Важнейшим свойством живого, проявляющимся на разных уровнях организации, является обмен веществ и энергии.
Обмен веществ и энергии (метаболизм) -- это совокупность химических реакций, протекающих в клетках или в целостном организме и заключающихся в синтезе сложных молекул и новой протоплазмы (анаболизм) и в распаде молекул с освобождением энергии (катаболизм).
Условия обмена веществ:
строго определенное место
обязательное участие биологических катализаторов - ферментов
ОВ = КАТАБОЛИЗМ + АНАБОЛИЗМ
Энергетический обмен (реакции диссимиляции).
I этап - подготовительный - может проходить в цитоплазме, у животных - в пищеварительной системе.
Белки расщепляются до аминокислот; жиры - до глицерин и жирные кислоты; углеводы - до глюкозы; ДНК - до нуклеотидов.
При этом расщеплении выделяется энергия (Е) и рассеивается в виде тепла. Эта энергия используется для пополнения запасов аденозинтрифосфата (АТФ), который является непосредственным источником клеточной энергии, универсальной энергетической «валютой» в биологических системах.
Пополнение запасов АТФ обеспечивается реакцией фосфата (Ф) с аденозиндифосфатом (АДФ), а именно:
АДФ + Ф + энергия ? АТФ
АТФ - мононуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и 3 остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэнергетическими связями.
АТФ + Н2О > АДФ + Н3РО4 + 30,6 кДж
АДФ + Н2О > АМФ + Н3РО4 + 30,6 кДж
АМФ + Н2О > аденин + рибоза + Н3РО4 + 13,8 кДж
II этап - бескислородный (гликолиз) - протекает в цитоплазме
С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ > 2С3Н4О3 + 4Н + 2 АТФ
III этап - кислородный - протекает в митохондриях и состоит из каскада 30 реакций
2С3Н4О3 + О2 + 36 АДФ + 36 Н3РО4 6 СО2 + 6 Н2О + 36 АФТ
В процессе энергетического обмена органические вещества постепенно расщепляются. Энергия химических связей переходит в другие виды энергии: тепловую, механическую, электрическую, энергию химических связей молекул АТФ. биология клетка организм мендель
Самое большое количество энергии выделяется в кислородном этапе. Е АТФ используется на все энергоемкие процессы:
АТФ + Н2О АДФ + Н3РО4 + Е ^
Суммарное уравнение расщепления глюкозы выглядит следующим образом:
С6Н12О6 + 6 О2 + 38 АДФ > 6 СО2 + 44 Н2О + 38 АТФ
Пластический обмен (реакции ассимиляции)
- совокупность биосинтетических реакций, обеспечивающих построение клеточных компонентов. Включает фотосинтез и биосинтез БЖУ.
Фотосинтез - синтез сложных органических соединений (сахара и крахмала) из СО2 и Н2О с использованием энергии солнца, осуществляемый только в зеленых растениях и некоторых бактериях.
Осуществляется фотосинтез в хлоропластах в две последовательные фазы: световую и темновую.
Общее уравнение фотосинтеза:
6 СО2 + 6 Н2О + Е слн > С6Н12О6 + 6 О2 ^
Задание 4. Запишите значение фотосинтеза.
Хемосинтез - синтез органических соединений из неорганических за счет энергии химических реакций окисления, происходящих в клетке. Хемосинтез характерен для некоторых бактерий, которые называются хемосинтезирующими. Эти бактерии обладают специальными ферментами, позволяющими им окислять неорганические вещества и использовать полученную энергию для синтеза органических веществ.
По характеру ассимиляции различают автотрофные, гетеротрофные и миксотрофные организмы.
Автотрофные (от греч. autos -- сам, trophe -- пища), или самопитающиеся 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.
Фотосинтезирующими организмами являются растения, в листьях которых осуществляется фотосинтез.
Зеленые растения образуют углеводы, которые передвигаются из листьев в корни, где вступают в реакции с аммиаком и образуют аминокислоты.
Хемосинтезирующими организмами являются микроорганизмы -- нитрифицирующие, серобактерии, водородные бактерии и железобактерии. Свободный азот усваивают азотфиксирующие бактерии.
Гетеротрофные (от греч. heteros -- другой, trophe -- пища) организмы -- это организмы, которые нуждаются в готовых органических соединениях. Ими являются животные, а также микроорганизмы. Гетеротрофные организмы получают энергию путем окисления органических соединений.
Для животных характерен голозойный способ гетеротрофного питания, заключающийся в потреблении пищи в виде твердых частиц с последующей ее механической и химической переработкой.
Напротив, для микроорганизмов характерен осмотическим способ гетеротрофного питания. При этом способе питание происходит растворенными питательными веществами путем поглощения их всей поверхностью тела.
Миксотрофные (от лат. mixtus -- смешанный) организмы -- это организмы, способные как к синтезу органических веществ, так и к использованию их в готовом виде.
Например, эвглена зеленая на свету является автотрофом, в темноте -- гетеротрофом.
Автотрофы и гетеротрофы связаны между собой питанием (пищевыми цепями) и энергетически, в результате чего существование одних из них зависит от других и наоборот.
Еще одним универсальным свойством живого является размножение (самовоспроизведение) - способность воссоздавать себе подобных. В основе размножения и индивидуального развития всех живых организмов лежит процесс деления клеток.
Клеточный цикл - события от образования до деления клетки.
Интерфаза - период между двумя делениями клетки.
Деление клеток - характерный именно для живых организмов процесс появления из родительской клетки двух и более новых клеток.
Амитоз - прямое деление клеток без образования хромосом и веретена деления; ядро делится перетяжкой или фрагментацией, оставаясь в интерфазном состоянии (простейшие, раковые клетки).
Митоз - непрямое деление, в результате которого обеспечивается равномерное распределение генетического материала между двумя дочерними клетками; проходит в 4 стадии: профаза, метафаза, анафаза, телофаза.
Мейоз - процесс деления половых клеток, сопровождающийся уменьшением числа хромосом вдвое (образование гаплоидного набора); состоит из тех же фаз, что и митоз, но проходит 2 последовательных деления
Задания для контроля.
Как различаются органоиды и включения клетки?
В чем заключается сходство в строении молекул белков и нуклеиновых кислот?
Чем обусловлена способность АТФ накапливать энергию в клетке?
Почему при митозе образуются диплоидные клетки, а при мейозе - гаплоидные?
В чем заключается биологический смысл митоза?
3. Организм как биологическая система
По особенностям строения клеток выделяют два надцарства живых организмов - прокариоты и эукариоты. Клетки прокариот (бактерий) не имеют оформленного ядра, их генетический материал (кольцевая ДНК) находится в цитоплазме и ничем не защищена. В клетках прокариот отсутствует ряд органоидов: митохондрии, пластиды, комплекс Гольджи, вакуоли, лизосомы, эндоплазматическая сеть. Клетки эукариот имеют оформленное ядро, в котором располагаются линейные молекулы ДНК, связанные с белками и образующие хроматин. В цитоплазме этих клеток есть мембранные органоиды.
Размножение - присущее всем организмам свойство воспроизведения себе подобных.
Различают две формы размножения - бесполое и половое.
Задание 1. Заполните таблицу
Особенности бесполого размножения
|
способ размножения |
особенности |
примеры организмов |
|
|
деление клетки надвое |
тело родительской клетки делится митозом на две части, каждая из которых дает начало полноценным клеткам |
прокариоты, одноклеточные эукариоты (амеба) |
|
|
множественное деление клетки |
Тело исходной клетки делится митотически на несколько частей, каждая из которых становится новой клеткой |
Одноклеточные эукариоты (жгутиковые, споровики) |
|
|
почкование |
На материнской клетке сначала формируется бугорок, содержащий ядро. Почка растет, достигает размера материнской, отделяется |
Одноклеточные эукариоты, некоторые инфузории, дрожжи |
|
|
спорообразование |
Спора - особая клетка, покрыта плотной оболочкой, защищающей от внешних воздействий |
Споровые растения; некоторые простейшие |
|
|
вегетативное размножение: |
Увеличение числа особей данного вида происходит путем отделения жизнеспособных частей вегетативного тела организма |
Растения, животные |
|
|
- у растений |
Образование почек, стеблевых и корневых клубней, луковиц, корневищ |
Лилейные, пасленовые, крыжовниковые и др. |
|
|
- у животных |
Упорядоченное и неупорядоченное деление |
Кишечнополостные, морские звезды, кольчатые черви |
Половое размножение связано с образованием половых клеток (гамет) и их слиянием (оплодотворением).
Онтогенез (греч. «существо» и «происхождение, развитие») - полный цикл индивидуального развития особи, в основе которого лежит реализация наследственной информации на всех стадиях существования в определенных условиях внешней среды; начинается с образования зиготы и заканчивается смертью особи.
Термин «онтогенез» был введен Эрнстом Геккелем в 1866 г.
Периоды онтогенеза:
эмбриональный
постэмбриональный
Для высших животных и человека принято выделять пренатальный (до рождения) и постнатальный (после рождения) периоды. Принято также выделять предзиготный этап, предшествующий образования зиготы.
Периодизация онтогенеза
|
период |
особенности |
|
|
предзиготный |
образование гамет (гаметогенез), накопление рибосомальной и информационной РНК, различные участки цитоплазмы приобретают отличия по химическому составу. |
|
|
эмбриональный период |
||
|
зигота (одноклеточная стадия развития многоклеточного организма) |
содержит зерна желтка, митохондрии, пигменты, цитоплазма перемещается, ярко выраженная двусторонняя симметрия (билатеральная). У ряда видов животных начинается синтез белка и новой РНК |
|
|
дробление |
образуются борозды дробления, которые разделяют клетку пополам - на 2 бластомера (2,4,8,16,32,64 и т.д.). В результате ряда последовательных дроблений образуется группа тесно прилегающих друг к другу клеток. Зародыш напоминает ягоду малины. Он получил название морулы. |
|
|
бластуляция |
конечная стадия дробления яйца. У ланцетника бластула образуется по достижении зародышем 128 клеток. Бластула имеет форму пузырька со стенкой в один слой клеток, который называется бластодермой. |
|
|
гаструляция |
сложное перемещения эмбрионального материала с образованием 2 или 3 слоев тела зародыша (зародышевые листки): эктодерма, энтодерма и мезодерма. Развитие губок и кишечнополостных заканчивается на стадии двух зародышевых листков. У всех остальных организмов, стоящих на эволюционной лестнице выше, развиваются три зародышевых листка. |
|
|
гистогенез и органогенез |
происходит образование тканей и органов |
Постэмбриональное развитие у животных может протекать по типу прямого и непрямого развития.
Непрямое (личиночное) развития встречается у видов, яйца которых бедны желтком. Эти организмы имеют в своем развитии одну или несколько личиночных стадий. Личинки ведут активный образ жизни, в большинстве случаев сами добывают себе пищу, но у некоторых видов (преимущественно паразитических) имеют лишь органы расселения. Для осуществления жизненных функций у личинок есть ряд временных органов, отсутствующих во взрослом состоянии. Этот пит развития сопровождается превращением - метаморфозом.
Прямое развитие имеет место у рыб, пресмыкающихся, птиц, а также беспозвоночных, яйца которых богаты питательными веществами, достаточными для завершения онтогенеза. Питание, дыхание и выделение у этих зародышей осуществляется также временными органами.