Ядро клетки. Строение и функции.

Ядерный аппарат эукариотических клеток представлен ядром. У прокариот ядерный аппарат называют нуклеоидом.

Ядро – часть клетки, в которой локализуются хромосомы и формируются макромолекулы, контролирующие синтез веществ (и-РНК, т-РНК, р-РНК). Расположено в центре клетки или смещено.

В составе ядра выделяют:

1. Поверхностный аппарат ядра, или кариолемму.

2. Кариоплазму, кариолимфу, или ядерный сок.

3. Ядерный матрикс

4. Хроматин.

Функции ядра:

Хранение генетической информации

Реализация генетической информации

Воспроизведение и передача генетической информации

Строение ядерной оболочки.

Наружная мембрана: составляет единое целое мембранами гранулярной ЭПС – на ее поверхности имеются рибосомы, а перинуклеарное пространство соответствует полости цистерн гранулярной ЭПС.

Внутренняя мембрана – гладкая, ее интегральные белки связаны с ламиной – слоем, состоящим из переплетенных промежуточных филаментов.

Роль ламины:

 

1. Поддержка формы ядра

2. Упорядочивание укладки хроматина

3. Структурная организация поровых комплексов

4. Формирование кариолеммы при делении клеток.

Ядерные поры. Поря, содержат 2 параллельных кольца (по одному с каждой поверхности кариолеммы), которые образованы 8 белковыми гранулами. От этих гранул к центру сходятся фибриллы, формирующие перегородку, в середине которой лежит центральная гранула. Совокупность структур, связанных с ядерной порой, называется комплексом ядерной поры.

Функции комплекса ядерной поры:

 

1. Обеспечение регуляции избирательного транспорта веществ между цитоплазмой и ядром

2. Активный перенос в ядро белков, имеющих особую маркировку.

3. Перенос в цитоплазму субъединиц рибосом; их транспорт сопровождается изменением конформации комплекса.

Хроматин.

Различают 2 вида хроматина:

Эухроматин соответствует сегментам хромосом, которые деспирализованы и открыты для транскрипции. Эти сегменты не окрашиваются и не видны в световой микроскоп.

Гетерохроматин соответствует конденсированным, плотно скрученным сегментам хромосом. Он интенсивно окрашивается основными красителями, и в световой микроскоп имеет вид гранул.

Тельце Барра – скопление гетерохроматина, соответствующее одной Х-хромосоме у особей женского пола, которое в интерфазе плотно скручено. Выявление тельца Барра используется как диагностический тест для определения генетического пола.

Компактная упаковка ДНК в ядре обеспечивает:

 

1. Упорядоченное расположение очень длинных молекул ДНК в небольшом объеме ядра.

2. Функциональный контроль активности генов.

Уровни упаковки хроматина:

 

1. Обеспечивает образование нуклеосомной нити, обусловленной намоткой двух нитей ДНК на блоки из 8 гистоновых молекул.

2. Приводит к скручиванию нуклеосомной нити с образованием нуклеотиновой фибриллы.

3. Хроматиновые фибриллы образуют петли, каждая из которых соответствует 1 или нескольким генам, которые формируют участки конденсированных хромосом, которые выявляются при делении клетки.

Реализация генетической информации в интерфазном ядре непрерывно протекает благодаря процессам транскрипции. При транскрипции ДНК образуется крупная РНК, которая связывается с ядерными белками с образованием рибонуклеоидов. Процессинг включает отщепление интронов и стыковку экзонов - сплайсинг. При этом молекула РНК превращается в мелкие и-РНК, отделяющиеся от связанных с ними белков при переносе в цитоплазму.

Ядерный сок (кариолимфа).

Кариолимфа близка по составу к гиалоплазме. Обеспечивает транспорт веществ и ядерных структур и взаимодействие между ними.

Ядрышко.

Ядрышко – самая плотная структура ядра, является производным хромосомы с наиболее высокой концентрацией и активностью синтеза РНК в интерфазе. Образуется на вторичной перетяжке ядрышкоовй хромосомы. Место образования субъединиц рибосом. В профазе ядрышко распадается, в телофазе вновь формируется

Функция:

Формирование субъединиц рибосом из РНК и собственного белка, которые через поры выходят из ядра и собираются в цитоплазме в рибосому.

20. Обмен веществ и превращение энергии в клетке.

Энергетический обмен в клетке.

Основой всех проявлений жизнедеятельности клеток является обмен веществ с окружающей средой. Благодаря биохимическим реакциям, все процессы клеток являются строго упорядоченными. Клетка – высокоорганизованная структура, в которой экономично расходуются материалы и энергия, процессы идут с высоким КПД (КПД митохондрий 45-60%, хлоропластов – 25%).

АТФ + Н2О = АДФ + Н3РО4

Обмен веществ состоит из ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция (анаболизм) – пластический обмен, при котором происходит синтез всех органических веществ. Все биосинтезы идут с поглощением энергии, которая запасается в виде АТФ при диссимиляции (катаболизме) – энергетическом обмене.

Этапы энергетического обмена:

Подготовительный – происходит расщепление сложных органических веществ до более простых под действием пищеварительных ферментов. Высвобожденная энергия рассеивается в виде тепла.

 

1. В анаэробных условиях (без О₂) у анаэробов субстрат расщепляется с образованием конечных продуктов еще богатых энергией.

o Гликолиз – расщепление глюкозы ферментами клетки в отсутствии кислорода. В результате 40% энергии глюкозы запасется в 2 молекулах АТФ, 60% утрачивается в виде теплоты. Гликолиз осуществляется в гиалплазме клетки и не связан с мембранами.

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 = 2С3Н6О3 + 2АТФ +2Н2О

· Спиртовое брожение

Глюкоза →пируват→ацетальдегид→этанол. КПД = 29%.

 

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 = 2С2Н5ОН + 2АТФ +2Н2О + 2СО2

 

2. В аэробных условиях (с О₂) – субстрат без остатка расщепляется до бедных энергией неорганических веществ с высвобождением большого количества энергии. Протекает в 2 этапа:

А. Аналогично гликолизу, но только до пирувата С₃Н₄О₃ (субстратное фосфолирирование):

С₆Н₁₂О₆ = 2С₃Н₄О₃ + 2АТФ + 2НАДН + Н⁺

В. Пируват и НАДН₂ поступают в митохондрии, где пируват окисляется до ацилКоА.

С3Н4О3 + КоАSH + HAД+ = СН3СО3SКоА + НАДН2 + СО2

Ацетилкоэнзим А направляется в ЦТК (цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса), а НАДН в дыхательную цепь. ЦТК идет в матриксе митохондрий: ацетилКоА присоединяется к щавелевоуксусной кислоте и т.д.

В результате образуется:

АТФ + 2СО2 +КоА = 3НАДН + 3Н+ + ФАДН2

ФАД – флавинадениндинуклеотид.

Вся энергия глюкозы оказывается сосредоточенной в переносчиках НАДН +Н⁺ и ФАДН₂. Они переносят по 2Н⁺ цепь переноса электронов и затем снова могут присоединять Н⁺.

Атомы Н переносятся через внутреннюю мембрану митохондрий и на ее наружней поверхности разделяются на Н⁺ и электрон.

Реакции образования АТФ:

 

1. Н поступает на внутреннюю поверхность митохондрий, образуют кристы:

Н = Н+ + е-

А. Н⁺ выходят из клетки на поверхность. Для Н⁺ мембрана проницаема, поэтому они накапливаются в межмембранном пространстве, образуя протонный резервуар.

В. Электроны переносятся на внутреннюю поверхность мембраны крист и присоединяются и присоединяются к кислороду с помощью фермента оксидизы, образуя:

О2 + е- = О2-

С. Н⁺ и О₂^- создают разноименно заряженное электрическое поле, когда Δφ = 200мВ начинает действовать протонный канал. Он возникает в АТФ-синтеазе, которая встроена во внутреннюю мембрану митохондрий.

 

4. Через канал Н⁺ устремляются внутрь митохондрий, создавая высокий уровень энергии, которая идет на синтез АТФ из АДФ и фосфата.

Итог: при расщеплении 1 молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ, с запасом энергии 1520 кДж. Образовавшиеся АТФ выходят из митохондрий.

Значение АТФ в энергетическом обмене:

 

1. Образовавшаяся молекула АТФ выходит из митохондрий и участвует во всех процессах, требующих энергию.

1. В процессах синтеза веществ.

2. Участвует в процессах движения.

3. В процессе деления клетки.

4. Транспорт веществ.

При расщеплении АТФ отдает энергию (1 фосфатная связь заключает 40 кДж). Образовавшаяся АДФ и фосфат возвращаются в митохондрии.

Автотрофные и гетеротрофные организмы.

По питанию организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофы ассимилируют свои органические вещества из неорганических (Н₂О, СО₂, СН₄) используя: энергию солнца – фотоавтотрофы (зеленые растения, цианобактерии), или энергию химических реакций – хемоавтотрофы (хемосинтезирующие бактерии). Гетеротрофы – используют органические вещества, поступающие с пищей, расщепляются до мономеров, для процессов ассимиляции используется энергия, высвобожденная при диссимиляции органических веществ.

Пластический обмен. Фотосинтез.

Фотосинтез:

Фотосинтез – процесс образования органических веществ в хлоропластах из неорганических веществ под действием света.

Фотосинтез состоит из световой и темновой фазы. Реакции на свету протекают в гранах (тилакоидах), реакции, не требующих света, темновые – в строме хлоропластов.

Световые реакции:

А. Свет возбуждает молекулы хлорофилла мембранах тилакоидов, электроны сходят с орбит и переносятся за пределы мембраны тилакоидов, создавая заряженное электрическое поле.

В. Место вышедших электронов, занимают электроны, занимают электроны образовавшиеся в результате разложения воды под светом (фотолиза):

 

H2O = OH- +H+; OH- - e- = OH

С. ОН объединяются в воду и кислород, который выделяется в атмосферу.

 

4. Протоны Н⁺ не проникают через мембрану тилакоида и накапливаются внутри, образуя положительно заряженное электрическое поле, что приводит к Δφ по обе стороны мембраны. Пари достижения критической разности потенциалов Н⁺ устремляются по протонному каналу в ферменте АТФ-синтеазе, встроенный в мембрану тилакоида, наружу. На выходе создается высокий уровень энергии, который идет на синтез АТФ из АДФ с присоединением фосфата. Образовавшиеся молекулы переходят в строму, где участвуют в реакциях фиксации углерода.

5. Н⁺ вышедшие на поверхность мембраны тилакоида, соединяются с электронами, образуя атомарный водород, который идет на восстановление переносчика НАДФ⁺:

2е- + Н+ + НАДФ+ = НАДФН

Активированный световой энергией электрон хлорофилла используется для присоединения водорода к НАДФН, переходит в строму хлоропласта, участвуя в реакциях фиксации углерода.

Темновые реакции:

Темновая фаза фотосинтеза представляет собой ряд последовательных реакций. В результате этих реакций из СО₂ и Н₂О образуются углеводы.

СО₂ поступает в лист из окружающей среды, Н₂ образуется в световой фазе. Источником энергии служит АТФ, которая синтезируется в световую фазу. Эти вещества транспортируются в хлоропласты.

Темновые реакции идут в строме хлоропластов, куда поступают АТФ, НАДФН, от тилакоидов гран и СО₂ из воздуха. Кроме того, там находятся пентозы С₅, которые образуются в цикле фиксации СО₂ (цикле Кальвина).

Цикл Кальвина:

 

1. К пентозе С₅ присоединяется СО₂ с образованием нестойкой гексозы С₆, которая расщепляется на 2 триозы (2С₃).

2. Каждая из триоз 2С₃ принимает по одной фосфатной группе от 2 АТФ, что обогащает молекулы триоз энергией.

3. Каждая из триоз 2С₃ принимает по одному атому Н от 2 НАДН, после чего триозы объединяются:

2С3 → С6 → С6Н12О6 (глюкоза).

4. Другие С₃ объединяются, образуя пентозы: 5С₃ → 3С₅, которые заново включаются к цикл фиксации СО₂.

Суммарное уравнение фотосинтеза:

6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2

21. Хемосинтез.

Тип обмена, с помощью которого бактерии мобилизуют энергию был открыт русским ученым микробиологом С.Н. Виноградским. Бактерии обладают специальным ферментным аппаратом, позволяющим преобразовывать энергию химических реакций.

В природе органическое вещество создает не только зеленые растения, но и бактерии, не содержащие хлорофилла. Органические вещества создаются путем хемосинтеза.

Хемосинтез – синтез органических веществ с использованием энергии, освобождающейся при химических реакциях (окисление неорганических соединений). Энергия, получаемая при окислении, запасается в организме в форме АТФ.

Виды бактерий:

 

1. В водоемах, содержащих H₂S, живут серобактерии. Они окисляют H₂S.

2H2S + O2 = 2S + 2H2O + E

2. Сера поглощается включениями. При недостатке сероводорода бактерии окисляют серу далее:

2S + 3O2 = 2H2SO4 + E

3. Нитробактерии окисляют NH₃ до HNO₂:

2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + E (662кДж).

4. Далее HNO₂ окисляется до HNO₃:

2NHO2 + O2 = 2HNO3 + E (101кДж).

5. Процесс нитрификации происходит в почве в огромных масштабах, служит источником нитратов для растений.

6. Железобактерии – бактерии, превращающие закислое железо в кислое:

4FeCO3 + O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3 + 4CO2 + E (324кДж)

Значение: Накопление нитратов; питание растений; круговорот веществ в природе; накапливаются железные руды – результат действия бактерий.