Реакции синтеза органических веществ идут в клетке одновременно с процессами расщепления. Сложные специфические биополимеры (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты) синтезируются из простых веществ, образовавшихся в результате процессов диссимиляции.
Синтезируемые органические вещества используются для построения различных органоидов клетки, ферментов, секретов и запасных веществ, взамен израсходованных. Все эти процессы идут с поглощением энергии. Синтез веществ, идущий в клетке, называют биосинтезом или пластическим обменом.
На этом этапе на ряде промежуточных звеньев суммарно выделяется 2600 кДж энергии.
На образование 36 макроэргических связей при превращении АДФ в АТФ затрачивается 1440 кДж, или 54% освобождаемой энергии, которая переходит в потенциальную энергию АТФ. Следовательно, при кислородном расщеплении образуется в 13 раз больше энергии, чем при бескислородном, а клеткой в форме АТФ ее сберегается в 18 раз больше.
Суммарное уравнение полного расщепления глюкозы на двух этапах можно записать так:
По способу получения органических соединений все клетки делятся на автотрофные и гетеротрофные (см. раздел «Ботаника»).
Образовавшаяся при этом АТФ по каналам эндоплазматической сети направляется в другие участки клетки, где возникает в ней потребность. Таким образом, из образовавшейся энергии при расщеплении глюкозы для клетки суммарно сохраняется 80 кДж + 1440 кДж = 1520 кДж, или 55% энергии, которая переходит в потенциальную энергию и в дальнейшем используется клеткой. Поэтому реакция расщепления называется энергетическим обменом.
Фотосинтез (цв. табл. I) - это уникальный процесс образования органических соединений из неорганических веществ с использованием энергии света. Впервые процесс фотосинтеза и роль в нем хлорофилла растений описал выдающийся русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев (1843-1920). Фотосинтез - это сложный многоступенчатый процесс, протекающий в две фазы - световую и темновую.
Световая фаза начинается с освещения хлоропласта видимым светом. Под действием квантов света некоторые из подвижных электронов молекул хлорофилла переходят на более высокий энергетический уровень и приобретают потенциальную энергию. Часть таких «возбужденных» электронов возвращается на прежнее место, а выделяющаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. Другая их часть при участии переносчиков выступает в роли восстановителей и присоединяется к ионам водорода, постоянно образующимся в клетках при диссоциации молекул воды (Н 2 O =Н + +ОН —). Ионы водорода, присоединив электрон, превращаются в атомы водорода (Н + +е — = Н) и соединяются с молекулами веществ-переносчиков.
Ионы ОН — , оставшиеся без противоионов водорода, отдают свои электроны другим ионам и превращаются в радикалы ОН (ОН =е — +ОН). Взаимодействуя между собой, они образуют воду и молекулярный кислород (40Н= 2Н 2 O+O 2).
Процесс образования молекулярного кислорода при разложении воды под влиянием энергии света называется фотолизом воды. Его впервые изучил и описал советский ученый Александр Павлович Виноградов (1895 -1975), используя метод меченых атомов. По своему механизму фотолиз воды сходен с электролизом воды.
Кроме того, в световую фазу некоторые из «возбужденных» электронов хлорофилла и электронов, отделившихся от ионов ОН — , участвуют в образовании макроэргической фосфатной связи при синтезе АТФ из АДФ и неорганического фосфата (ф) (АДФ + Ф = АТФ).
Таким образом, в световую фазу фотосинтеза в результате поглощения хлорофиллом световой энергии за счет «возбужденных» электронов происходит фотолиз воды с выделением кислорода и синтез АТФ.
Темновая фаза фотосинтеза состоит из ряда последовательных ферментативных реакций по связыванию СO 2 , в результате которых образуется глюкоза, служащая исходным материалом для биосинтеза других органических веществ растения. Этот процесс идет за счет энергии АТФ при участии атомов водорода, образовавшихся в световую фазу (6СO 2 +24Н=С 6 Н 12 O 6 +6Н 2 O).
Суммарное уравнение фотосинтеза следующее:
6СO 2 +6Н 2 O = С 6 Н 12 O 6 + 6O 2
Мембранная структура хлоропласта осуществляет при этом разграничение реакционноспособных веществ.
Продуктивность фотосинтеза - 1 г органического вещества на 1 м 2 листьев в 1 ч. Ежегодно в результате фотосинтеза образуется около 400 млрд. т органического вещества. Годовая потребность одного человека в кислороде обеспечивается функционированием 10-12 деревьев среднего возраста в течение вегетации. Установлено, что продуктивность фотосинтеза возрастает с повышением, до определенного уровня, интенсивности освещения, содержания СO 2 , температуры и влажности окружающего воздуха. Эти закономерности широко используют при выращивании растений в защищенном грунте.
Хемосинтез был открыт в 1888 г. русским биологом С. Н. Виноградским, доказавшим способность некоторых бактерий ассимилировать углекислоту за счет химической энергии. Существует несколько групп хемосинтезирующих бактерий, из которых наибольшее значение имеют нитрофицирующие, серобактерии и железобактерии. Например, нитрофицирующие бактерии получают энергию для синтеза органических веществ, окисляя аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты; серобактерии - окисляя сероводород до сульфатов, а железобактерии - превращая закисные соли железа в окисные. Освобожденная энергия аккумулируется в клетках хемосинтезирующих бактерий в форме АТФ. Процесс хемосинтеза, при котором из СO 2 образуется органическое вещество, протекает аналогично темновой фазе фотосинтеза.
Благодаря жизнедеятельности бактерий - хемосинтетиков в природе накапливаются большие залежи селитры и болотной руды.
Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки, идущие на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.
Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, состоящий из нескольких сот нуклеотидов, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Одна макромолекула ДНК содержит несколько сот генов. В молекуле записан код о последовательности аминокислот в белке в виде Определенно сочетающихся нуклеотидов. Сущность кода ДНК состоит в том, что каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов - триплетов . Например, А - - Ц - А соответствует аминокислоте цистеину, А - А - Ц - лейцину, Т - Т - Т - лизину и т. д. Разных аминокислот 20, число возможных сочетаний из 4 нуклеотидов по 3 равно 64. Следовательно, триплетов с избытком хватит для всех аминокислот.
Биосинтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.
Суть реакций матричного синтеза состоит в том, что новые молекулы белка синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре существующих молекул ДНК. В этих реакциях обеспечивается точная специфическая последовательность мономеров в синтезируемых полимерах.
В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в различных частях клетки.
Синтез и-РНК (происходит в ядре). Информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптис» - переписывание).
При этом против каждого нуклеотида одной из цепей ДНК встает комплементарный ему нуклеотид и-РНК. Молекулы и-РНК индивидуальны, каждая из них несет информацию одного гена.
Соединение аминокислот с молекулами т-РНК (происходит в цитоплазме). Молекулы т-РНК состоят из 70-80 нуклеотидов. В цепочке т-РНК имеется ряд нуклеотидных звеньев, комплементарных друг другу. При сближении они слипаются, образуя структуру, напоминающую лист клевера (61). К «черешку» листа присоединяется определенная аминокислота, а на «верхушке» листа расположен кодовый триплет нуклеотидов, соответствующий определенной аминокислоте. Для каждой из 20 аминокислот существует своя т-РНК.
«Сборка белка» (происходит в рибосомах). К рибосомам направляются из ядра и-РНК. При этом на одной молекуле и-РНК одновременно располагаются несколько рибосом, образующих комплекс, называемый полирибосомой. Это обеспечивает одновременный синтез большого количества одинаковых молекул белка.
Из цитоплазмы т-РНК с «навешенными» на них аминокислотами подходят к рибосомам и своим кодовым концом дотрагиваются до триплета нуклеотидов и-РНК, проходящего в данный момент через рибосому. В это время противоположный конец т-РНК с аминокислотой попадает в место «сборки» белка и, если кодовый триплет т-РНК окажется комплементарным триплету и-РНК, находящемуся в данный момент в рибосоме, аминокислота отделяется от т-РНК и попадает в состав белка, а рибосома делает «шаг» на один триплет по и-РНК (триплеты и-РНК, соответствующие каждой из 20 аминокислот, см. в приложении).
Отдав аминокислоту, т-РНК покидает рибосому, ей на смену приходит другая, с иной аминокислотой, составляющей следующее звено в строящейся белковой молекуле (62). Так звено за звеном собирается полипептидная цепь белка, а информация о структуре белка, записанная в и-РНК в виде последовательности нуклеотидов, воспроизводится на полипептидной цепи белка в виде последовательности аминокислот. Этот процесс называется трансляцией (от лат. «трансляция» - перенос) (см. приложение, задачу 2 и таблицу). Когда синтез молекулы белка закончен, рибосома сходит с и-РНК. Образовавшийся белок поступает в эндоплазматическую сеть и по ее каналам в другие части клетки, а рибосома поступает на другую и-РНК и участвует в синтезе другого белка. Все реакции белкового синтеза катализируются специальными ферментами, а энергию доставляет АТФ.
ДНК – носитель всей генетической информации в клетке – непосредственного участия в синтезе белка (реализации этой наследственной информации) не принимают. В клетках животных и растений молекулы ДНК отделены ядерной мембраной от цитоплазмы, где происходит синтез белков. К рибосомам - местам сборки белков - высылается из ядра посредник, который несет скопированную информацию и способен пройти через поры ядерной мембраны. Таким посредником является информационная РНК, которая участвует в матричных реакциях.
Матричные реакции - это реакции синтеза новых соединений на основе «старых» макромолекул, выполняющих роль матрицы, т. е. формы, образца для копирования новых молекул. Матричными реакциями реализации наследственной информации, в которых принимают участие ДНК и РНК являются:
1. Репликация ДНК – удвоение молекул ДНК, благодаря которым передача генетической информации осуществляется от поколения к поколению. Матрицей является материнская ДНК.
2. Транскрипция (лат. transcription – переписывание) – это синтез молекул РНК по принципу комплементарности на матрице одной из цепей ДНК. Происходит в ядре под действием фермента ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Информационная РНК – это одноцепочная молекула, и копирование гена идет с одной нити двуцепочной молекулы ДНК. Язык триплетов ДНК переводится на язык кодонов и-РНК. В результате транскрипции разных генов синтезируются все виды РНК. Затем и-РНК, т-РНК, р-РНК через поры в ядерной оболочке выходят в цитоплазму клетки для выполнения своих функций.
3. Трансляция (лат. translatio – передача, перевод) – это синтез полипетдиных цепей белков на матрице зрелой и-РНК, осуществляемый рибосомами. В этом процессе выделяют несколько этапов:
Этап первый – инициация (начало синтеза). В цитоплазме на один из концов и-РНК (именно на тот, с которого начинался синтез молекулы в ядре) вступает рибосома и начинает синтез полипептида. Молекула т-РНК, транспортирующая аминокислоту глутамин (т-РНК ГЛН), соединяется с рибосомой и прикрепляется к началу цепи и-РНК (кодом УАГ). Рядом с первой т-РНК (не имеющей никакого отношения к синтезирующему белку) присоединяется вторая т-РНК с аминокислотой. Если антикодон т-РНК, то между аминокислотами возникает пептидная связь, которую образует определенный фермент. После этого т-РНК покидает рибосому (уходит в цитоплазму за новой аминокислотой), а и-РНК перемещается на один кодон.
Второй этап – элонгация (удлинения цепи). Рибосома перемещается по молекуле и-РНК не плавно, а прерывисто, триплет за триплетом. Третья т-РНК с аминокислотой связывается своим антикодоном с кодоном и-РНК. При установлении комплиментарности связи рибосома делает еще шаг на один «кодон», а специфический фермент «сшивает» пептидной связью вторую и третью аминокислоту - образуется пептидная цепь. Аминокислоты в растущей полипептидной цепи соединяются в той последовательности, в которой расположены шифрующие их кодоны и-РНК (рис. 14).
Третий этап – терминация (окончание синтеза) цепи. Происходит при трансляции рибосомой одного из трех «нонсенс-кодонов» (УАА, УАГ, УГА). Рибосомы соскакивают с и-РНК, синтез белка завершен.
Таким образом, зная порядок расположения аминокислот в молекуле белка, можно определить порядок нуклеотидов (триплетов) в цепи и-РНК, а по ней – порядок пар нуклеотидов в участке ДНК и наоборот, учитывая принцип комплиментарности нуклеотидов.
Но в процессе матричных реакций могут происходить изменения – мутации. Это генные мутации на молекулярном уровне - результат различных повреждений в молекулах ДНК – затрагивают один или несколько нуклеотидов. Все формы генных мутаций можно разделить на две большие группы.
Первая группа - сдвиг рамки считывания – представляет собой вставки или выпадения одной или нескольких дар нуклеотидов. В зависимости от места нарушения изменяется то или иное количество кодонов. Это наиболее тяжелые повреждения генов, так как в белок будут включены совершенно другие аминокислоты. На такие делеции и вставки приходится 80% всех спонтанных генных мутаций.
Наибольшим повреждающим действием обладают нонсенс – мутации, которые связаны с появлением кодонов-терминаторов, вызывающих остановку синтеза белка. Это может привести к преждевременному окончанию синтеза белка, который быстро деградирует. Результат – гибель клетки или изменение характера индивидуального развития.
Мутации, связанные с заменой, выпадением или вставкой в кодирующей части гена фенотипически проявляются в виде замены аминокислот в белке. В зависимости от природы аминокислот и функциональной значимости нарушенного участка, наблюдается полная или частичная потеря функциональной активности белка. Это выражается в снижении жизнеспособности, изменении признаков организмов и т.д.
Вторая группа – это генные мутации с заменой пар оснований нуклеотидов. Существуют два типа замены оснований:
1. Транзиция – замена одного пуринового на другое пуриновое основание (А на Г или Г на А) или одного пиримидинового на другое пиримидиновое (Ц на Т или Т на Ц).
2. Трансверсия– замена одного пуринового основания на пиримидиновое или наоборот (А на Ц, или Г на Т, или А на У). Примером трансверсии является серповидно-клеточная анемия, возникающая из-за наследственного нарушения структуры гемоглобина. У мутантного гена, кодирующего одну из цепей гемоглобина, нарушен всего один нуклеотид, и в и-РНК происходит замена аденина на урацил (ГААна ГУА). В результате происходит изменение биохимического фенотипа, в β-цепи гемоглобина глутаминовая кислота заменена на валин. Эта замена изменяет поверхность гемоглобиновой молекулы: вместо двояковогнутого диска клетки эритроцитов становятся похожи на серпы и либо закупоривают мелкие сосуды, либо быстро удаляются из кровообращения, что быстро приводит к анемии.
Таким образом, значимость генных мутаций для жизнедеятельности организма неодинакова:
· некоторые «молчащие мутации» не оказывают влияния на структуру и функцию белка (например, замена нуклеотида, не приводящая к замене аминокислот);
· некоторые мутации ведут к полной потере функции белка и гибели клеток (например, нонсенс-мутации);
· другие мутации - при качественном изменении и-РНК и аминокислот ведут к изменению признаков организма;
· некоторые мутации, изменяющие свойства белковых молекул, оказывают повреждающее действие на жизнедеятельность клеток – такие мутации обусловливают тяжелое течение болезней (например, трансверсии).
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Введение. Молекулярные основы наследственности
Введение.. генетика от греч genesis происхождение как наука о закономерностях.. i этап гг период классической генетики развитие менделизма..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
Основные виды наследственности
Генетика– наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости живых организмов.
Наследственность– это способность организмов повторять в покол
Основные носители наследственности
Основными носителями ядерной наследственности являются хромосомы,расположенные в ядре клетки. У каждой хромосомы имеются химические компоненты: одна гигантская молекула ДНК
Понятие о кариотипе человека
Число, размеры и форма хромосом являются специфическими признаками для каждого вида живых организмов. Так, в клетках рака-отшельника содержится по 254 хромосомы, а у комара – только 6. Соматические
Правила хромосом
Существует 4 правила хромосом:
Правило постоянства числа хромосом.Соматические клетки организма каждого вида в норме имеют строго определенное число хромосом (напри
Клеточный и митотический циклы
Клеточный (жизненный) цикл– это период в жизнедеятельности клетки от момента ее появления до гибели или образования дочерних клеток.Митотический цикл - это период в жизнедеятельности
Размножение на организменном уровне
Гаметогенез – это процесс образования гамет - мужских и женских половых клеток. Яйцеклетки образуются в женских гонадах (яичниках) и имеют крупные размеры
Особенности репродукции человека
Особенности репродукции человека обусловлены его спецификой как биологического и социального существа.
Способность к репродукции становится возможной с наступлением половой зрелости, призн
Нуклеиновые кислоты
В 1869 г. швейцарский биохимик Иоганн Фридрих Мишер впервые обнаружил, выделил из ядер клеток и описал ДНК. Но только в 1944 г. О. Эйвери, С. Маклеодом и М. Макарти бала доказана генетическая роль
Генетический код и его свойства
Для осуществления экспрессии гена существует генетический код - строго упорядоченная зависимость между основаниями нуклеотидов и аминокислотами (табл. 3).
Общепринятые сокращения на
Основные свойства генетического кода
1. Триплетность – одной аминокислоте соответствуют три рядом расположенных нуклеотида, называемые триплетом (кодоном) (триплеты в и-РНК называются кодонами);
2. Универсаль
Уровни организации наследственного материала
Различают следующие уровни структурно-функциональной организации наследственного материала эукариот: генный, хромосомный и геномный.
Элементарной структурой генного уровня органи
Цитологические и молекулярные основы изменчивости организмов
Генетика изучает не только явление наследственности, но и явление изменчивости. Изменчивость – это свойство живых организмов изменяться под действием факторов внешней и внут
Ненаследственная изменчивость
Ненаследственная (фенотипическая) изменчивость– это тип изменчивости, отражающий изменения фенотипа под действием условий внешней среды, не затрагивающих генотип. Степень ее вы
Наследственная изменчивость
Генотипическая (наследственная) изменчивость –это наследственные изменения признаков организма, определяемые генотипом и сохраняемые в ряду поколений. Она представлена двумя ви
Мутационная изменчивость
Мутация– это скачкообразное, устойчивое изменение генетического материала под влиянием факторов внешней или внутренней среды, передающееся по наследству. Организм, наследственн
Молекулярный механизм мутаций
Мутации, связанные с изменением структуры молекулы ДНК, называются генными. Они представляют собой выпадение или вставку одного, или нескольких азотистых оснований, либо то и другое одноврем
Характеристика мутаций на тканевом уровне
Соматические мутациипроисходят в соматических клетках, передаются по наследству только при вегетативном размножении и проявляются у самой особи (разный цвет глаз у одного челов
Мутация на уровне организма
По характеру изменения фенотипа все мутации можно разделить на следующие группы.
1. Морфологические, нарушающие признаки физического строения; безглазие, короткопал
Мутации на популяционном уровне
Считается, что любая мутация вредна, так как нарушает взаимодействие организма со средой. Однако некоторые мутации вызывают незначительные изменения в организме и не представляют особой опасности д
Действие хромосомных мутаций на различные системы организма
Степень изменения признаков организма при хромосомных мутациях зависит от величины дефектного участка и от содержания в нем важных для развития генов. Для определения последствий хромосомных мутаци
Последствия мутации в половых и соматических клетках
Результат действия мутации на фенотип человека может различаться в зависимости от типа клеток, в которых происходит изменение наследственных структур. Генеративные мутации или изменение насл
Устойчивость и репарация генетического материала
Устойчивость генетического материала обеспечивается:
диплоидным набором хромосом; двойной спиралью ДНК; вырожденностью (избыточностью) генетического кода;
Антимутагены
Мутационный процесс является источником изменений, приводящих к различным патологическим состояниям. Компенсационный принцип на современном этапе предполагает мероприятия по предотвращению генетиче
1. Предмет, задачи и методы генетики. История развития и становления генетики как науки.
2. Этапы развития классической генетики. Современная (молекулярная) генетика. Основные понятия и по
Биосинтез (биологический синтез) – это образование сложных веществ из более простых в живом организме.
Последним биосинтез отличается от химического синтеза, который идёт вне клеток – в лабораториях, на химических предприятиях, иногда – в водоёмах, почве и горных породах.
Кроме того, в биосинтезе всегда задействованы особые вещества – ферменты. Они делают возможными и/или ускоряют химические реакции. Ферментов известно около 5000, и вне живых организмов они в природе не существуют.
Природа имела в своём распоряжении миллиарды лет и испытала миллиарды способов синтеза. За это время она отобрала самые подходящие вещества, создала миниатюрные структуры для их переработки. Живая клетка превратилась в химический завод, на котором могут идти сложнейшие превращения. «Завод» работает автоматически, быстро, с минимальными потерями и максимальным выходом продукции. Отработана поставка в клетку «сырья», бесперебойное снабжение энергией, всегда наготове записанная в генах информация о том, что и как нужно делать.
Возьмём, к примеру, зелёный листок на дереве. На свету из углекислого газа и воды он безостановочно образует глюкозу. Растение ею питается, получает энергию. В руках человека мощная наука и могучая техника. Углекислого газа и воды – сколько угодно. С тоже, вроде, проблем нет. Но люди, пользуясь только этим, не в состоянии синтезировать ни крупинки глюкозы. Мы получает её совсем по-другому, причём из крахмала, который синтезировали те же растения.
Почему человек не может скопировать реакции биосинтеза?
Во-первых, потому что у нас нет такого «оборудования», каким располагает клетка.
Во-вторых, большинство ферментов – белки, чтобы их получить, человек должен выяснить строение каждого, потом найти способ их получить. Всё это возможно, но непросто. В итоге продукт химического синтеза (например, искусственный гормон) оказывается довольно дорогим.
Упростить дело можно, если хотя бы часть работы переложить на живые клетки. К примеру, аскорбиновую кислоту (витамин С) получают на заводах в итоге шести химических реакций. Одну из них обеспечивают… активные бактерии. Подобные схемы широко использует биотехнология.
Мы сравнивали клетку с заводом. Но в промышленности перенос предприятий – обычная практика. Нечто похожее делает генетическая инженерия. Так, человеческий ген белка инсулина удалось «устроить на работу» в клетку бактерии кишечной палочки. В итоге на новом месте синтезируется инсулин – неведомый и совершенно ненужный кишечной палочке, но остро необходимый больным диабетом.
Как человек использует продукты биосинтеза?
Он, не задумываясь, использует их каждую секунду своей жизни. Когда вы читаете эти строки, в ваших глазах идёт биосинтез зрительных пигментов, в печени синтезируется из глюкозы запасное вещество гликоген, костный мозг строит молекулы гемоглобина и т.п.
Кроме того, человек, вовсю потребляет готовые продукты «чужого» биосинтеза. Что такое наша еда – хлеб, мясо, масло, крупы, молоко и т.д.? Всё это смеси белков, жиров, углеводов, витаминов. То есть, продуктов биосинтеза, который прошёл в клетках растений и животных.
Биосинтез снабжает нас и промышленным сырьём. Из плесневых грибов и бактерий добываем антибиотики и витамины. Мы одеты и обуты в разные виды белкá – шерсть, мех и кожу млекопитающих, а также в хлопковую клетчатку. Натуральный шёлк отбираем у бабочек тутового шелкопряда. Целлюлозу, которую деревья синтезировали десятилетиями, превращаем в бумагу, глюкозу, вискозу, пластмассу, стройматериалы, мебель.
Можно только радоваться, что природа создала биосинтез – без него мы были бы всего этого лишены. Правда, без биосинтеза не было бы и нас самих.
Подробное решение страница стр.135 по биологии углубленный уровень для учащихся 10 класса, авторов Захаров В.Б., Мамонтов С.Г. Углубленный уровень 2015
- Гдз рабочая тетрадь по Биологии за 10 класс можно найти
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ
Вопрос 1. Что такое диссимиляция? Охарактеризуйте этапы этого процесса.
Совокупность реакции расщепления называют энергетическим обменом клетки или диссимиляцией. Диссимиляция прямо противоположна ассимиляции: в результате расщепления вещества утрачивают сходство с веществами клетки.
Энергетический обмен обычно делят на 3 этапа. Первый этап – подготовительный. На этом этапе молекулы ди- и полисахаридов, жиров, белков распадаются на мелкие молекулы – глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, крупные молекулы нуклеиновых кислот – на азотистые основания – нуклеотиды. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепловой энергии.
Второй этап – бескислородный, или неполный. Он называется также анаэробным дыханием или брожением. Термин "брожение" обычно применяют по отношению к процессам, протекающим в клетке микроорганизмов или растений. Образующиеся на этом этапе вещества при участии ферментов вступают на путь дальнейшего расщепления. В мышцах, например, в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на 2 молекулы молочной кислоты (гликолиз). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ.
Третий этап энергетического обмена – стадия аэробного дыхания, или кислородного расщепления. Реакции этой стадии энергетического обмена также катализируются ферментами. При доступе О 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.
Вопрос 2. В чём заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?
Живые организмы могут использовать только химически связанную энергию. Каждое вещество обладает определенным запасом потенциальной энергии. Главными материальными носителями ее являются химические связи, разрыв или преобразование которых приводит к освобождению энергии. Энергетический уровень одних связей имеет величину 8-10 кДж - эти связи называются нормальными. В других связях заключена значительно большая энергия - 25-40 кДж - это так называемые макроэргические связи. Почти все известные соединения, обладающие такими связями, имеют в своем составе атомы фосфора или серы, по месту которых в молекуле и локализованы эти связи. Одним из соединений, играющих важнейшую роль в жизнедеятельности клетки, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из органического основания аденина (I), углевода рибозы (II) и трех остатков фосфорной кислоты (III). Соединение аденина и рибозы называется аденозином. Пирофосфатные группы имеют макроэргические связи, обозначенные значком ~. Разложение одной молекулы АТФ с участием воды сопровождается отщеплением одной молекулы фосфорной кислоты и выделением свободной энергии, которая равна 33-42 кДж/моль. Все реакции с участием АТФ регулируются ферментными системами.
Вопрос 3. Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.
Вопрос 4. Какие типы питания организмов вам известны?
По типу питания все организмы делятся па автотрофных, гетеротрофных и миксотрофных.
Вопрос 5. Какие организмы называют автотрофными?
Автотрофы - организмы, живущие за счет неорганического источника углерода - углекислого газа, использующие для осуществления процессов синтеза энергию солнечного светя - фототрофы или энергию химических связей - хемотрофы.
Вопрос 6. Охарактеризуйте световую и темновую фазы фотосинтеза.
Фотосинтез - процесс образования органических соединений из неорганических в листьях зеленых растений на солнечном свету. Выделяют световую и темновую фазы фотосинтеза.
Входе световой фазы фотосинтеза происходит поглощение квантов смета хлорофиллами и фотолиз (разложение) воды. В результате образуются молекулы АТФ, атомарный водород Н", которые используются далее в темновой фазе для синтеза глюкозы, и молекулярный кислород (как побочный продукт), выделяемый в окружающую среду.
Темновая фаза фотосинтеза. Происходит образование глюкозы из углекислого газа, поглощаемого извне, водорода Н, полученного в ходе световой фазы, с затратой энергии АТФ, синтезированной также в световую фазу.
Вопрос 7. Почему в результате фотосинтеза у зелёных растений в атмосферу выделяется свободный кислород?
Кислород является побочным продуктом фотосинтеза. В ходе реакций световой фазы фотосинтеза под действием квантов светя и при взаимодействии с хлорофиллом происходит разложение (фотолиз) волы на атомарный водород и свободные радикалы Он-. Последние взаимодействуют между собой, образуя свободный кислород и воду.
Так как кислород не включается в дальнейший каскад реакций фотосинтеза, он выделяется во внешнюю среду.
Вопрос 8. Что такое хемосинтез?
Хемосинтезом называют процесс синтеза органических соединений с использованием углерода из углекислого газа за счет энергии химических связей неорганических веществ.
Вопрос 9. Какие организмы называют гетеротрофными? Приведите примеры.
Гетеротрофы - организмы, которые не способны синтезировать органические вещества из неорганических путём фотосинтеза или хемосинтеза. Для синтеза необходимых для своей жизнедеятельности органических веществ им требуются экзогенные органические вещества, то есть произведённые другими организмами. В процессе пищеварения пищеварительные ферменты расщепляют полимеры органических веществ на мономеры. Гетеротрофами являются почти все животные и грибы.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ
Вопрос 1. Какие организмы называют автотрофными? На какие группы подразделяют автотрофов?
Автотрофные организмы, - это организмы, способные синтезировать органические соединения из неорганических (углекислого газа, воды и неорганических соединений азота и серы). В зависимости от источника потребляемой энергии автотрофы классифицируют на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие организмы. Первые используют световую энергию, тогда как вторые - энергию экзотермических химических реакций (в ходе превращения неорганических соединении), т. е. энергию, образующуюся при окислении различных неорганических соединений (водорода, сероводорода, аммиака и др.).
Вопрос 2. Каков механизм образования свободного кислорода в результате фотосинтеза у зелёных растений? Раскройте биологическое и экологическое значение этого процесса.
В целом, химический баланс фотосинтеза может быть представлен в виде простого уравнения:
Водород, необходимый для восстановления диоксида углерода до глюкозы, берется из воды, а выделяющийся в ходе фотосинтеза кислород является побочным продуктом. Процесс нуждается в энергии света, так как вода сама по себе не способна восстанавливать диоксид углерода.
Фотосинтез – это процесс, от которого зависит вся жизнь на Земле. Он происходит только в растениях. В ходе фотосинтеза растение вырабатывает из неорганических веществ необходимые для всего живого органические вещества. Диоксид углерода, содержащийся в воздухе, проникает в лист через особые отверстия в эпидермисе листа, которые называют устьицами; вода и минеральные вещества поступают из почвы в корни и отсюда транспортируются к листьям по проводящей системе растения. Энергию, необходимую для синтеза органических веществ из неорганических, поставляет Солнце; эта энергия поглощается пигментами растений, главным образом хлорофиллом. В клетке синтез органических веществ протекает в хлоропластах, которые содержат хлорофилл. Свободный кислород, также образующийся в процессе фотосинтеза, выделяется в атмосферу.
Вопрос 3. Где, в результате каких преобразований молекул и в каком количестве образуется АТФ у живых организмов?
Синтез АТФ происходит в мембранах митохондрий в процессе дыхания, поэтому все ферменты и кофакторы дыхательной цепи, все ферменты окислительного фосфорилирования локализованы в данных органеллах.
ПРОБЛЕМНЫЕ ОБЛАСТИ
Вопрос 1. Как реализуется наследственная информация о признаках и свойствах ДНК- и РНК-содержащих вирусов?
В природе, носителем генетической информации являются нуклеиновые кислоты. Известно два основных типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). У большинства живых организмов нуклеиновые кислоты содержатся в ядре и цитоплазме (клеточном соке). Вирусы, хоть и являются неклеточными структурами, но также содержат нуклеиновые кислоты. По типу содержащейся нуклеиновой кислоты вирусы разделяют на два класса: ДНК-содержащие и РНК-содержащие. К ДНК-содержащим вирусам относятся вирусы гепатита В, герпес и др. РНК-содержащие микроорганизмы представлены гриппом и парагриппом, вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ), гепатитом А и пр. У данных микроорганизмов, равно как и у прочих живых организмов, нуклеиновые кислоты играют роль носителя генетической информации. Информация о структуре различных белков (генетическая информация) закодирована в структуре нуклеиновых кислот в виде специфических последовательностей нуклеотидов (составных частей ДНК и РНК). Гены вирусных нуклеиновых кислот кодируют разнообразные ферменты и структурные белки. ДНК и РНК вирусов являются материальным субстратом наследственности и изменчивости этих микроорганизмов – двух основных составляющих в эволюции вирусов в частности и всей живой природы в целом.
Вопрос 2. В чём заключается биологический смысл избыточности генетического кода?
Избыточность кода является следствием его триплетности и означает то, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (поскольку аминокислот 20, а триплетов - 64). Исключение составляют метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом. Кроме того, некоторые триплеты выполняют специфические функции. Так, в молекуле иРНК три из них УАА, УАГ, УГА - являются терминирующими кодонами, т. е. стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), стоящий в начале цепи ДНК, не кодирует аминокислоту, а выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания.
Избыточность кодирующих последовательностей – ценнейшее свойство когда, так как она повышает устойчивость информационного потока к неблагоприятным воздействиям внешней и внутренней среды. При определении природы аминокислоты, которая должна быть заключена в белок, третий нуклеотид в кодоне не имеет столь важного значения, как первые два. Для многих аминокислот замена нуклеотида третьей позиции кодона не сказывается на его смысле.
Вопрос 3. Каким образом реализуется наследственная информация о структуре и функциях небелковых молекул, синтезируемых в клетке?
Генетическая информация зашифрована в ДНК и РНК.
Вопрос 4. Как вы считаете, можно ли повысить эффективность фотосинтеза?
Соблюдение режима орошения,
ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ
Вопрос 1. Как вы думаете, каким образом можно повысить эффективность фотосинтеза у зелёных растений?
Основываясь на механизмах влияния внутренних и внешних факторов, действующих на показатели фотосинтетической активности растений, в практике сельского хозяйства используют ряд приемов, позволяющих увеличить интенсивность фотосинтеза и повысить урожайность сельскохозяйственных культур, к ним относят:
Соблюдение режима орошения,
Соблюдение режима минерального питания,
Использование необходимых внекорневых подкормок микроэлементами,
Повышение в защищенном грунте концентрации углекислого газа за счет применения органических удобрений (внесение навоза), использования сухого льда, поддымление парниковых рам. При этом у огурцов не только повышается интенсивность фотосинтеза, но и увеличивается количество женских цветков.
Вопрос 2. Какие примеры, характеризующие использование особенностей метаболизма организмов в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях, вы можете привести?
Примером метаболизма в кондитерской промышленности может служить использование дрожжей.
ЗАДАНИЯ
Вопрос 1. Напишите реакции световой и темновой фаз фотосинтеза. Обозначьте пути переноса электронов и протонов.
Вопрос 3. Опишите процесс расщепления органических молекул при участии кислорода в клетках аэробов.
Дыхание – это окислительный, с участием кислорода распад органических питательных веществ, сопровождающийся образованием химически активных метаболитов и освобождением энергии, которые используются клетками для процессов жизнедеятельности.
В процессе дыхания образуется огромное количество энергии. Если вся она выделилась бы сразу, то клетка перестала бы существовать. Но этого не происходит, потому что энергия выделяется не вся сразу, а ступенчато, небольшими порциями. Выделение энергии небольшими дозами обусловлено тем, что дыхание представляет собой многоступенчатый процесс, на отдельных этапах которого образуются различные промежуточные продукты (с разной длиной углеродной цепочки) и выделяется энергия. Выделяющаяся энергия не расходуется в виде тепла, а запасается в универсальном макроэргическом соединении - АТФ. При расщеплении АТФ энергия может использоваться в любых процессах, необходимых для поддержания жизнедеятельности организма: на синтез различных органических веществ, механическую работу, поддержание осмотического давления протоплазмы и т. д.
Обмен веществ и превращение энергии - основа жизнедеятельности клетки. Энергетический обмен в клетке и его сущность. Значение АТФ в энергетическом обмене.
Пластический обмен. Фотосинтез. Пути повышения продуктивности сельскохозяйственных растений. Биосинтез белков. Ген и его роль в биосинтезе. Код ДНК. Реакция матричного синтеза. Взаимосвязь процессов пластического и энергетического обмена.
Вопросы для самопроверки:
В чем заключается биологический синтез? Приведите примеры.
Дайте определение ассимиляции.
Что такое генетический код? Сформулируйте основное свойства генетического кода?
Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты?
Где происходит синтез белка? Расскажите, как осуществляется синтез 6eлкa.
Что такое диссимиляция? Охарактеризуйте этапы диссимиляции.
В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?
Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.
Какие типы питания организмов вам известны? Какие организмы называются автотрофными? На какие группы делятся автотрофные организмы?
Охарактеризуйте световую и темновую фазы фотосинтеза.
Почему в результате фотосинтеза у зеленых растений в атмосферу выделяется свободный кислород?
Что такое хемосинтез?
Приведите примеры фотосинтезирующих организмов.
Какие организмы называются гетеротрофными? Приведите примеры.
Раздел 4. Размножение живых организмов
Способность к размножению, или самовоспроизводство, - одна из важнейших характеристик органической природы. Размножение – свойство, присущее всем без исключения живым организмам – от бактерий до млекопитающих. Существование любого вида животных и растений, бактерий и грибов, преемственность между родительскими особями и их потомством поддерживаются только благодаря размножению.
Необходимое условие размножения - наследственность, т.е. способность воспроизводить свойства и признаки родителей.
Известны различные формы размножения, но все они могут быть объединены в два типа: половое и бесполое.
Половым размножением называют смену поколений и развитие организмов на основе специализированных - половых клеток, образующихся в половых железах. В эволюции размножения наиболее прогрессивным оказался способ, благодаря которому новый организм развивается в результате слияния двух половых клеток, образованных разными родителями. Однако у беспозвоночных животных нередко сперматозоиды и яйцеклетки формируются в теле одного организма. Такое явление - обоеполость - называют гермафродитизмом. Цветковые растения также бывают обоеполыми. Известны случаи, когда новый организм, не обязательно появляется в результате слияния половых клеток. У некоторых видов животных и растений наблюдается развитие из неоплодотворенной яйцеклетки. Такое размножение называют девственным, или партеногенетическим.
Бесполое размножение характеризуется тем, что новая особь развивается из неполовых (соматических) клеток.
Вопросы для самопроверки:
Какие способы размножения вам известны? Что такое половое размножение?
У каких организмов встречается бесполое размножение? Какие формы бесполого размножения вам известны? Приведите примеры.
Почему при бесполом размножении потомки генетически сходны между собой и с родительской особью?
Чем половое размножение отличается от бесполого? Укажите отличия мейоза от митоза.
В чем заключается биологический смысл мейоза? Почему зрелые половые клетки одного организма несут разные комбинации генов?
В нем состоят эволюционные преимущества полового размножения перед бесполым?
