которых сохраняет в себе полную наследственную информацию.
Ты уже знаешь: всё, что происходит с клеткой, контролируется её ядром. В нём, в специальных длинных молекулах, которые называются ДНК (дезоксирибонуклеино- вая кислота), содержится огромное количество информации об организме. Она записана сочетаниями химических соединений, из которых состоит молекула. ДНК отвечает не только за хранение этой информации, но и за её передачи из клетки в клетку, из поколения в поколение.
Хромосома в метафазе
Молекулы ДНК состоят из двух очень длинных цепочек, которые закручены одна вокруг другой в виде двойной спирали. Эти структуры, являющиеся главными носителями наследственной информации, называются хромосомы.
При подготовке клетки к делению её хромосомы удваиваются. Этот подготовительный этап называется интерфазой. Когда копии готовы, начинается собственно митоз. Он происходит в пять этапов.
Сначала, в профазе, в цитоплазме возникает особая структура – веретено деления; с его помощью будут осуществляться все последующие этапы. У растительных клеток в начале профазы происходит ещё одно действие: ядро перемещается в центр клетки (чтобы ему не помешали делиться многочисленные вакуоли).
Во время второго этапа, прометафазы, распадается стенка клеточного ядра.
Затем, в метафазе, хромосомы выстраиваются в центре клетки. После произошедшего удвоения их нити соединились попарно, образовав посредине перетяжку. В результате они немного напоминают букву Х (см. рисунок вверху).
На следующем этапе – анафазе – дубликаты каждой хромосомы расходятся в разные стороны: теперь в противоположных концах клетки находится по одному набору хромосом.
Заключительный этап митоза называется телофаза. Вокруг каждого набора хромосом начинают формироваться оболочки, в результате чего образуются два ядра. В это время происходит постепенное разрушение веретена деления.
Одновременно с завершением телофазы, происходит окончательное разделение материнской клетки на две дочерние. В центре материнской клетки, разделяя цитоплазму, формируется клеточная мембрана. Этот процесс называется цитокинезом.
Обычно дочерние клетки являются точными копиями материнской. Однако в некоторых случаях деление протекает таким образом, что новые клетки будут немного отличаться от исходной и друг от друга. Время, за которое протекает митоз растительной клетки, обычно составляет 2–3 часа (животные клетки делятся быстрее, за 30–60 минут).
Процесс роста растений и животных происходит в результате митоза. Старые и изношенные клетки организмов заменяются новыми. Самое же удивительное состоит в том, что часть клеток (особенно на стадии зародыша), будучи совершенно одинаковыми после деления, спустя некоторое время начинают развиваться по-разному, образуя различные ткани!
Почти все клетки растений и животных размножаются путём митоза. Единственным исключением являются репродуктивные (половые) клетки. У растений это клетки пыльцы и семяпочки, а у животных – сперматозоиды и яйцеклетки. Процесс их деления называется мейоз. В результате него получаются клетки с половинным набором хромосом (одним вместо двух).
Электронная микрофотография митохондрий
Митохо́ндрия — двумембранная органелла, которая преобразует энергию, получаемую из разложения различных органических соединений, в синтетическую энергию, необходимую для нормального функционирования клетки и процессов роста. Они используют аденозинтрифосфат (АТФ) и химические вещества, чтобы получить электроны, которые затем используются для восстановления энергии. Митохондрии характерны для большинства эукариотических клеток, как автотрофов (фотосинтезирующие растения), так и гетеротрофов (грибы, животные).
Для отделения митохондрий от гиалоплазмы служит наружная митохондриальная мембрана. Она, как правило, имеет ровные контуры и представляет собой замкнутый мембранный мешок. Между внешней и внутренней митохондриальными мембранами находится межмембранное пространство шириной около 10-20 нм.
Биохимические процессы в митохондриях начинаются с транспорта субстратов через митохондриальную мембрану, который осуществляется с помощью транспортных белков — транслоказ, служащих переносчиками дикарбоновых кислот, АТФ и AДФ. Основные субстраты митохондрий — пируват и жирные кислоты, которые транспортируются с помощью карнитин-пальмитоил-трансферазы и карнитина.
Утилизация жирных кислот происходит в процессе β-окисления, а центральный путь утилизации углеродсодержащих молекул осуществляется через цикл Кребса. В результате этого цикла также образуются молекулы никотинамидадениндинуклеотидов (НАД) и флавинадениндинуклеотидов (ФАД), передающие свои электроны в дыхательную цепь митохондрий. Дыхательная цепь митохондрий состоит из пяти мультиферментных комплексов, которые находятся под генетическим контролем как митохондриального, так и ядерного генома.
Биоэнергетика в возобновляемой энергетике
План по теме "Биоэнергетика":
II. Основные принципы биоэнергетики
III. Использование биоэнергии человеком
IV. Перспективы развития биоэнергетики
Общее представление о биоэнергетике
Биоэнергетика – это наука, которая изучает процессы превращения органических веществ в энергию в живых организмах. Она является одной из ключевых областей экологически чистой энергетики и имеет большое значение для человечества.
Основными принципами биоэнергетики являются процессы метаболизма в клетках, которые позволяют организмам использовать энергию, полученную от пищи, для выполнения различных функций. Роль митохондрий в процессе биоэнергетики заключается в том, что они являются местом, где происходит синтез основного источника энергии для организма – АТФ.
Использование биоэнергии может помочь уменьшить зависимость от нефтепродуктов и других ископаемых источников энергии, а также снизить негативное воздействие на окружающую среду. Биотопливо и биогаз – это одни из самых распространенных видов биоэнергии, которые получают из растительных или животных отходов, подвергающихся специальной обработке. Биоэнергия также используется в сельском хозяйстве для производства биотоплива и биогаза.
Новые технологии в области производства биотоплива и биогаза позволяют значительно повысить эффективность процесса производства и использования биоэнергии. Кроме того, развитие альтернативных источников биоэнергии, таких как энергия от солнца, ветра и воды, имеет большой потенциал для развития биоэнергетики.
Значение биоэнергетики для человечества
Значение биоэнергетики для человечества заключается в том, что она позволяет нам лучше понимать процессы, происходящие в живых системах, и использовать полученные знания для улучшения здоровья, повышения продуктивности сельского хозяйства и развития новых методов лечения многих заболеваний.
Например, биоэнергетические методы лечения являются альтернативными подходами к медицинской терапии, которые основаны на использовании энергии для стимулирования самоисцеления организма. Также биоэнергетика используется в области фотосинтеза, где ее исследования помогают улучшить урожайность сельскохозяйственных культур и создать новые виды растительной продукции.
Таким образом, биоэнергетика является важной наукой, которая имеет широкое практическое применение и способствует продвижению науки и технологии в мире.
Основные принципы биоэнергетики
Основные принципы биоэнергетики включают следующее:
Эти принципы являются основой биоэнергетики и помогают объяснить, как живые системы получают, транспортируют и используют энергию для поддержания жизни.
Процессы метаболизма в клетках
Метаболизм – это совокупность химических реакций, происходящих в живых организмах, направленных на получение энергии и синтез необходимых для жизни молекул. Процессы метаболизма происходят в клетках и можно разделить на две основные категории: катаболизм и анаболизм.
Катаболизм – это процесс расщепления сложных молекул на более простые с целью получения энергии. В результате этого процесса образуется АТФ (аденозинтрифосфат), который является основным энергетическим носителем клетки. Примеры катаболических реакций включают гликолиз, цикл Кребса и дыхание.
Анаболизм – это процесс синтеза сложных молекул из более простых компонентов за счет затраты энергии. Эти молекулы необходимы для роста, развития и поддержания жизни клетки. Примеры анаболических реакций включают синтез белков, углеводов и липидов.
Важной частью метаболизма является процесс фосфорилирования, когда молекулы АТФ используются для передачи энергии в другие молекулы. Фосфорилирование может быть либо окислительным (при участии кислорода), либо безкислородным (абсолютно анаэробный процесс).
В целом, метаболизм является сложной системой регуляции химических реакций, которые определяют способность клетки получать и использовать энергию. Он имеет большое значение для жизни клетки и всего организма в целом.
Роль митохондрий в процессе биоэнергетики
Митохондрии играют ключевую роль в процессе биоэнергетики, так как они являются основными местами производства энергии в клетках. Они присутствуют в большом количестве в клетках высших организмов и способны выполнять окислительное фосфорилирование – процесс, при котором свободная энергия, выделяемая при окислении питательных веществ, используется для синтеза АТФ.
Внутри митохондрий находятся электрон-транспортные цепи, состоящие из различных белковых комплексов, которые переносят электроны от одного комплекса к другому. Это позволяет создавать химический градиент, который используется для синтеза АТФ.
Митохондрии также участвуют в других важных процессах, связанных с обработкой пищи и выработкой энергии, таких как бета-окисление жирных кислот и разложение аминокислот. Они также помогают контролировать уровень кальция в клетке и участвуют в регуляции апоптоза (программированной клеточной гибели).
Таким образом, митохондрии играют важную роль в биоэнергетике, обеспечивая клеткам необходимую энергию для поддержания жизнедеятельности и выполнения различных функций.
АТФ как основной источник энергии
АТФ (аденозинтрифосфат) является основным энергетическим носителем в клетках живых организмов. Он имеет структуру нуклеотида, состоящего из аденина (азотистого основания), рибозы (пятиуглеродного сахара) и трех фосфатных групп.
Энергия содержится в связях между фосфатными группами АТФ. Когда одна из фосфатных групп отщепляется, комплекс АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфат), и при этом выделяется свободная энергия, которая может использоваться клеткой для выполнения различных функций.
АТФ является универсальным источником энергии в клетке и используется для выполнения большинства биологических процессов, таких как синтез белков, расщепление глюкозы, сокращение мышц и т.д. Он также используется для передачи энергии в другие молекулы, например, при фосфорилировании глюкозы во время гликолиза.
Получение энергии путем расщепления АТФ является более эффективным, чем расщепление питательных веществ напрямую, так как АТФ представляет собой универсальный источник энергии, который можно использовать для выполнения большинства биологических процессов в клетке.