Биология в таблицах и схемах / Помогайбо В.М., Помогайбо Т.В. Біологія. навчальний експрес-довідник

Таблиця 6. Порівняльна характеристика ДНК та РНК.

1.1.3. Обмін речовин та перетворення енергії в клітині.

Увесь комплекс хімічних реакцій розпаду, синтезу, переносу речовин та утворення енергії, які відбуваються в клітинах, зв’язаних між собою та з оточуючим середовищем, називається обміном речовин, або метаболізмом. Завдяки метаболізмові зберігається динамічна сталість внутрішнього середовища клітини всупереч мінливості зовнішніх умов.

Обмін речовин в клітині здійснюється за участі ферментів. Він складається з двох нерозривно зв’язаних протилежних процесів: асиміляції та дисиміляції.

Таблиця 7. Зміст обміну речовин.

1 2

Схема 1. Синтез АТФ у мітохондрії клітини

Пояснення до схеми 1. Перетворення речовин та енергії в процесі дисиміляції.

І етап - підготовчий: складні органічні речовини під дією травних ферментів розпадаються на прості і виділяється тільки теплова енергія.

Білки амінокислоти.

Жири гліцерин та жирні кислоти. Крохмаль глюкоза.

ІІ етап - гліколіз (безкисневий): здійснюється в гіалоплазмі і з мембранами не пов’язаний; у ньому беруть участь ферменти; розщеплення зазнає глюкоза:

ІІІ етап - гідроліз (кисневий): здійснюється в мітохондріях; пов’язаний з матриксом мітохондрій і внутрішньою мембраною; у ньому беруть участь ферменти; розщеплення зазнає молочна кислота:

С3Н6О3 + 3Н2О 3СО2 + 12Н

1 3

СО2 (діоксид вуглецю) виділяється із мітохондрій в оточуюче середовище. Атом водню включається в ланцюг реакцій, кінцевий результат яких - синтез АТФ. Ці реакції відбуваються в такій послідовності:

1.Атом водню Н за допомогою ферментів-носіїв надходить до внутрішньої мембрани мітохондрії, що має кристи, де він окислюється:

2.Протон водню Н+ (катіон) виноситься носіями на зовнішню поверхню мембрани крист. Для протонів ця мембрана непроникна, тому вони накопичуються у міжмембранному просторі, утворюючи так званий протонний резервуар.

3.Електрони водню е- переносяться на внутрішню поверхню мембрани крист і тут же приєдну-

ються до кисню за допомогою ферменту оксидази, утворюючи від’ємно заряджений активний кисень (аніон):

О2 + е- О2-

4.Катіони та аніони по обидва боки мембрани утворюють різнойменно заряджене електричне поле, і коли різниця потенціалів досягне 200 мВ, починає діяти протонний канал. Він виникає в молекулах ферментів АТФ-синтетаз, які вмонтовані у внутрішню мембрану, що утворює кристи.

5.Через протонний канал протони водню Н+ прямують всередину мітохондрії, створюючи висо-

кий рівень енергії, більша частина якої йде на синтез АТФ із АДФ та Ф (АДФ + Ф АТФ), а протони Н+взаємодіють з активним киснем, утворюючи воду та молекулярний О2:

4Н+ + 2О2- 2Н2О + О2

Таким чином, О2, який надходить у мітохондрії в результаті дихання організму, необхідний для приєднання протонів водню Н+. За його відсутності весь процес у мітохондріях припиняється, тому що електроннотранспортний ланцюг перестає функціонувати. Загальна реакція третього етапу:

2С3О6Н3 + 6О2 +36АДФ + 36Ф 6СО2 + 36АТФ + 42Н2О.

В результаті розщеплення однієї молекули глюкози утворюються 38 молекул АТФ: на ІІ етапі - 2АТФ та на

ІІІ етапі - 36АТФ. Утворені молекули АТФ виходять за межі мітохондрії і беруть участь у всіх процесах клітини, де необхідна енергія. Розщеплюючись, АТФ втрачає енергію (один фосфатний зв’язок містить 40 кДж) і у вигляді АДФ та Ф повертається у мітохондрію.

1 4

Схема 2. Процес фотосинтезу

Пояснення до схеми 2. Фотосинтез.

Процес фотосинтезу здійснюється у хлоропластах двома етапами. У гранах (тилакоїдах) проходять реакції, які збуджуються світлом (світлові), а у стромі - реакції, що не пов’язані зі світлом (темнові, фіксації вуглецю).

Світлові реакції.

1. Світло, попадаючи на молекули хлорофілу, які знаходяться у мембранах тилакоїдів гран, надає їм

збудженого стану. В результаті цього електрони е- сходять зі своїх орбіт і переносяться за допомогою носі-

їв (НАДФ - нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат) за межі мембрани тилакоїда, де і накопичуються, створюючи від’ємно заряджене електричне поле.

2. Місце втрачених електронів у молекулах хлорофілу займають електрони води е- ,яка під дією

воду та вільний кисень, який виділяється в атмосферу.

3. Протони водню Н+ не проникають через мембрану тилакоїда і накопичуються всередині, утворюючи позитивно заряджене електричне поле, що приводить до збільшення різниці потенціалів по обидва боки мембрани.

4.По досягненню критичної різниці потенціалів протони Н+ прямують протонним каналом в ферменті АТФ-синтетазі, який вмонтований в мембрану тилакоїда, назовні. На виході з протонного каналу створюється високий рівень енергії, яка йде на синтез АТФ (АДФ + Ф АТФ). Утворені молекули АТФ переходять у строму, де беруть участь в реакції фіксації вуглецю.

5.Протони Н+, що вийшли на поверхню мембрани тилакоїда, з’єднуються з електронами е-, утворюючи атомарний водень Н, який іде на відновлення носія НАДФ+ :

2е- + Н+ + НАДФ+ НАДФ . Н (носій з приєднаним воднем).

1 5

Таким чином, активований світловою енергією електрон хлорофілу використовується для приєднання

водню до носія. НАДФ . Н переходить в строму хлоропласта, де бере участь в реакціях фіксації вуг-

лецю.

Реакції фіксації вуглецю (темнові реакції).

Відбуваються в стромі хлоропласта, куди надходять АТФ та НАДФ . Н з тилакоїдів гран і СО2 з

повітря. Крім того, там постійно знаходяться 5-вуглецеві сполуки - пентози С5, які утворюються в циклі Кальвіна (цикл фіксації СО2). Цей цикл можна прослідкувати по вуглецю як головному елементу вуглеводів.

1.До пентози С5 приєднується СО2, завдяки чому з’являється нестійка 6-вуглецева сполука С6, яка розщеплюється на дві 3-вуглецеві групи 2С3 - тріози.

2.Кожна з тріоз 2С3 приєднує по одній фосфатній групі від 2АТФ, що збагачує молекули енергією.

3.Кожна з тріоз 2С3 приєднує також по одному атому водню від 2НАДФ.Н.

4.Після цього одні тріози об’єднуються, утворюючи вуглеводи:

2С3 С6 С6Н12О6 (глюкоза).

5.Інші тріози об’єднуються, утворюючи пентози 5С3 3С5, та знову включаються в цикл фіксації СО2.

1 6

Схема 3. Біосинтез білка

Пояснення до схеми 3. Біосинтез білку.

Синтез білку складається з двох етапів - транскрипції та трансляції.

І. Транскрипція (переписування) - біосинтез молекул РНК, що відбувається у хромосомах на молекулах ДНК за принципом матричного синтезу. За допомогою ферментів на відповідних ділянках молекули ДНК (генах) синтезуються всі види РНК ( іРНК, рРНК та тРНК). Синтезується 20 різновидів тРНК, адже в синтезі білку бере участь 20 амінокислот. Потім іРНК та тРНК виходять в цитоплазму, рРНК вмонтовується в субодиниці рибосом, які також виходять у цитоплазму.

ІІ. Трансляція (передача) - синтез поліпептидних ланцюгів білків, відбувається у рибосомах. Вона супроводжується такими подіями:

1.Утворення функціонального центру рибосоми - ФЦР, який складається з іРНК та двох субодиниць рибосом. У ФЦР завжди містяться два триплету (6 нуклеотидів) іРНК, що утворюють два активні центри: А (амінокислотний) - центр пізнавання амінокислоти та П (пептидний) - центр приєднання амінокислоти до пептидного ланцюжка.

2.Транспортування амінокислот, приєднаних до тРНК, із цитоплазми в ФЦР.В активному центрі А відбувається співставлення антикодону тРНК з кодоном іРНК. У разі комплементарності виникає зв’язок, який є сигналом для просування рибосоми вздовж іРНК на один триплет. Внаслідок цього комплекс “кодон рРНК і тРНК з амінокислотою” переміщується в активний центр П, де і відбувається приєднання амінокислоти до пептидного ланцюжка (білкової молекули). Після цього тРНК залишає рибосому.

3.Пептидний ланцюжок подовжується до тих пір, доки не закінчиться трансляція, а рибосома не зіскочить з іРНК. На одній іРНК може вміститися одночасно декілька рибосом (полісома). Поліпептидний ланцюжок занурюється в канал ендоплазматичної сітки і там набуває вторинної, третинної та четвертинної структури. Швидкість складання однієї молекули білку, яка містить 200-300 амінокислот, становить 1-2 хвилини.

Формула біосинтезу білка:

ДНК (транскрипція) РНК (трансляція) білок

1 7

1.1.4. Життєвий цикл клітини. Розмноження організмів.

Важливою властивістю клітини як живої системи є здатність її до самовідтворення, яке лежить у основі процесів росту, розвитку та розмноження організмів. Період від закінчення одного поділу до закінчення наступного поділу клітини називається життєвим циклом клітини або клітинним циклом. Існує три способи поділу клітин: амітоз, мітоз та мейоз. Амітоз являє собою прямий поділ ядра та цитоплазми клітини без формування видимих хромосом. Він має місце в процесі розмноження одноклітинних організмів (амеба).

Таблиця 8. Мітотичний цикл та мітоз.

1 8

Здатність до розмноження є невід’ємною властивістю будь-якого організму. Завдяки цьому забезпечується збереження кожного виду організмів та взагалі життя в природі.

Таблиця 10. Розмноження організмів.

Таблиця 11. Утворення статевих клітин у тварин.

1.2. Початки генетики.

Генетика вивчає спадковість та мінливість живих організмів.

1.2.1. Закономірності спадковості.

Спадковість - це властивість організмів, що забезпечує відтворення їх матеріальних та функціональних особливостей у низці поколінь. Функціональною одиницею спадковості є ген, що являє собою ділянку молекули ДНК (у деяких вірусів - РНК). Він має досить складну будову.

Угенетиці вживається така символіка, запропонована ще Г. Менделем:

РР- parents (лат. - батьки) - батьківські організми, що використовуються для схрещування.

дзеркальце богині Венери - жіноча особина.

- спис та щит бога Марса - чоловіча особина.

F - filii (лат. - діти) - гібридне покоління.

F1 - перше гібридне покоління

F2 - друге гібридне покоління.

Fn - енне гібридне покоління.

А , або інша велика літера латинської абетки - домінантний ген, або домінуюча ознака.

2 0