Ферменты, их роль в процессе жизнедеятельности.

Цитология

 

• Основные положения клеточной теории. Клетка – структурная и функциональная единица живого стр. 1
• Содержание химических элементов в клетке. Вода и другие неорганические вещества, их роль в жизнедеятельности клетки стр. 3
• Органические вещества клетки: липиды, АТФ, биополимеры (углеводы, белки, нуклеиновые кислоты) и их роль в клетке. стр.5
• Ферменты, их роль в процессе жизнедеятельности стр.7
• Особенности строения клеток прокариот и эукариот стр. 9
• Основные структурные компоненты клетки стр. 11
• Поверхностный аппарат клетки стр. 12
• Транспорт молекул через мембраны стр. 14
• Рецепторная функция и ее механизм стр. 18
• Структура и функции клеточных контактов стр. 19
• Локомоторная и индивидуализирующая функции ПАК стр. 20
• Органеллы общего значения. Эндоплазматическая сеть стр. 21
• Комплекс Гольджи стр. 23
• Лизосомы стр. 24
• Пероксисомы стр. 26
• Митохондрии стр. 26
• Рибосомы стр.27
• Пластиды стр.28
• Клеточный центр стр. 28
• Органеллы специального значения стр. 29
• Ядро клетки. Строение и функции стр. 29
• Обмен веществ и превращение энергии в клетке стр. 32
• Хемосинтез стр. 36

 

1. Основные положения клеточной теории. Клетка – структурная и функциональная единица живого.

Цитология - наука о клетки. Цитология изучает строение и химический состав клетки, функции внутриклеточных структур, функции клеток в организме животных, растений, размножение и развитие клеток. Из 5 царств органического мира, только царство Вирусы, представленные формами живого, не имеют клеточного строения. Остальные 4 царства имеют клеточное строение: царство Бактерии объединяют прокариотов – доядерные формы. Ядерные формы – эукариоты, к ним относятся царства Грибы, Растения, Животные.

Основные положения клеточной теории:
Клетка – функциональная и структурная единица живого.
Клетка – элементарная система – основа строения и жизнедеятельности организма.

Открытие клетки связано с открытием микроскопа:
1665г. – Гук изобрел микроскоп и на срезе пробки он увидел ячейки, которые он назвал клетками.
1674г. – А. Левингук впервые обнаружил в воде одноклеточные организмы.
Начало 19в. – Я. Пуркинье назвал протоплазмой вещество, заполняющее клетку.
1831г. – Броун обнаружил ядро.
1838-1839гг. – Шванн сформулировал основные положения клеточной теории.
Основные положения клеточной теории:

1. Клетка – главная структурная единица всех организмов.

2. Процесс образования клеток обуславливается ростом, развитием и дифференцировкой растительных и животных клеток.

1858г. – вышел труд Вирхова “Целлюлярная патология”, в которой он связал патологические изменения в организме с изменениями в строении клеток, положив основу патологии – началу теоретической и практической медицины.
Конец 19в. – Бэр открыл яйцеклетку, показав, что все живые организмы берут начало из одной клетки (зиготы). Было обнаружено сложное строение клетки, описаны органоиды, изучен митоз.
Начало 20в. – стало ясным значение клеточных структур и передачи наследственных свойств.
Современная клеточная теория включает следующие положения:

 

1. Клетка – основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого.

2. Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны по своему строению, химическому составу, основным проявлением жизнедеятельности и обмену веществ.

3. Размножение клеток происходит путем из деления, и каждая новая клетка образуется путем деления исходной (материнской) клетки.

4. В сложных многоклеточных организмах клетки специализированны по выполняемым функциям и образуют ткани. Из тканей состоят органы, которые связаны между собой и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.

Клетка – является открытой системой для всех живых организмов, для которой характерны потоки вещества, энергии и информации, связанные с обменом веществ (ассимиляцией и диссимиляцией).
Самообновление осуществляется в результате обмена веществ.
Саморегуляция осуществляется на уровне обменных процессов по принципу обратной связи.
Самовоспроизведение клетки обеспечивается при ее размножении на основе потока вещества, энергии и информации.
Клетка и клеточное строение обеспечивает:

 

1. Благодаря большой поверхности – благоприятные условия для обмена веществ.

2. Наилучшее хранение и передача наследственной информации.

3. Способность организмов хранить и передавать энергию и превращать ее в работу.

4. Постепенная замена всего организма (многоклеточного) отмирающих частей без замены всего организма.

5. В многоклеточном организме специализация клеток обеспечивает широкую приспосабливаемость организма и его эволюционные возможности.

Клетки имеют структурное сходство, т.е. сходство на разных уровнях: атомарном, молекулярном, надмолекулярном и т.д.
Клетки имеют функциональное сходство, единство химических процессов метаболизма.

Содержание химических элементов в клетке. Вода и другие неорганические вещества, их роль в жизнедеятельности клетки.

Химическая организация клетки:
80% - вода.
1-2% - липиды
1-2% - неорганические вещества.
1-2% - нуклеиновые кислоты.
1-1,5% - низкомолекулярные вещества.
1-2% - углеводы.
10-12% - белки.
Химический состав неорганических веществ клетки:

Кислород – 65-75 %	Магний – 0,02-0,03%	Цинк – 0,0003%
Углерод – 15-18%	Натрий – 0,02-0,03%	Медь – 0,0002%
Водород – 8-10%	Кальций – 0,04-2,00%	Йод – 0,0001%
Азот – 1,5-3.0%	Железо – 0,01-0,015%	Фтор – 0,0001%
	Сера – 0,15-0,20%
	Калий – 0,15-0,40%
	Фосфор – 0,20-1,00%
	Хлор – 0,05-0,10%

Вода – обязательный компонент клетки. В ней растворены многие вещества, в т.ч. органические (гидрофильные – углеводы и гидрофобные – белки). Вода необходима для работы ферментов.

Функции воды:

 

1. Служит для протекания реакций.

2. Участвует в химических реакциях

3. Регулирует обмен веществ

4. Участвует в терморегуляции

5. Смачивание поступающей пищи.

Биологическая роль воды определяется особенностью ее молекулярной структуры.

Осмос – проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией. Давление воды, с которой она давит на мембрану – осмотическое давление. Растворы, имеющие одинаковое осмотическое давление называются изотоническими.

Растворы:

 

1. Гипертонические – вызывают сморщивание клеток

2. Гипотонические – вызывают разрыв клеток

Тургор – давление, с которым вода давит изнутри на оболочку.

Соли:
К неорганическим веществам кроме воды относятся и соли. Они находятся в диссоциироранном состоянии: Na⁺ , K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ - катионы и HPO₄^2-, H₂PO₄^-, HCO₃^- - анионы. От концентрации солей зависит осмотическое давление и ее буферные свойства, т.е. поддерживать реакцию на слабощелочном или нейтральном уровне РН.
РН – отрицательный логарифм концентрации водородных ионов.
РН = 7 – среда нейтральная.
РН = (7;14) – щелочная среда.
РН = (1;7) – кислая среда.

В некоторых клетках находятся нерастворимые минеральные соли (костные клетки) за счет присутствия Ca₃PO₄, CaCO_3.

3. Органические вещества клетки: липиды, АТФ, биополимеры (углеводы, белки, нуклеиновые кислоты) и их роль в клетке.

Липиды - сложные эфиры высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Липиды содержатся во всех клетках животных и растений. Они входят в состав многих клеточных структур. Витамины А, D, E, К – являются жирорастворимыми.
Функции жиров:

 

1. Энергетическая – 1г. жира – 9,2 ккал.

2. Строительная – входит в состав всех мембран.

3. Некоторые липиды являются предшественниками гормонов – регулируют обмен веществ.

4. Защитная.

5. Терморегуляторная.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)
АТФ обеспечивает клетку энергией. Любое проявление жизнедеятельности нуждается в затрате энергии. Энергетический обмен связан с пластическим. Все реакции пластического обмена нуждаются в затрате энергии. Для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный синтез ферментов, т.к. продолжительность жизни ферментов невелика. Через пластический и энергетический обмен осуществляется связь клетки с внешней средой. Живая клетка представляет собой открытую систему, т.к. между клеткой и внешней средой постоянно происходит обмен веществ и энергией.

Клетка – высокоорганизованная структура, в которой экономно расходуется материалы и энергия и процессы идут с высоким КПД. КПД митохондрий - 45-60%, хлоропластов – 25%.

Использование энергии АТФ:

 

1. Ассимиляция.

2. Транспорт веществ.

3. Деление клетки и ее органоидов.

4. На процессы жизнедеятельности.

Углеводы - органические вещества с общей формулой (CH₂O)_n. В живой клетке - 1-2%, в печени и мышцах – до 5%. В растительной клетке до 90% (картофель, семена).

Углеводы:

 

1. Простые – моносахариды – определяются по числу атомов углерода: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы. Наиболее важны: пентозы C₅H₁₀O₅ и гексозы C₆H₁₂O₆. Из петоз выделяют рибозы и дезоксирибозы (рибозы входят в состав РНК, АТФ; дезоксирибозы - ДНК). Из гексоз выделяют глюкозу, фруктозу, галактозу.

2. Сложные – дисахариды, полисахариды.

Дисахариды – сахароза (глюкоза + фруктоза), лактоза (глюкоза + галактоза).

Подисахариды – состоят из множества молекул моносахаридов: целлюлоза (полимер из 150-200 молекул глюкозы), крахмал.

Функции углеводов:

 

1. Энергетическая – окисление в митохондриях мышц.

2. Строительная – целлюлоза в клеточной стенки растений, хитин в скелете членистоногих.

Белки - входят в состав всех организмов. По химической природе – белки – полимеры, мономеры которых – аминокислоты. Аминокислота – органическая кислота.

Состав аминокислоты:

 

1. Аминогруппа – NH₂

2. Карбоксильная группа – СООН

Аминогруппа в цепи белка соединена пептидной связью (CO-NH), образована карбоксильной группой и группой другой аминокислоты.

Живыми организмами используется только 20 аминокислот, хотя существует их значительно больше: глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, серин, треонин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, аспарагин, глутамин, лизин, аргинин, цистеин, метионин, фенилаланин, тирозин, триптофан, гистидин, пролин.

Различают 4структуры белка:

Первичная структура -аминокислотная цепь, связанная между собой пептидными связями.

Вторичная структура - белковая нить закручена в спираль и соединение участков цепи происходит за счет водородных связей (Н-Н).

Третичная структура – сворачивание вторичной структуры в клубок. Эта структура специфическая для каждой молекулы белка. Сворачивание происходит за счет дисульфидных мостиков (-S-S-), и сульфгидрильных мостиков (-S-H-).

Четвертичная структура – имеется не у всех белков – объединение нескольких структур (субъединиц). Например: гемоглобин.

По своему составу белки бывают:

 

1. Простые – состоят только из аминокислот

2. Сложные – содержат нуклеиновые кислоты (нуклеопротеиды), жиры (липопротеиды), углеводы (гликопротеиды), металлы (металлопротеиды).

Функции белков:

 

1. Строительная (мембраны, ядро).

2. Транспортная (перенос О₂ гемоглобином).

3. Ферментативная (ускорение биохимических реакций).

4. Двигательная (сократительная).

5. Защитная (гаммаглобулины).

6. Энергетическая (1г. – 4,2 ккал).

7. Сигнальная.

Нарушение природной структуры белка называется денатурацией. Денатурация бывает обратимой и необратимой. Ренатурация – восстановление структуры белка после прекращения воздействия.

Ферменты, их роль в процессе жизнедеятельности.

По химической природе ферменты – белки. Ферменты – биологические катализаторы. Они способствуют ускорению реакций, входят в состав тканей.

Ферменты специфически катализируют химические реакции, т.е. 1 фермент катализирует 1 тип реакций. И превращает лишь в соответствующий субстрат. Ферменты в основном катализируют превращение веществ, размеры которых по сравнению с размерами фермента очень малы.

Ферменты бывают:

 

1. Простые

2. Сложные

Простые – состоят только из белка, молекулы которых имеют активный центр – определенную, специфическую для фермента группу аминокислот в молекуле. В основном это гидролитические ферменты: амилаза, пепсин, трипсин и др.

Сложные – состоят из белковой и небелковой части. Белок называется апоферментом (носителем фермента). Небелковая часть – коферментом или простатической группой: пример – органические вещества: витамины, НАД, НАДФ; неорганические вещества: атомы металлов – железо, цинк, магний. Апофетмент отвечает за специфичность молекулы фермента с молекулой субстрата. Кофермент отвечает за тип катализируемой реакции.

Механизм действия ферментов:

Снижение энергии активации, т.е. снижение уровня энергии, необходимой для придания реакционной способности молекулы субстрата т.к. молекула фермента имеет большую величину, то возникает сильное электрическое поле, в которой молекула субстрата становится асимметричной, в результате чего химические связи в ней ослабевают.

Фермент образует с субстратом фермент-субстратный комплекс. Присоединение субстрата происходит с помощью активного центра. По завершению реакции комплекс распадается на фермент и продукт реакции. Ферменты образуют в клетке ферментные системы (мультиферментативные комплексы). При этом продукт предыдущей реакции является субстратом для последующей.

Активность ферментов в клетках контролируется на генетическом уровне по принципу обратной связи.

Свойства ферментов:

 

1. Специфичны

2. В отличие от химических катализаторов – ускоряют реакции в обычных условиях.

3. Активность ферментов меняется в зависимости от Т⁰, РН, концентрации субстрата.

4. Активируют в малых количествах, т.е. не разрушаются в процессе реакций

5. Ферменты – белки и имеют свойства белков.

Классификация ферментов:

В 1961 году Международный биохимический съезд утвердил классификацию ферментов, в основу которого положен тип реакции, катализируемый данным ферментом. По этому принципу все ферменты разделены на 6 классов:

 

1. Оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции.

2. Трансферазы – катализирующие перенос атомов или радикалов: пример – каталаза – 2Н₂О₂ = 2Н₂О + О₂

3. Гидролазы - ферменты разрывающие внутримолекулярные связи путем присоединения молекул воды: например – фосфатаза.

4. Лиазы – Ферменты, отщепляющие от субстрата ту или иную группу негидролитическим путем, например, отщепление карбоксильной группы декарбоксилазой.

5. Изомеразы – ферменты, катализирующие превращение одного изомера в другой: глюкозо-6-фосфат в глюкозо-1-фосфат.

6. Синтеазы – ферменты, катализирующие реакции синтеза, синтез пептидов из аминокислот, т.е. катализируют реакции соединения молекул с образование новых связей.