В каких условиях происходит образование атф. АТФ в биологии – определение и расшифровка (10 класс). IV. Домашнее задание

Жизнедеятельность клеток требует энергетических затрат. Живые системы(организмы) получают ее из внешних источников, например, от Солнца(фототрофы, каковыми являются растения, некоторые виды простейших и микроорганизмы), или производят ее сами(аэробные аутотрофы) в результате окисления различных веществ(субстратов).

В обоих случаях клетки синтезируют универсальную высокоэнергетичную молекулу АТФ(аденозинтрифосфорную кислоту),при разрушении которой выделяется энергия. Эта энергия расходуется для выполнения всех видов функций- активного транспорта веществ, синтетических процессов, механической работы и т.д.

Сама по себе молекула АТФ достаточно проста и представляет собой нуклеотид, состоящий из аденина, сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.(Рис). Молекулярная масса АТФ невелика и составляет 500 дальтон. АТФ является универсальным переносчиком и хранителем энергии в клетке, которая заключена в высокоэнергетичных связях между тремя остатками фосфорной кислоты.

структурная формула пространственная формула

Рис 37. Аденозин-трифосфорная кислота (АТФ)

Цвета для обозначения молекул(пространственная формула):белый –водород,красный – кислород, зеленый –углерод, голубой –азот,темно-красный - фосфор

Отщепление одного лишь остатка фосфорной кислоты от молекулы АТФ сопровождается высвобождением значительной порции энергии – около 7,3 ккал.

Как же происходит процесс запасания энергии в виде АТФ? Рассмотрим это на примере окисления(сгорания) глюкозы – распространенного источника энергии для перевода в энергию химических связей АТФ.

Рис 38. Структурная формула

глюкозы (содержание в крови человека- 100 мг%)

Окисление одного моля глюкозы(180 г) сопровожда-

ется выделением около 690 ккал свободной энергии.

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 6СО 2 +6Н 2 О + Е(около 690 ккал)

В живой клетке это огромное количество энергии высвобождается не сразу, а постепенно в виде ступенчатого процесса и регулируется целым рядом окислительных ферментов. При этом, высвобождаемая энергия переходит не в тепловую энергию, как при горении, а запасается в виде химических связей в молекуле АТФ(макроэргические связи) в процессе синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Этот процесс можно сравнить с работой аккумулятора, который заряжается от различных генераторов и может обеспечивать энергией множество машин и аппаратов. В клетке роль унифицированного аккумулятора выполняет система аденозин-ди и три-фосфорных кислот. Зарядка аденилового аккумулятора состоит в соединении АДФ с неорганическим фосфатом (реакция фосфорилирования) и образовании АТФ:

АДФ + Ф неорг АТФ + Н 2 О

Для образования всего 1 молекулы АТФ требуется затрата энергии извне в количестве 7,3 ккал. И наоборот, при гидролизе АТФ(разрядке аккумулятора) это же количество энергии выделяется. Оплата этого энергетического эквивалента, называемого в биоэнергетике “ квантом биологической энергии “ происходит из внешних ресурсов – то есть за счет пищевых веществ. Роль АТФ в жизнедеятельности клетки может быть представлена так:

Энергети- Система Система Функции

ческие ре- аккумуляции использова- клетки

сурсы энергии ния энергии

Рис.39 Общий план энергетики клетки

Синтез молекул АТФ происходит не только за счет расщепления углеводов(глюкозы), но и белков(аминокислот) и жиров(жирных кислот). Общая схема каскадов биохимических реакций такова(Рис).

1.Начальные этапы окисления происходят в цитоплазме клеток и не требуют участия кислорода. Эта форма окисления называется анаэробным окислением, или проще – гликолизом. Основной субстрат при анаэробном окислении –гексозы, преимущественно глюкоза. В процессе гликолиза происходит неполное окисление субстрата: глюкоза распадается до триоз (две молекулы пировиноградной кислоты). При этом, для осуществления реакции в клетке затрачивается две молекулы АТФ, но и синтезируется 4 молекулы АТФ. То есть, методом гликолиза клетка “ зарабатывает” всего две молекулы АТФ при окислении 1 молекулы глюкозы. С точки зрения эффективности энергетики это

маловыгодный процесс.При гликолизе высвобождается всего 5% энергии химических связей молекулы глюкозы.

С 6 Н 12 О 6 + 2Ф неорг +2АДФ 2 С 3 Н 4 О 3 +2АТФ + 2Н 2 О

Глюкоза пируват

2. Образовавшиеся в процессе гликолиза триозы (в основном-пировиноградная кислота, пируват) использу-

ются для дальнейшего более эффективного окисления, но уже в органеллах клетки – митохондриях. При этом, высвобождается энергия расщепления всех химических связей, что приводит к синтезу большого количества АТФ и потреблению кислорода.

Рис.40 Схема цикла Кребса(трикарбоновых кислот) и окислительного фосфорилирования(дыхательной цепи)

Эти процессы связаны с окислительным циклом трикарбоновых кислот (синонимы:циклом Кребса, циклом лимонной кислоты) и с цепью переноса электронов с одного фермента на другой (дыхательная цепь), когда из АДФ образуется АТФ путем присоединения одного остатка фосфорной кислоты(окислительное фосфорилирование).

Понятием “окислительное фосфорилирование “ определяют синтез АТФ из АДФ и фосфата за счет энергии окисления субстратов (питательных веществ).

Под окислением понимают отнятие электронов от вещества, соответственно – восстановление – присоединение электронов.

Какова роль окислительного фосфорилирования у человека? Представление об этом может дать следующий грубый расчет:

Взрослый человек при сидячей работе потребляет в день около 2800 ккал энергии с пищей. Для того, чтобы такое количество энергии было получено методом гидролиза АТФ, потребуется 2800/7,3 = 384 моль АТФ, или 190 кг АТФ. Тогда как известно, что в организме человека содержится около 50 г АТФ. Поэтому ясно, что для удовлетворения потребности в энергии в организме эти 50 г АТФ должны тысячи раз расщепиться и заново синтезироваться. Кроме того, сама скорость обновления АТФ в организме меняется в зависимости от физиологического состояния – минимальная во время сна и максимальная – при мышечной работе. А это означает, что окислительное фосфорилирование – не просто непрерывный процесс, но и регулируемый в широких пределах.

Суть окислительного фосфорилирования заключается в сопряжении двух процессов, когда окислительная реакция с привлечением энергии извне(экзэргическая реакция) увлекает за собой другую, эндэргическую реакцию фосфорилирования АДФ неорганическим фосфатом:

А в АДФ + Ф н

окисление фосфорилирование

Здесь А в –восстановленная форма вещества, подвергающегося фосфорилирующему окислению,

А о – окисленная форма вещества.

В цикле Кребса образовавшийся в результате гликолиза пируват (СН 3 СОСООН) окисляется до ацетата и соединяется с коферментом А, образуя ацетил-коА. После нескольких этапов окисления образуется шестиуглеродное соединение лимонная кислота(цитрат), также окисляющееся до оксал-ацетата; затем цикл повторяется(Cхема цикла трикарб. Кислот). При этом окислении выделяются две молекулы СО 2 и электроны, которые переносятся на акцепторные(воспринимающие) молекулы ко-ферментов(НАД – никотинамиддинуклеотид) и затем вовлекаются в цепь переноса электронов с одного субстрата(фермента) на другой.

При полном окислении одного моля глюкозы до СО 2 и Н 2 О в цикле гликолиза и трикарбоновых кислот образуется 38 молекул АТФ с энергией химических связей 324 ккал, а общий выход свободной энергии этого превращения, как отмечалось ранее, составляет 680 ккал. Эффективность выхода запасенной энергии в АТФ составляет 48%(324/680 х100%= 48%).

Cуммарное уравнение окисления глюкозы в цикле Кребса и гликолитическом цикле:

C 6 Н 12 О 6 +6О 2 +36 АДФ +Ф н 6СО 2 +36АТФ + 42Н 2 О

3. Освободившиеся в результате окисления в цикле Кребса электроны соединяются с ко-ферментом и транспортируются в цепь переноса электронов(дыхательную цепь) с одного фермента на другой, где в процессе переноса и происходит сопряжение(трансформация энергии электронов в энергию химических связей) с синтезом молекул АТФ.

Существует три участка дыхательной цепи, в которых энергия процесса окисления-восстановления трансформируется в энергию связей молекул в АТФ. Эти участки называются пунктами фосфорилирования:

1.Участок переноса электронов от НАД-Н к флавопротеиду, синтезируется 10 молекул АТФ за счет энергии окисления одной молекулы глюкозы,

2.Перенос электронов на участке от цитохрома б к цитохрому с 1 , фосфорилируется 12 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы,

3. Перенос электронов на участке цитохром с – молекулярный кислород, синтезируется 12 молекул АТФ.

Итого, на этапе дыхательной цепи происходит синтез(фосфорилирование) 34 молекул АТФ. А общий выход АТФ в процессе аэробного окисления одной молекулы глюкозы составляет 40 единиц.

Таблица 1

Энергетика окисления глюкозы

На каждую пару электронов, передающихся по цепи от НАД –Н + к кислороду, синтезируется три молекулы АТФ

Дыхательная цепь представляет собой ряд белковых комплексов, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий(Рис 41).

Рис.41 Схема расположения ферментов дыхательной цепи во внутренней мембране митохондрий:

1-НАД-Н-дегидрогеназный комплекс, с 1 -комплекс, 3-цитохром-оксидазный комплекс, 4-убихинон, 5-цито-

хром-с, 6-матрикс митохондрии, внутренняя мембрана митохондрии,8- межмембранное пространство.

Итак, полное окисление исходного субстрата завершается высвобождением свободной энергии, значительная часть которой (до 50%) расходуется на синтез молекул АТФ, образованием СО 2 и воды.Другая половина свободной энергии окисления субстратов идет на следующие нужды клетки:

1. Для биосинтеза макромолекул(белков, жиров, углеводов),

2. Для процессов движения и сокращения,

3. Для активного транспорта веществ через мембраны,

4.Для обеспечения передачи генетической информации.

Рис.42 Общая схема процесса окислительного фосфорилирования в митохондриях .

1- наружная мембрана митохондрии, 2- внутренняя мембрана, 3- встроенный во внутреннюю мембрану фермент АТФ-синтетаза.

Синтез молекул АТФ

Синтез АТФ происходит во внутренней мембране митохондрий, смотрящей в матрикс(Рис 42 выше).В нее встроены специализировавнные белки-ферменты, занимающиеся исключительно синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата Ф н -АТФ-синтетазы(АТФ-С) . В электронном микроскопе эти ферменты имеют весьма характерный вид, за что и были названы “грибовидными тельцами”(Рис). Эти структуры сплошь выстилают внутреннюю поверхность мембраны митохондрии,направленную в матрикс.По образному

выражению известного исследователя биоэнергетики проф. Тихонова А.Н.,АТФ-С является “самым миниатюрным и совершенным мотором в природе”.

Рис.43 Локализация

АТФ-синтетаз в мембране мито-

хондрий(клетки животных) и хлоропластов(клетки растений).

Голубые участки -области с повышенной концентрацией Н + (кислотная зона),оранжевые участки –области с низкой концентрацией Н + .

Внизу: перенос ионов водорода Н + через мембрану при синтезе(а) и гидролизе(б) АТФ

Эффективность работы этого фермента такова, что одна молекула способна осуществить 200 циклов ферментативной активации в секунду, при этом синтезируется 600 молекул АТФ.

Интересная подробность работы этого мотора в том, что он содержит вращающиеся детали и состоит из роторной части и статора, причем, вращение ротора происходит против часовой стрелки.(Рис. 44)

Мембранная часть АТФ-С, или фактор сопряжения F 0 ,представляет собой гидрофобный белковый комплекс. Второй фрагмент АТФ-С – фактор сопряженияF 1 - выступает из мембраны в виде грибовидного образования. В митохондриях животных клеток АТФ-С встроена во внутреннюю мембрану, а комплексF 1 обращен в сторону матрикса.

Образование АТФ из АДФ и Фн происходит в каталитических центрах фактора сопряжения F 1 . Этот белок можно легко выделить из мембраны митохондрий, при этом он сохраняет способность гидролизовать молекулу АТФ, но теряет способность синтезировать АТФ. Способность синтезировать АТФ – это свойство единого комплексаF 0 F 1 в мембране митохондрии(рис1 а)Это связано с тем, что синтез АТФ в помошью АТФ-С сопряжен с транспортом через нее протонов Н + в направлении отF 0 rF 1 (рис 1 а). Движущей силой для работы АТФ-С является протонный потенциал, создаваемый дыхательной цепью транспорта электронов е - .

АТФ-С – это обратимая молекулярная машина, катализирующая как синтез, так и гидролиз АТФ. В режиме синтеза АТФ работа фермента осуществляется за счет энергии протонов Н + , переносимых под действием разности протонных потенциалов. В то же время, АТФ-С работает и как протонная помпа – за счет энергии гидролиза АТФ она перекачивает протоны из области с низким протонным потенциалом в область с высоким потенциалом (рис 1б). Сейчас уже известно, что каталитическая активность АТФ-С непосредственно связана с вращением ее роторной части. Было показано, что молекулаF 1 вращает роторный фрагмент дискретными скачками с шагом в 120 0 . Один оборот на 120 0 сопровождается гидролизом одной молекулы АТФ.

Замечательным качеством вращающегося мотора АТФ-С является его исключительно высокая КПД. Было показано, что работа, которую совершает мотор при повороте роторной части на 120 0 , почти точно совпадает с величиной энергии, запасенной в молекуле АТФ, т.е. КПД мотора близок к 100%.

В таблице приведены сравнительные характеристики нескольких типов молекулярных моторов, работающих в живых клетках. Среди них АТФ-С выделяется своими наилучшими свойствами. По эффективности работы и развиваемой ею силе она значительно превосходит все известные в природе молекулярные моторы и уж конечно – все созданные человеком.

Таблица 2 Сравнительные характеристики молекулярных моторов клеток(по: Kinoshitaetal, 1998).

Молекула F 1 комплекса АТФ-С примерно в 10 раз сильнее акто-миозинового комплекса – молекулярной машины, специализирующейся на выполнении механической работы. Таким образом, за многие миллионы лет эволюции до того, как появился человек,придумавший колесо, преимущества вращательного движения были уже реализованы природой на молекулярном уровне.

Объем работы, которую производит АТФ-С, поражает грандиозностью. Общая масса молекул АТФ синтезируемых в организме взрослого человека за сутки cоставляет около 100 кг. В этом нет ничего удивительного, поскольку в организме идут многочисленные

биохимические процессы с использованием АТФ. Поэтому, чтобы организм мог жить, его АТФ-С должны постоянно крутиться, своевременно восполняя запасы АТФ.

Яркий пример молекулярных электромоторов – работа жгутиков бактерий. Бактерии плавают со средней скоростью 25 мкм/с, а некоторые из них – со скоростью более 100 мкм/с. Это означает, что за одну секунду бактерия перемещается на расстояние в 10 и более раз большее, чем собственные размеры. Если бы пловец преодолевал за одну секунду расстояние, в десять раз больше его собственного роста б, то 100-метровую дорожку он проплывал бы за 5 секунд!

Скорость вращения электромоторов бактерий колеблется от 50-100 об/ сек до 1000 об/ сек, при этом они очень экономичны и расходуют не более 1% энергетических ресурсов клетки.

Рис 44. Схема вращения роторной субъединицы АТФ-синтетазы.

Таким образом, во внутренней мембране митохондрий локализованы как ферменты дыхательной цепи, так и синтеза АТФ.

Помимо синтеза АТФ, выделяющаяся при транспортировке электронов энергия запасается еще и в виде градиента протонов на мембране митохондрий.При этом, между наружной и внутренней мембранами возникает повышенная концентрация ионов Н + (протонов). Возникший протонный градиент из матрикса в межмембранное пространство служит движущей силой при синтезе АТФ(Рис.42). По существу,внутренняя мембрана митохондрий с встроенными АТФ-синтетазами является совершенной электростанцией на протонах, поставляющей с высокой эффективностью энергию для жизнедеятельности клетки.

При достижении определенной разности потенциалов (220 мВ) на мембране,АТФ-синтетаза начинает транспортировать протоны обратно в матрикс; при этом происходит превращение энергии протонов в энергию синтеза химических связей АТФ. Так осуществляется сопряжение окислительных процессов с синтетически-

ми в процессе фосфорилирования АДФ до АТФ.

Энергетика окислительного фосфорилирования

жиров

Еще более эффективным оказывается синтез АТФ при окислении жирных кислот и липидов. При полном окислении одной молекулы жирной кислоты, например, пальмитиновой, образуется 130 молекул АТФ. Изменение свободной энергии окисления кислоты составляет ∆G= -2340 ккал, а аккумулированная в АТФ энергия при этом составляет около 1170 ккал.

Энергетика окислительного расщепления аминокислот

Большую часть метаболической энергии, вырабатываемой в тканях, обеспечивают процессы окисления углеводов и особенно жиров; у взрослого человека до 90% всей потребности в энергии покрывается из этих двух источников. Остальную энергию (в зависимости от рациона от 10 до 15%) поставляет процесс окисления аминокислот(рис цикла Кребса).

Было подсчитано, что клетка млекопитающих содержит в среднем около 1 миллиона (10 6 ) молекул АТФ. В пересчете на все клетки тела человека (10 16 –10 17 ) это составляет 10 23 молекул АТФ. Суммарная энергия, заключенная в этой массе АТФ, может достигать значений 10 24 ккал! (1 Дж= 2,39х 10 -4 ккал). У человека весом 70 кг общее количество АТФ составляет 50 г, большая часть которого ежедневно расходуется и вновь синтезируется.

Роль АТФ в жизнедеятельности организма в целом трудно переоценить.Среди наиболее важных потребителей АТФ следует отметить такие, как:

1. Большинство анаболических реакций (anabolic reactions ) в клетках проходят с использованием АТФ, т.е.:

Синтез белков из аминокислот,

Синтез ДНК и РНК из нуклеотидов,

Синтез полисахаридов,

Синтез жиров

2. АТФ необходима для активного трансмембранного транспорта молекул и ионов,

для индукции и проведения нервного импульса(nerve impulses ),

поддержания клеточного объема через механизмы осмоса (osmosis ),

для мышечных сокращений (muscle contraction ),

для осуществления биолюминесценции в тканях (bioluminescence ).

3.АТФ является синаптическим передатчиком, широко распространенным в различ-

ных органах, особенно в пресинаптических окончаниях эффекторных нейронов. При стимуляции этих окончаний выделяются пуриновые продукты распада – аденозин и инозин. В эволюционной биологии вообще считается, что АТФ был единственным и общим для всех организмов медиатором на ранних этапах эволюции. В процессе эволюции, в связи с усложнением строения организмов, стали появляться новые специализированные синаптические медиаторы. Исследования на отдельных органах экспериментальных животных показали, что АТФ способствует релаксации гладких мышц органов пищеварения

Нарушения энергопотребления в сердце: причины и последствия

Одним из важнейших каналов энергопотребления в организме человека является деятельность сердца. Непрерывнаяработа сердца (С) требует устойчивого и надежного энергопотребления. Закупорка одной из питающих само С артерий прекращает кровоснабжение участка сердечной мышцы и возникает ишемия ткани. Продолжительный период ишемии приводит к гибели клеток сердечной мышцы, кардиомиоцитов – тогда развивается инфаркт миокарда. Но, если спазм сосудов был непродолжительным, и кровоток в нем восстанавливается, то сократительная работа миокарда может быть полностью восстановлена. Особенно важной эта проблема стала в связи с развитием технологии пересадок сердца. Как же осуществляется снабжениеэнергией клеток сердечной мышцы и ее использование?

Рис.45 Основные энергопотребляющие структуры кардиомиоцита .

Регуляция сократительной функции кардиомиоцитов происходит посредством ионов кальция. Они поступают в клетку снаружи и вызывают высвобождение ионов кальция, содержащихся в цистернах саркоплазматического ретикулума. Эти ионы связываются с миофибриллами и вызывают их сокращение.

Основным потребителем АТФ в кардиомиоцитах является сократительный аппарат миофибрилл(Рис 45); его потребность в энергии оценивается около 80% общего расхода энергии. Примерно 10-15% энергии расходуется на поддержание трансмембранного потенциала и возбудимости кардиомиоцитов. И около 5% энергии клетки используется для синтетических процессов. Помимо АТФ,источником энергии в клетках может быть другое высокоэнергетичное соединение – креатин-фосфат(Кф) ,более эффективно используемое клеткой, чем АТФ.

Процесс энергообразования в кардиомиоцитах нарушается по разным причинам. При внезапной ишемии миокарда прекращается синтез АТФ в митохондриях, быстро снижается содержание Кф и АТФ. При этом, наиболее глубоко нарушаются функции сократительного аппарата.

Защитные механизмы при ишемии.

В процесс развития ишемии в сердечной мышце включаются защитные механизмы, снижающие деструктивные процессы.

1. Происходит открытие АТФ-зависимых калиевых каналов(рис 46).В норме они закрыты а при недостаточном ре-синтезе АТФ они открываются и калий активно выходит из клеток. Это сопровождается снижением мембранного потенциала и возбудимости клеток.

Рис.46. Метаболические последствия ишемии миокарда

2. Происходит закисление цитоплазмы клеток – развивается ацидоз. Прекращение окисления в митохондриях при ишемии приводит к активации гликолиза,накоплению недоокисленных продуктов,

увеличению концентрации ионов водорода и сдвигу рН.

3. Распад АТФ и Кф сопровождается накоплением фосфата в сердечных клетках. Это снижает чувствительность сократительных белков к ионам Са +2 .

4. Накопление аденозина как результат распада АТФ блокирует аденорецепторы на кардиомиоцитах. В результате нейромедиатор норадреналин не активирует сердечные клетки и предотвращает снижение запасов АТФ и Кф.

Таким образом, уже в начале стадии ишемии активируются несколько защитных механизмов, снижающих вход ионов кальция в кардиомиоциты и чувствительность сократительного аппарата к действию ионов кальция. При ишемии уровень сократительной функции падает очень быстро(в пределах 30 сек) примерно до 5-10% от исходного, тогда как содержание АВТФ и Кф снижается умеренно.Это и позволяет клеткам сердца экономично расходовать энергию и переживать неблагоприятный период. При длительной ишемии (неск.часов) энергодефицит усугубляется, усиливается ацидоз – это приводит к разрушению клеточных органелл и некрозу клеток.

Внезапное подавление синтеза АТФ при ишемии могло бы вызвать гибель кардиомиоцитов в течение неск.минут, если бы в сердце не работали естественные защитные механизмы. Они быстро подавляют сократительную активность и обеспечивают экономичное расходование запасов энергии в течение десятков минут.Устранение причин,вызвавших ишемию, в этот период может восстановить сократимость кардиомиоцитов, работу сердца.

Зона ишемии может быть уменьшена- с помощью введения аденозина, ионов калия а также окисью азота NO, обладающей сосудорасширяющим действием. Оказалось, что именно окись азота является посредником действия многих сосудорасширяющих веществ, таких например, как нитроглицерин.

Клеточное ядро

Термин “ядро “ был введен Брауном в 1833 году, когда он впервые описал постоянные структуры шаровидной формы в растительных клетках. Позднее такие же структуры были обнаружены во всех клетках высших организмов, в том числе и у человека.

Клеточное ядро, обычно одно в клетке, состоит из ядерной оболочки , отделяющей его от цитоплазмы,хроматина, ядрышка, ядерного белкового матрикса (остова) икариоплазмы (ядерного сока) (рис 27 Ченцов).

Зернистый эндоплазматический ретикулум

рибосомы

Рис.47. Клеточное ядро

Эти компоненты ядра имеются во всех клетках эукариотов- одно- и многоклеточных.

Ядро (nucleus) клетки – структура, содержащая генетическую информацию о клетке и целостном организме. Ядро осуществляет две группы общих функций: 1- хранение генетической информации., 2- ее реализация в виде синтеза белка.

1. Хранение и поддержание наследственной информации в виде неизменной структуры ДНК связано с работой т.н. ферментов репарации, ликвидирующих спонтанно возникающие повреждения молекул ДНК. Ферменты репарации работают и в клетках, поврежденных радиацией, способствуя более или менее эффективному восстановлению клеток от радиационных повреждений. Открыл этот вид репарации известный обнинский радиобиолог проф. Лучник Н.В. в 70-х годах 20 столетия.

2. Другая сторона деятельности ядра – работа аппарата белкового синтеза. В ядре также синтезируются компоненты рибосом. Из общей схемы белкового синтеза(рис 16 Ченцов) видно, что источником информации для начала биосинтеза является ДНК

Структура и химический состав клеточного ядра

В подавляющем большинстве клеток высших млекопитающих содержится лишь одно ядро, хотя есть и многоядерные клетки – например, клетки мышечного волокна –миосимпласты.

Ядерный хроматин представляет собой плотное вещество, заполняющее почти весь объем ядра. В неделящихся(интерфазных) клетках оно диффузно распределено по объему ядра, в делящихся клетках оно уплотняется(конденсируется) и образует плотные структуры – хромосомы. Хроматин хорошо прокрашивается основными красителями, поэтому и получил свое название (от греч.chroma– цвет, краска). В составе хроматина – ДНК в комплексе с белками – гистоновыми (щелочными) и негистоновыми.Диффузный хроматин интерфазных ядер генетики называютэухроматином , конденсированный хроматин –гетерохроматином. В обоих формах хроматин представляет собой фибриллы толщиной 20-25 нм.

Известно, что длина отдельных молекул ДНК может достигать сотен микрон и даже приближаться к сантиметру. В хромосомной наборе человека самая длинная хромосома – первая, длиной до 4 см. В хромосомах имеется множество мест независимой репликации (удвоения) – репликонов. Таким образом, ДНК представляет собой цепочку тандемно расположенных репликонов различного размера.

Белки хроматина составляют 60-70% от его сухого веса. Гистоны (щелочные белки) расположены вдоль молекулы ДНК не равномерно, а в виде блоков, в каждый из них входит по восемь молекул гистона, формируя структуру нуклеосому. Процесс формирования нуклеосомы сопровождается сверхспирализацией ДНК и укорочением ее длины примерно в 7 раз.

В ядре, кроме ДНК, присутствуют также и молекулы РНК- информационной, связанной с белками.

Хромосомный цикл

Общеизвестно, что половые женские и мужские клетки несут одинарный набор хромосом и следовательно, содержат в 2 раза меньше ДНК, чем остальные клетки организма. Половые клетки с одинарным набором хромосом называются гаплоидными . Плоидность, т.е.кратность, обозначается в генетике буквойn. Так, клетки с набором 1nгаплоидны, с 2n-диплоидны, с 3n–триплоидны. Соответственно, количество ДНК в клетке(обозначается буквой с) зависит от ее плоидности: клетки с 2n-количеством хромосом содержат 2с количество ДНК. При оплодотворении сливается две гаплоидные клетки, каждая из которых несет набор 1nхромосом, поэтому образуетсядиплоидная (2n,2c) клетка – зигота. Затем, за счет деления диплоидной зиготы и последующего деления диплоидных клеток будет развиваться организм,клетки которого будут диплоидными, а часть из них (половые) снова будут гаплоидными.

Однако, процессу деления диплоидных клеток предшествует фаза синтеза ДНК-редупликация, т.е. появляются клетки с количеством ДНК, равным 4с, у них количество хромосом – 4 n. И только после деления такой тетраплоидной(4с) клетки возникают две новые диплоидные клетки.

В ядрах интерфазных(покоящихся) клеток хромосомы увидеть трудно. Они появляются в ядре незадолго до клеточного деления. В интерфазе, тем не менее, происходит удвоение, редупликация хромосом. В этом периоде происходит синтез ДНК, поэтому он называется синтетическим, или S-периодом. В этот период в клетках обнаруживается количество ДНК, большее чем 2с. После окончанияS-периода количество ДНК в клетке составляет 4с(полное удвоение хромосомного материала). Если подсчитать количество хромосом в профазе, то их будет 2n, но это ложное впечатление., т.к. в это время каждая хромосома двойная(как результат редупликации).На этой стадии пара хромосом тесно соприкасается друг с другом, они закручиваются одна вокруг другой. Следовательно, уже в начале профазы хромосомы состоят из двух сестринских хромосом – хроматид. Они остаются связанными друг с другом и в следующей фазе – метафазе, когда хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки. В следующей стадии – анафазе, происходит расхождение пар гомологичных хромосом к противоположным полюсам клетки, после чего клетка делится. Затем в телофазе разошедшиеся диплоидные наборы(2n) хромосом начинают деконденсироваться, т.е. разрыхляться. Так заканчивается один хромосомный цикл и начинается следующий.(Рис 31 Ченцов). Хромосомный(клеточный) цикл у многоклеточных эукариотов длится1-1,5 суток.

Ядрышко (Nucleolus)

В ядре всех эукариотических клеток видно одно или несколько телец округлой формы – ядрышки. Они хорошо окрашиваются основными красителями, поскольку богаты РНК. Ядрышко – это производное хромосом, при этом оно является самостоятельной органеллой, функция которой заключается в образовании рибосомных РНК и рибосом. Ядрышко неоднородно по строению – центральная часть фибриллярная, где сосредоточены предшественники рибосом, и периферия – гранулярная, где концентрируются созревающие субъединицы рибосом.

Ядерная оболочка (кариолемма)

Представляет собой структуру, ограничивающую клеточное ядро. Она разделяет два внутриклеточных компонента друг от друга – ядро от цитоплазмы. Значение такого разделения структур в пространстве важно: это создает дополнительные (в сравнении с прокариотами) возможности для регуляции генной активности при синтезе специфических белков.

Ядерная оболочка состоит из двух мембран – внешней и внутренней, между которыми располагается перинуклеарное пространство (Рис106 Ченцова). В общем виде ядерная оболочка может быть представлена как двуслойный мешок, отделяющий содержимое ядра от цитоплазмы. Однако ядерная оболочка имеет характерную особенность, отличаюшую ее от других мембранных структур клетки – это особые ядерные поры, образующиеся за счет слияния двух ядерных мембран.

Внешнюю мембрану ядерной оболочки относят к мембранной системе эндоплазматического ретикулума – на ней расположены многочисленные полирибосомы, и сама ядерная мембрана переходит в мембраны ретикулума. Внутренняя мембрана ядерной оболочки не имеет на своей поверхности рибосом. Однако, она связана с хроматином и это является характерной особенностью внутренней ядерной мембраны.

Еще одна функция ядерной оболочки – создание внутриядерного порядка, архитектуры, фиксация хромосомного материала в трехмерном пространстве.

Ядерные поры – результат слияния двух ядерных мембран. Отверстия пор – диаметром около 90 нм. Комплекс ядерных пор, включающий 8 периферических белковых гранул и одну центральную, участвует в транспорте молекул белков и нуклеопротеидов, в распознавании этих молекул. Этот процесс транспорта активный и требует затрат АТФ. В среднем на одно ядро приходится несколько тысяч поровых комплексов.(рис 109 Ченц).

Ядерный белковый матрикс

Процессы репликации (удвоения) и транскрипции (считывания информации) хроматина осуществляется в ядре строго упорядоченно. Для реализации этих процессов существует внутриядерная система, объединяющая все ядерные компоненты – хроматин, ядрышко, ядерную оболочку. Такой структурой является ядерный белковый остов, или матрикс (ЯБМ). При этом, он не представляет собой четкой морфологической структуры. По морфологической композиции ЯБМ состоит из трех компонентов: сетчатого белкового слоя- ламины, внутренней сети- остова и “ остаточного “ ядрышка. Основной компонент структур ЯБМ – фибриллярные белки, близкие по аминокислотному составу к промежуточным микрофиламентам.

Роль ядерной оболочки в ядерно-цитоплазматическом обмене.

Ядерная оболочка служит регулятором в ядерно-цитоплазматическим обмене. Обмен продуктами между ядром и цитоплазмой очень велик: все ядерные белки поступают в ядро из цитоплазмы, и все РНК выводятся из ядра. Комплексы ядерных пор в этом процессе выполняют роль не только механизма переноса (транслокатора), но и роль сортировщика переносимого материала. Через поры в ядро поступают пассивным транспортом ионы, сахара, нуклеотиды, АТФ и гормоны. Методом пассивного транспорта в обе стороны проникают через ядерную мембрану высокомолекулярные соединения с массой не более 5.10 3 Да. Через ядерные поры осуществляется и активный транспорт макромолекул в обе стороны.

Немембранные органеллы.

Рибосомы. Эти специализированные органеллы клетки обеспечивают синтез белков и полипептидов. Присутствуют у всех типов животных клеток и представляют собой высокомолекулярные рибонуклеопротеиды. В состав рибосом (Р) входят белки и особый вид РНК, называемый рибосомальной РНК(р-РНК). Размер Р – 20 х 20 х 20 нм. Состоит из большой и малой субъединиц. Каждая из субъединиц сформирована из рибонуклеопротеидного тяжа. В клетках имеются отдельные Р и их комплексы – полирибосомы. Они могут свободно располагаться в гиалоплазме или быть связанными с мембранами эндоплазматического ретикулума. Обычно, свободные Р содержатся в малоспециализированных и быстрорастущих клетках, тогда как связанные с ретикулумом – в специализированных клетках. Кроме того, свободные Р синтезируют белок для собственных нужд клетки, а связанные – на экспорт.

Рис. “Грозди “ рибосом

Цитоскелет . Это опорно-двигательная система в клетке, создающая действительно клеточный скелет(Рис). Система содержит белковые нитчатые образования. Нитчатые и фибриллярные структуры цитоскелета являются динамичными образованиями, возникающими и исчезающими в зависимости от функционального состояния клетки. Основные компоненты цитоскелета –микротрубочки и микрофиламенты .

Методами иммунофлуоресценции установлено, что в состав микрофиламентов входят сократительные белки –актин, миозин, тропомиозин. Т.е.,микрофиламенты – это ни что иное, как сократительный аппарат клетки, обеспечивающий подвижность как самой клетки, так и органелл внутри нее. Микрофиламенты имеют толщину 5-7 нм.

Микротрубочки принимают участие в создании временных (веретено деления, цитоскелет интерфазных клеток) и постоянных структур (центриоли, реснички, жгутики). Они представляют собой прямые неветвящиеся полые цилиндры диаметром 24 нм, толщина стенки цилиндра – 5 нм. В электронном микроскопе на поперечном срезе микротрубочек видны 13 субъединиц белка тубулина.

Клеточный центр (центросома). Состоит из центриолей и связанных с ними микротрубочек. Методами электронной микроскопии удалось исследовать тонкое строение центриолей. Основу этой структуры составляют 9 триплетов микротрубочек, образующих полый цилиндр.(рис). Его ширина около 2 нм, длина – 3-5 нм.

Обычно, в интерфазных клетках присутствуют две центриоли, образуя единую структуру – диплосому. В ней центриоли расположены под прямым углом друг к другу. Из двух центриолей различают материнскую и дочернюю. Торец дочерней центриоли направлен к поверхности материнской центриоли.

При подготовке к митотическому делению в клетке происходит удвоение центриолей. Интересно то, что увеличение числа центриолей не связано с их делением, почкованием или фрагментацией, но есть результат формирования зачатка рядом с исходной центриолью.

Перед митозом центриоли служат центром формирования веретена деления из микротрубочек.

Помимо названных структур, в состав некоторых клеток входят реснички и жгутики, представляющие собой выросты цитоплазмы. Внутри этих выростов присутствует сложная сократительная система из микротрубочек и сократительных белков типа тубулин и динеин. С помощью ресничек и жгутиков клетки осуществляют движения.

Лекция 5. Целостные реакции клеток

Все многообразие превращения веществ в клетках складывается из цепей биохимических реакций. Для реализации биохимических реакций необходимо поступление веществ в клетку – эндоцитоз, превращение веществ в клетке –метаболизм , и выведение конечных продуктов обмена в виде ненужных шлаков или необходимых для организма биологически-активных веществ –экзоцитоз .

Эндоцитоз . Существует несколько способов реализации эндоцитоза:

Трансмембранный пассивный и активный транспорт веществ в клетку. Об этой форме эндоцитоза рассказано в соответствующей главе.

Пиноцитоз – захват клеткой жидких коллоидных частиц.

Фагоцитоз – захват клеткой плотных и крупных корпускулярных частиц вплоть до захвата других клеток.

Вообще, поступление в клетку твердых или жидких субстанций извне называется общим термином – гетерофагия. Этот процесс важен для организма человека в таких органах и системах, как защитная (фагоцитарная активность нейтрофилов крови, макрофагов), перестройки в костной ткани(остеокласты), образование гормона тироксина в фолликулах щитовидной железы, обратное всасывание белка и других макромолекул в канальцах нефрона почек.

Клеточный метаболизм , или обмен веществ, представляет собой совокупность процессов биосинтеза сложных биологических молекул из более простых (ассимиляция) и реакций расщепления сложных макромолекул с высвобождением тепловой энергии, используемой клетками для различных целей(диссимиляция).

Клетка эффективно использует энергию, заключенную в химических связях поступающих с пищей белков, углеводов и жиров, и высвобождающуюся в процессе их расщепления (гидролиза) в пищеварительном тракте. Т.е., клеточный метаболизм осуществляется по правилам первого закона термодинамики – энергия не возникает и не уничтожается, она переходит из одного вида в другой, пригодный для выполнения работы.

Схематично процессы диссимиляции питательных веществ происходят таким образом, что на начальном этапе в пищеварительном тракте они расщепляются до мономеров (белки – до аминокислот, жиры – до жирных кислот, углеводы – до моносахаров), после чего, вне зависимости от природы питательных веществ, дальнейшее

Экзоцитоз. Выведение веществ из клеток осуществляется также с помощью нескольких механизмов. Так же, как и эндоцитоз, имеют место активный и пассивный транспорт веществ из клетки. Активным транспортом выводятся ионы и мелкие молекулы, пассивным – большинство неорганических веществ и конечных продуктов метаболизма (т.н. шлаки).

Еще один способ выведения имеется для выведения из клеток крупномолекулярных соединений. Они накапливаются в цитоплазме в аппарате Гольджи в виде транспортных пузырьков и с помощью системы микротрубочек концентрируются у плазматической мембраны клетки. Мембрана пузырька встраивается в плазматическую мембрану, и содержимое пузырька выводится за пределы клетки. Слияние пузырька с плазмолеммой может происходить без каких-либо дополнительных сигналов – такой экзоцитоз называется конститутивным . Таким образом выводятся,как правило, продукты собственного метаболизма клетки, или шлаки. Но значительная часть клеток синтезирует специальные вещества, необходимые организму для жизнедеятельности –секреты. Для того, чтобы пузырек с секретом слился с плазмалеммой, необходим сигнал извне. Такой экзоцитоз называетсярегулируемым. Сигнальные молекулы, стимулирующие выведение секретов, называются либеринами, тормозящие выведение – статинами.Весьма распространен этот способ экзоцитоза в нейро-эндокринной системе при выработке гормонов и нейро- медиаторов.

Межклеточные взаимодействия

Функции клеток

Воспроизведение клеток. Клеточный цикл.

Согласно одному из постулатов клеточной теории, размножение клеток, т.е. увеличение их численности, происходит путем деления исходной клетки. Это правило справедливо как для эукариотических, так и для прокариотических, клеток. Время жизни клетки как таковой, от деления до следующего деления, или от деления до ее гибели, называется клеточным циклом . В организме клетки разных тканей и органов имеют неодинаковую способность к делению. Например, во всех органах имеются клеточные популяции, полностью потерявшие способность к делению. Это специализированные,или дифференцированные, клетки. Они выполняют, как правило, особые функции, присущие только этому типу клеток и входят в состав паренхимы органов.

Но в организме есть и постоянно обновляющиеся ткани – эпителиальные, кроветворные ткани. В таких тканях существует довольно большая доля активно делящихся клеток, заменяющих отжившие. Длительность цикла обычно составляет в активно делящихся популяциях клеток 10-30 ч. Делящиеся клетки обладают различным количеством ДНК в зависимости от стадии клеточного цикла. Это характерно как для половых, так и соматических клеток. Известно, что мужские и женские половые клетки несут единичный (гаплоидный) набор хромосом и содержат ДНК в два раза меньше, чем соматические диплоидные клетки всего организма. Плоидность в генетике обозначают буквой n . Так, половые клетки несут 1nнабор, соматические клетки обладают 2nнабором, т.е. они диплоидны, существуют клетки с набором хромосом 3n- это триплоидный набор.

В течение клеточного цикла в популяции диплоидных клеток встречаются как диплоидные, так и тетраплоидные наборы хромосом и промежуточные количества ДНК в период покоя клетки (интерфаза). Такая гетерогенность обусловлена тем, что удвоение количества ДНК происходит до начала деления (митоза).

Весь клеточный цикл (анимация в Интернет) состоит из четырех временных отрезков: собственно митоза (М), пресинтетического (G 1), синтетического (S) и постсинтетического (G 2)периодов интерфазы.

В G 1 периоде, который следует сразу после митоза, клетки имеют диплоидное содержание ДНК(2с; с- содержание ДНК, соответствующее плоидности). В этот период начинается рост клеток за счет накопления клеточных белков и происходит подготовка клетки к синтетическому периодуS. Именно в этот период активизируется синтез ферментов,

необходимых для образования предшественников ДНК. Резко повышается энергетическая потребность в клетке.

В S- период происходит удвоение количества ДНК (редупликация) и удваивается количество хромосом (1n--- 2n).В разных клетках, находящихся вS- периоде, можно обнаружить и различное количество ДНК – от 2 с до 4с. В этом периоде содержание РНК возрастает в соответствии с количеством ДНК.

Постсинтетическая фаза G 2 также называется пре-митотической. В этот период активизируется синтез информационной РНК, необходимой для осуществления митоза

В конце этого периода,перед митозом, синтез РНК падает.

В растущих тканях животных и растений есть некоторое количество клеток, которые находятся как бы вне клеточного цикла. Эти клетки называют клетками G 0 - периода, или покоящимися. Они не вступают в следующую стадию –G 1 после митоза, а перестают делиться. При этом, они и не дифференцируются, оставаясь в состоянии, готовом к митозу. Например, большинство клеток печени находятся именно вG 0 – периоде – они не синтезируют ДНК и не делятся. Однако, после удаления части печени,как было показано в экспериментальных условиях на животных, большая часть клеток печени включается в митотический цикл. Многие клетки полностью теряют способность возвращаться в митотический цикл – например,нейроны головного мозга.

Клеточный цикл и радиочувствительность

Интересно отметить, что разные стадии клеточного цикла значительно различаются по чувствительности к внешним воздействиям. Например, наиболее чувствительны к химическим агентам и физическим воздействиям, таким как ионизирующая радиация, G 1 - период а также собственно митоз, тогда как основная часть интерфазы (периодыG 2 иS) менее чувствительна. Экспериментальные исследования на клеточных культурах, полученных от облученных животных, показали, что различия в радиочувствительности могут достигать 40 и более раз между стадиями клеточного цикла. Кроме того, у подвергнутых облучению клеток изменяются временные показатели отдельных стадий цикла; например, отмечается задержка наступления митотической стадии и удлинение стадииG 2 .

В радиационной цитологии известны феномены самопроизвольного восстановления жизнедеятельности облученных клеток от потенциально летальных повреждений. Этот эффект был обнаружен русским исследователем В.И.Корогодиным в 50-х годах 20-го столетия и имел существенное значение для оценки истинной радиочувствительности клеток и организма в целом.

Деление клеток: митоз.

Митоз (кариокинез, непрямое деление) – универсальный способ деления любых эукариотических клеток (анимационный фильм в Интернет). Уже синтезированные в предыдущий пре-митотический периодG 2 хромосомы (двойной набор- 4n) переходят в конденсированную компактную форму, образуется веретено деления в клетке и происходит расхождение гомологичных хромосом к противоположным полюсам клетки, после чего разделяется и цитоплазма клетки(цитокинез, цитотомия).

Процесс митоза условно подразделяют на несколько основных фаз: профаза, метафаза, анафаза, телофаза .(рис)

Профаза. Как уже отмечалось, по окончанииS- периода в интерфазном ядре клетки количество ДНК составляет 4 с, поскольку уже произошло удвоение хромосомного материала. Однако морфологически в световом микроскопе число хромосом в профазе различается как 2n, хотя каждая из них уже удвоилась. Однако, к концу профазы двойственность набора хромосом уже морфологически различима за счет активно идущего процесса конденсации (уплотнения) хромосом. Число хромосом 4nточно соответствует количеству ДНК – 4 с.

профаза

прометафаза

телофаза

метафаза

анафаза

Рис. Митоз

В профазе значительно снижается уровень синтетических процессов в клетке, и образуется веретено деления – аппарат для разведения генетического материала к двум полюсам клетки.

Метафаза. Эта фаза занимает примерно треть всего времени митоза. Ее тличительной особенностью является то, что в это время заканчивается образование веретена деления и хромосомы выстраиваются в экваторе веретена деления в середине клетки. Клетка в этой фазе имеет характерный вид, называемый “ метафазной пластинкой”, или материнской звездой. К концу метафазы уже хорошо различимы в световом микроскопе удвоенные и конденсированные хромосомы в виде близко прилегающих друг к другу сестринских хроматид. Их плечи располагаются параллельно друг другу, однако между хроматидами уже имеется разделительное пространство.

Анафаза. Выстроившиеся в центре клетки гомологичные хромосомы теряют связь друг с другом и синхронно начинают расходиться к противоположным полюсам пока еще не разделившейся клетки. Это самая короткая по длительности фаза митоза.Тем не менее, в это время происходят важные события: обособление двух идентичных наборов хромосом и их перемещение к двум полюсам клетки.

Телофаза. Два набора хромосом (2nх 2) формируют два ядра клетки; одновременно с этим идет процесс разделения исходной клетки на две дочерние –цитокинез, цитотомия. В подмембранном слое цитоплазмы располагаются сократительные белки типа актиновых фибрилл, ориетированные в зоне экватора клетки. Эти белки и осуществляют “ перетяжку” клетки в центре и ее разделение на две дочерние. Митоз завершается.

При повреждении митотического аппарата может происходить задержка митоза в метафазе или даже рассеивание хромосом. Кроме того, могут возникать многополюсные и ассиметричные митозы. При нарушениях процессов цитотомии образуются гигантские ядра или многоядерные клетки.Такие эффекты наблюдаются при злокачественной трансформации клеток как под действием внешних источников(химические агенты, лекарства, ионизирующая и неионизирующая радиация, вирусы), так и под действием внутренних факторов(например- некоторых гормонов, биологически активных веществ).

Мейоз

Помимо митотического деления соматических клеток, происходящего во всех органах и тканях организма, существует особая, уникальная форма клеточного размножения, приводящая к образованию половых клеток с гаплоидным набором хромосом. Такая форма получила название мейоза и происходит она у высших животных (и человека) и высших растений в первичных генеративных органах. У человека образование половых клеток(гамет) происходит в яичках(у мужчин) и яичниках (у женщин).

Образование мужских половых клеток (сперматогенез) протекает в ткани извитых семенных канальцев яичек и включает 4 последовательные стадии: размножения, роста, созревания и формирования(рис).

Начальная фаза сперматогенеза – размножение сперматогенного эпителия и формирование более зрелых клеток – сперматогоний. Среди сперматогоний имеется пул стволовых клеток, являющихся источником образования новых клеток,и другая часть сперматогоний продолжает дальнейшее созревание, или дифференцировку.

Результатом такого созревания(фаза роста ) является потеря клеткой способности к делению формирование клетки, называемой первичным сперматоцитом, или сперматоцитом 1-го порядка. В этот период сперматоцит 1-го порядка увеличивается в объеме и вступает в стадию первого деления мейоза(редукционное деление). Эта стадия длительная и состоит из 5 этапов: лептотены, зиготены, пахитены, диплотены и диакинеза.После деления в каждой из двух дочерних клеток, называемых сперматоцитами 2-го порядка, или вторичными сперматоцитами, содержится уже гаплоидное число хромосом(23 у человека).

Следующая фаза – второе деление(фаза созревания ), происходящее как обычный митоз во вторичных сперматоцитах без редупликации(удвоения) хромосом. В результате, из двух вторичных сперматоцитов образуется четыре клетки с гаплоидным хромосомным набором-сперматиды. Таким образом, каждая исходная сперматогония дает начало 4 сперматидам, у которых гаплоидный(одинарный) набор хромосом.

Сперматиды больше не делятся и после сложных морфологических изменений превращаются в зрелые сперматозоиды. Эта трансформация происходит в заключительную стадию сперматогенеза – фазу формирования спермиев.

Сперматогония

(диплоидная клетка)

митоз

Дополнительная сперматогония

Первичный сперматоцит

Первое мейотическое деление

Вторичный сперматоцит

Второе мейотическое деление

Сперматиды(гапло-идные клетки)

Сперматозоид

Головка

Шейка

Хвост

Рис. Сперматогенез

Процесс сперматогенеза у человека длится около 75 суток и протекает на протяжении извитого семенного канальца волнообразно. В определенном отделе канальца имеется определенный набор клеток сперматогенного эпителия.

Лекция 6 . Реакции клеток на внешние воздействия.

Клетки организма постоянно подвержены воздействию разнообразных факторов внешней среды – химических, физических и биологических, а также внутренним влияниям – нервным и нейро-гуморальным. Эти факторы вызывают первичные нарушения в клеточных структурах, следствием чего наблюдается как правило функциональное нарушение в органе или системе. Судьба клеток зависит от интенсивности воздействия, его характера и длительности. После нарушений клетки могут адаптироваться, приспособиться к воздействующему фактору, восстанавливаться после отмены повреждающего действия, или необратимые изменения в конце концов приведут к гибели клеток.

При обратимом повреждении клетки отвечают рядом функциональных и морфологических изменений. Одним из наиболее общих критериев клеточного повреждения является изменение способности клеток взаимодействовать с различными красителями. Нормальные клетки поглощают растворенные в воде красители и откладывают их в виде гранул в цитоплазме; ядро при этом не прокрашивается. Поврежденные клетки (от нагревания, изменения давления, рН среды, воздействия денатурирующего агента) теряют эту способность и краска диффузно распределяется не только в цитоплазме, но и в ядре. В случае обратимого характера повреждений, при условии отмены действия внешнего фактора, гранулообразование в цитоплазме клеток восстанавливается.

Другим характерным признаком повреждения клеток является падение дыхательных процессов в клетке, при этом значительно падает окислительной фосфорилирование, необходимое для синтеза АТФ. Для поврежденных клеток характерно усиление гликолитических процессов (закисление), падение количества АТФ и активация протеолиза (денатурация белков). Вся совокупность неспецифических обратимых изменений в клетках, возникающих под действием различных агентов, называется “ паранекрозом”. В этой начальной и обратимой стадии изменений процессы клеточной ассимиляции и диссимиляции существенно не изменены.

Однако, в случае необратимого повреждения клеточного метаболизма развертываются события, затрагивающие не только цитоплазму, но и ядерный аппарат. Наиболее значительным проявлением необратимых изменений в поврежденной клетке служит конденсация (уплотнение, аггрегация) хроматина, падение ядерных синтетических процессов. При гибели клетки хроматин образует грубые сгустки внутри ядра (пикноз), а само ядро распадается на части или даже растворяется (кариорексис).

В поврежденных клетках резко снижается митотическая активность, задержки клеток на разных стадиях митоза. Нарушается проницаемость клеточных мембран, в результате происходит вакуолизация мембранных органелл клетки. При этом, происходит интенсивное накопление в клетке каких-то отдельных продуктов нарушенного метаболизма. В общей патологии такие изменения в структуре клеток называются дистрофиями . Так, например, при жировой дистрофии в клетках накапливаются жировые включения, при углеводной –гликогена, при белковой – отложение белковых гранул, пигментов и т.д. Конечным этапом необратимых изменений в клетках является их гибель, на уровне ткани и органа это проявляется в виденекроза , или отмирания ткани (органа).

Особой формой нарушений регуляции метаболизма клеток является нарушение клеточной дифференцировки, приводящее чаще всего к развитию опухолевого процесса . Опухолевым клеткам присуще неконтролируемое размножение, автономность поведения в организме и нарушение межклеточных взаимодействий. Все эти свойства опухолевых клеток сохраняются от поколения к поколению, т.е. являются наследуемыми. В связи с этими особенностями, раковые клетки считают мутантами с точки зрения неподчиненности их поведения регулирующим воздействиям организма.

Здесь важную роль играют молекулярные процессы поддержания и регуляции ионного гомеостаза клеток в норме и при злокачественной трансформации. Понятие ионный гомеостаз клетки (ИГК) включает систему регуляции активности ионов, обеспечивающих нормальную внутриклеточную среду, и воды. К числу наиболее важных для жизнедеятельности клетки ионов относятся К + ,Na + ,Ca 2+ ,H + ,PO 2- , и ионы таких энергоемких молекул, как АТФ и АДФ (аденозиндифосфат). ИГК может управлять поведением клетки, меняя прежде всего количественные соотношения между основными системами клетки – к примеру, интенсивность синтеза белка и РНК, масса цитоплазмы и ядра и т.д. В случае нарушения работы ИГК в клетках изменяются прежде всего молекулярные механизмы их взаимодействий друг с другом, в результате чего опухолевые клетки и приобретают автономность поведения и низкую чувствительность к регулирующим воздействиям.(Маленков А.Г., 1976 г.).

Гибель клеток.

Различают две формы гибели клеток – некроз иапоптоз.

Некроз вызывается преимущественно различными внешними факторами, которые прямо или опосредованно влияют на проницаемость мембран и клеточный метаболизм. Во всех случаях происходит цепь морфо-функциональных нарушений, приводящая в конце концов к растворению клетки – лизису.

Итак, некроз –это форма гибели клеток, характеризующаяся:

функционально – необратимым прекращением их жизнедеятельности,

морфологически –нарушением целостности мембран, изменениями в ядре(пикноз, кариорексис, лизис), цитоплазме (отек), разрушением клеток, воспалительной реакцией,

биохимически – нарушением выработки энергии, коагуляцией и гидролитическим расщеплением белков, нуклеиновых кислот, липидов,

генетически – потерей генетической информации.(Лушников Е.Ф.,Абросимов А.Ю., 2001).

Апоптоз – это процесс клеточной гибели, который может происходить и без первичного нарушения клеточного метаболизма. Чаще апоптоз называют ещепрограммированной клеточной гибелью ; имеется в виду тот факт, что эта форма гибели клеток действительно развивается по программе, заложенной в генетическом аппарате клеток. При этом, в результате действия на клетку различных стимулов в ядре происходит активация определенных генов, стимулирующих самоуничтожение клетки. Программа самоуничтожения может реализовываться под действием некоторых сигнальных молекул самого организма – например, гормонов или белковых молекул. Так, размножающиеся в огромных количествах в вилочковой железе (тимусе) лимфоциты почти все погибают в течение нескольких часов не покидая вилочковой железы и в кровяном русле под действием глюкокортикоидов – гормонов коры надпочечников. Смысл этого феномена совершенно неясен, но тем не менее он происходит именно по пути апоптоза.

К активации генов самоуничтожения может привести прекращение какого-то регулирующего сигнала. Например, после удаления семенников полностью погибают клетки предстательной железы у мужчин.

Гибель клеток как бы без видимой причины встречается часто при нормальном эмбриональном развитии организма. Например, клетки хвоста головастика погибают в результате активации гормонов щитовидной железы на определенной стадии развития головастика. Во взрослом организме апоптозу подвергаются клетки молочной железы при ее инволюции (обратном развитии).

Фиг. Стадии развития апоптоза. Фото слева – нормальная клетка;

В центре – начало фрагментации цитоплазмы; справа – конечный этап

фрагментации цитоплазмы и ядра.

Процесс апоптоза существенно отличается от некроза. Эта форма клеточной гибели характеризуется:

функционально – необратимым прекращением жизнедеятельности клеток,

морфологически – потерей микроворсинок и межклеточных контактов, конденсацией хроматина и цитоплазмы, сморщиванием клеток, образованием пузырьков из плазматических мембран, фрагментацией клеток и образованием микроядер,

биохимически – гидролизом белков цитоплазмы и распадом ДНК,

генетически – структурно-функциональной перестройкой генетического аппарата, завершающейся поглощением клеточных фрагментов макрофагами тканей без воспалительной реакции.(Лушников Е.Ф.,Абросимов А.Ю., 2001).

Сущность апоптоза, его место в норме и при патологии.

В многоклеточном организме гибель клеток происходит постоянно, но в разных тканях и органах она наблюдается при определенных условиях. Биологическая сущность гибели клеток неоднозначна. Самое главное и существенное, это то, что апоптоз имеет разное значение для нормальной жизни позвоночных животных и беспозвоночных животных (а теперь стало известно, что и для растительного мира):

в эмбриогенезе апоптоз является элементом развития и связан с формированием тканей и органов,

при самостоятельном существовании организма апоптоз является составной частью метаморфоза (у насекомых и амфибий),

у животных процессы гистогенеза и органогенеза протекают с участием апоптоза,

в зрелом организме апоптоз является частью гомеостатического механизма смены клеток,

при старении апоптоз отражает естественную гибель клеток.

Репродуктивная гибель клеток.

В связи со стадиями клеточного цикла существует две формы гибели клеток от внешнего воздействия. Одна из них – репродуктивная гибель, касающаяся только делящихся популяций клеток. Эта форма гибели клеток была обнаружена в радиобиологических экспериментах на лабораторных животных в 70-е годы.

У облученных животных при цитологических исследованиях была обнаружена потеря некоторыми клетками способности к делению после прохождения нескольких клеточных циклов, с последующей гибелью. Причем, такая форма гибели наблюдается и у клеток в культуре “ин витро”.

Интерфазная гибель клеток.

Другой феномен, обнаруженный также в радиобиологических работах- немедленная гибель клеток после облучения,без деления – в интерфазе. Эта форма поражения клеток характерна для лучевых последствий в системе кроветворения в костном мозге, в иммунной и нервной системах. Согласно современным представлениям, интерфазная гибель клеток происходит по пути апоптоза.

Лекция 7. Общая эмбриология. Основные понятия и феномены.

Эмбриология (от греч.embryon– зародыш) – наука о закономерностях развития зародышей. Медицинская эмбриология (Э) изучает закономерности развития зародыша человека, причины развития уродств и другие отклонения от нормы, возможные пути и методы воздействия на эмбриогенез(процесс формирования зародыша).

В настоящее время медицинские технологии позволяют во многих случаях бороться с бесплодием, осуществлять рождение “ пробирочных” детей, проводить трансплантации зародышевых органов и тканей. Сейчас уже разработаны методы культивирования ин витро яйцеклеток, вне- организменное оплодотворение и имплантация зародыша в матку.

Процесс эмбрионального развития человека претерпел длительную эволюцию и в значительной степени отражает стадии развития других представителей животного мира. Поэтому, ранние стадии развития зародыша человека сходны с аналогичными стадиями эмбриогенеза менее организованных хордовых животных.

Репродуктивная система человека включает несколько взаимосвязанных этапов развития мужских и женских половых клеток, слияния этих клеток при оплодотворении и формирование нового организма из зародыша. Эти этапы следующие:

Прогенез – развитие и созревание половых клеток-яйцеклеток и сперматозоидов. В результате прогенеза в зрелых половых клетках возникает гаплоидный (одинарный) набор хромосом, формируются структуры, способствующие их взаимному слиянию(оплодотворению) и развитию нового организма.

Эмбриогенез- часть онтогенеза человека (его индивидуального развития), ввключает основные стадии: 1- оплодотворение с образованием зиготы, 2- дробление зиготы и образование бластулы(бластоцисты), 3 –гаструляцию- образование зародышевых листков и комплекса осевых органов, 4- образование зародышевых и внезародышевых тканей и органов,5- формирование систем органов(системогенез).

Пост-эмбриональный период – функционирование нового индивида после рождения вне организма матери, включая и продолжение формирования органов и тканей после рождения.

Прогенез.

Половые клетки(гаметы) , в отличие от соматических клеток,содержат не двойной, а одинарный набор хромосом. У человека этот двойной набор составляет 46 хромосом, следовательно в гаметах содержится по 23 хромосомы.

Фиг .Диплоидный хромосомный набор(46 хромосом) в соматических клетках у человека

Все хромосомы в гаметах называются аутосомами- их в гамете 22, за исключением одной – двадцать третьей, которая называетсяполовой хромосомой. Вмужских половых клетках половина гамет(сперматозоидов)(С) содержит половую хромосому с женским генетическим материалом (Х- хромосома), и половина – хромосому с мужским генетическим материалом –Y- хромосома. В женских гаметах(яйцеклетках) (Я) все половые хромосомы являются Х-несущими. Характерной особенностью гамет является невысокий уровень метаболизма в них. Кроме того, зрелые гаметы утрачивают способность делиться.

Мужские половые клетки – сперматозоиды – образуются в огромном количестве у большинства высших животных.У млекопитающих и человека сперматозоиды образуются и созревают в течение всего активного полового периода в генеративных органах – яичках, из первичных половых клеток сперматогенного эпителия извитых канальцев. В процессе митотического деления, часть сперматогоний (следующая стадия дифференцировки первичных половых клеток) вступает в процесс дифференцировки до состояния зрелых сперматозоидов, а часть не дифференцируется и продолжает митотически делиться, тем самым поддерживая пул стволовых(исходных) клеток.(Далее нужно кратко описать мейоз.)

Световая фаза

Схема 5

Превращение веществ и энергии в процессе диссимиляции включает в себя следующие этапы:

I этап - подготовительный: сложные органические вещества под действием пищеварительных ферментов распадаются на простые, при этом выделяется только тепловая энергия.
Белки ® аминокислоты

Жиры ® глицерин и жирные кислоты

Крахмал ® глюкоза

II этап - гликолиз (бескислородный): осуществляется в гиало­плазме, с мембранами не связан; в нем участвуют ферменты; расщеплению подвергается глюкоза:

III этап - кислородный: осуществляется в митохондриях, свя­зан с матриксом митохондрий и внутренней мембраной, в нем участвуют ферменты, расщеплению подвергается пировино­градная кислота

СО 2 (диоксид углерода) выделяется из митохондрий в окружаю­щую среду. Атом водорода включается в цепь реакций, конеч­ный результат которых - синтез АТФ. Эти реакций идут в та­кой последовательности:

1. Атом водорода Н,с помощью ферментов-переносчиков посту­пает во внутреннюю мембрану митохондрии, образующую кристы, где он окисляется:

2. Протон Н + (катион водорода) выносится переносчиками на наружную поверхность мембраны крист. Для протонов эта мем­брана, так же как и наружная мембрана митохондрии, непрони­цаема, поэтому они накапливаются в межмембранном пространстве, образуя протонный резервуар.

3. Электроны водорода переносятся на внутреннюю поверх­ность мембраны крист и тут же присоединяются к кислороду с помощью фермента оксидазы, образуя отрицательно заряжен­ный активный кислород (анион):

4. Катионы и анионы по обе стороны мембраны создают разноименно заряженное электрическое поле, и когда разность потен­циалов достигнет 200 мВ, начинает действовать протонный канал. Он возникает в молекулах ферментов АТФ-синтетаз, которые встроены во внутреннюю мембрану, образующую кристы.

5. Через протонный канал протоны Н + устремляются внутрь митохондрии, создавая высокий уровень энергии, большая часть которой идет на синтез АТФ из АДФ и Ф (), а сами протоны Н + взаимодействуют с активным кислородом, образуя во­ду и молекулярный О 2:

Таким образом, О 2 , поступающий в митохондрии в процессе ды­хания организма, необходим для присоединения протонов Н + . При его отсутствии весь процесс в митохондриях прекращается, так как электронно-транспортная цепь перестает функциониро­вать. Общая реакция III этапа:

В результате расщепления одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ: на II этапе - 2 АТФ и на III этапе - 36 АТФ. Об­разовавшиеся молекулы АТФ выходят за пределы митохондрии и участвуют во всех процессах клетки, где необходима энергия. Расщепляясь, АТФ отдает энергию (одна фосфатная связь заключает 46 кДж) и в виде АДФ и Ф (фосфата) возвращается в митохондрии.

Расщепление органических веществ до более простых с выделением энергии и запасанием ее в АТФ - это энергетический обмен. Он включает три этапа - подготовительный, бескислородный и кислородный.

На подготовительном этапе энергия хоть и выделяется, но не запасается в АТФ, а рассеивается в виде тепла.

Бескислородный этап протекает в цитоплазме и приводит к расщеплению каждой молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты. При этом выделяется мало энергии, поэтому синтезируется только две молекулы АТФ.

Кислородный этап энергетического обмена протекает в митохондриях. Здесь пировиноградная кислота окисляется до углекислого газа и воды, выделяется много энергии и синтезируется около 36 молекул АТФ.

Биосинтез белка и синтез жиров относятся к пластическому обмену, когда из более простых соединений синтезируются более сложные. Такие процессы идут не с выделением энергии, а с ее потреблением. АТФ здесь играет роль поставщика энергии, распадаясь до АДФ и фосфорной кислоты.

В биологии аббревиатурой АТФ обозначают органическое вещество (мономер) аденозинтрифосфат (аденозинтрифосфорную кислоту). По химическому строению оно представляет собой нуклеозидтрифосфат.

В состав АТФ входят рибоза, аденин, три остатка фосфорной кислоты . Фосфаты последовательно связаны между собой. При этом два последних так называемой макроэргической связью, разрыв которой обеспечивает клетку большим количеством энергии.

Таким образом, АТФ выполняет в клетке энергетическую функцию .

Большая часть молекул АТФ образуется в митохондриях в реакциях клеточного дыхания. В клетках постоянно идет синтез и распад большого количество молекул аденозинтрифосфорной кислоты.

Отщепление фосфатных групп в основном происходит при участии фермента АТФ-азы и является реакцией гидролиза (присоединения воды):

АТФ + H2O = АДФ + H3PO4 + E,

где E - это выделяющаяся энергия, идущая на различные клеточные процессы (синтез других органических веществ, их транспорт, движение органоидов и клетки, терморегуляцию и др.).

По разным источникам количество выделяющейся энергии составляет от 30 до 60 кДж/моль.

АДФ - это аденозиндифосфат, который содержит уже два остатка фосфорной кислоты.

Чаще всего к нему потом снова присоединяется фосфат с образованием АТФ:

АДФ + H3PO4 = АТФ + H2O — E.

Эта реакция идет с поглощением энергии, накопление которой происходит в результате рада ферментативных реакций и процессов переноса ионов (в основном в матриксе и на внутренней мембране митохондрий). В конечном итоге энергия аккумулируется в присоединяемой к АДФ фосфатной группе.

Однако от АДФ может отщепиться еще один фосфат, связанный макроэргической связью, при это образуется АМФ (аденозинмонофосфата).

АМФ входит в состав РНК. Отсюда еще одна функция аденозинтрифосфорной кислоты – она служит источником сырья для синтеза ряда органических соединений.

Таким образом, особенности строения АТФ, функциональное использование только его в качестве источника энергии в метаболических процессах, дает возможность клеткам иметь единую и универсальную систему по приему химической энергии.

Связанная статья:Этапы энергетического обмена

Процесс фосфорилирования – реакция переноса фосфорильной группы от одного соединения к другому при участии фермента киназы. АТФ синтезируется путем окислительного и субстратного фосфорилирования.

Окислительное фосфорилирование – синтез АТФ путем присоединения к АДФ неорганического фосфата с использованием энергии, освободившейся при окислении биоорганических веществ.

АДФ + ~Ф → АТФ

Промежуточным продуктом углеводного метаболизма является фосфоенолпировиноградная кислота, которая передает АДФ фосфорильную группу с высокоэнергетической связью:

2.

Второй этап. После транспортировки мономеры (продукты распада биоорганических соединений) поступают в клетки, где подвергаются окислению.

В результате окисления топливных молекул (аминокислоты, глюкоза, жиры) образуется соединение ацетил-Ко-А. В течение данного этапа освобождается около 30% энергии пищевых веществ.

Третий этап – цикл Кребса – представляет собой замкнутую систему биохимических окислительно-восстановительных реакций. Цикл назван по имени английского биохимика Ханса Кребса, который постулировал и экспериментально подтвердил основные реакции аэробного окисления. За проведенные исследования Кребс получил Нобелевскую премию (1953).

Цикл имеет еще два названия:

II.

Данный процесс является реакцией дегидратации, катализируется ферментом аконитазой.

Данный процесс является реакцией гидратации, катализируется ферментом аконитазой.

IV.

Реакции 4 и 5 представляют собой окислительное декарбоксилирование, катализируются изоцитратдегидрогеназой, промежуточным продуктом реакций является оксалосукцинат.

Эта реакция также является реакцией окислительного декарбоксилирования, т.е. это вторая окислительно-восстановительная реакция:

α-Оксоглутарат + НАД + КоА Сукцинил-КоА + СО2 + НАДН

VII.

ГТФ + АДФ АТФ + ГДФ

X. Четвертая окислительно-восстановительная реакция:

Четыре реакции цикла являются окислительно-восстановительными, катализируются ферментами – дегидрогеназами, содержащими коферменты НАД, ФАД. Коферменты захватывают образующиеся Н+ и ē и передают их в дыхательную цепь (цепь биологического окисления). Элементы дыхательной цепи находятся на внутренней мембране митохондрий.

Дыхательная цепь – система окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит постепенный перенос Н+ и ē к О2, который поступает в организм в результате дыхания.

В дыхательной цепи происходит образование АТФ. Основные переносчики ē в цепи – железо- и медьсодержащие белки (цитохромы), кофермент Q (убихинон). В цепи находится 5 цитохромов (b1, с1, с, а, а3).

Простетической группой цитохромов b1, с1, с является железосодержащий гем. Механизм действия данных цитохромов состоит в том, что в их составе имеется атом железа с переменной валентностью, который может находиться как в окисленном, так и в восстановленном состоянии в результате переноса ē и Н+:

Цитохромы а и а3 образуют комплекс цитохромоксидазу, который является последним звеном дыхательной цепи.

Цитохромоксидаза содержит помимо железа медь с переменной валентностью. При транспортировке ē от цитохрома а3 к молекулярному О2 происходит процесс

Предыдущая9101112131415161718192021222324Следующая

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:



Обратная связь

ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение

Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать.

Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими

Целительная привычка

Как самому избавиться от обидчивости

Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам

Тренинг уверенности в себе

Вкуснейший «Салат из свеклы с чесноком»

Натюрморт и его изобразительные возможности

Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.

Как научиться брать на себя ответственность

Зачем нужны границы в отношениях с детьми?

Световозвращающие элементы на детской одежде

Как победить свой возраст?

Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия

Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)

Глава 3. Завет мужчины с женщиной

Оси и плоскости тела человека — Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков — Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) — В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Пути синтеза АТФ в организме

Процесс фосфорилирования – реакция переноса фосфорильной группы от одного соединения к другому при участии фермента киназы.

АТФ синтезируется путем окислительного и субстратного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование – синтез АТФ путем присоединения к АДФ неорганического фосфата с использованием энергии, освободившейся при окислении биоорганических веществ.

АДФ + ~Ф → АТФ

Субстратное фосфорилирование – непосредственная передача фосфорильной группы с макроэргической связью АДФ для синтеза АТФ.

Примеры субстратного фосфорилирования:

1. Промежуточным продуктом углеводного метаболизма является фосфоенолпировиноградная кислота, которая передает АДФ фосфорильную группу с высокоэнергетической связью:

Взаимодействие промежуточного продукта цикла Кребса – макроэргического сукцинил-Ко-А – с АДФ с образованием одной молекулы АТФ.

Рассмотрим три основных этапа освобождения энергии и синтеза АТФ в организме.

Первый этап (подготовительный) включает переваривание и всасывание.

На этом этапе освобождается 0,1% энергии пищевых соединений.

Второй этап. После транспортировки мономеры (продукты распада биоорганических соединений) поступают в клетки, где подвергаются окислению. В результате окисления топливных молекул (аминокислоты, глюкоза, жиры) образуется соединение ацетил-Ко-А. В течение данного этапа освобождается около 30% энергии пищевых веществ.

Третий этап – цикл Кребса – представляет собой замкнутую систему биохимических окислительно-восстановительных реакций.

Цикл назван по имени английского биохимика Ханса Кребса, который постулировал и экспериментально подтвердил основные реакции аэробного окисления. За проведенные исследования Кребс получил Нобелевскую премию (1953). Цикл имеет еще два названия:

— цикл трикарбоновых кислот, так как он включает реакции превращения трикарбоновых кислот (кислот, содержащих три карбоксильные группы);

— цикл лимонной кислоты, так как первой реакцией цикла является образование лимонной кислоты.

Цикл Кребса включает 10 реакций, четыре из которых окислительно-восстановительные.

В ходе реакций освобождается 70% энергии.

Чрезвычайно велика биологическая роль этого цикла, поскольку это общий конечный пункт окислительного распада всех основных пищевых продуктов.

Это главный механизм окисления в клетке, образно его называют метаболическим «котлом». В процессе окисления топливных молекул (углеводов, аминокислот, жирных кислот происходит обеспечение организма энергией в виде АТФ. Топливные молекулы вступают в цикл Кребса после превращения в ацетил-Ко-А.

Кроме того, цикл трикарбоновых кислот поставляет промежуточные продукты для процессов биосинтеза. Этот цикл происходит в матриксе митохондрий.

Рассмотрим реакции цикла Кребса:

Цикл начинается с конденсации четырехуглеродного компонента оксалоацетата и двухуглеродного компонента ацетил-Ко-А.

Реакция катализируется цитратсинтазой и представляет собой альдольную конденсацию с последующим гидролизом. Промежуточным продуктом является цитрил-Ко-А, который гидролизуется на цитрат и КоА:

Это первая окислительно-восстановительная реакция.

Реакция катализируется α-оксоглутаратдегидрогеназным комплексом, состоящим из трех ферментов:

В сукциниле имеется связь, богатая энергией.

Расщепление тиоэфирной связи сукцинил-КоА сопряжено с фосфорилированием гуанозиндифосфата (ГДФ):

Сукцинил-КоА + ~ Ф +ГДФ Сукцинат + ГТФ +КоА

Фосфорильная группа ГТФ легко переносится на АДФ с образованием АТФ:

ГТФ + АДФ АТФ + ГДФ

Это единственная реакция цикла, являющаяся реакцией субстратного фосфорилирования.

Это третья окислительно-восстановительная реакция:

В цикле Кребса образуются углекислый газ, протоны, электроны.

Четыре реакции цикла являются окислительно-восстановительными, катализируются ферментами – дегидрогеназами, содержащими коферменты НАД, ФАД. Коферменты захватывают образующиеся Н+ и ē и передают их в дыхательную цепь (цепь биологического окисления).

Элементы дыхательной цепи находятся на внутренней мембране митохондрий.

Дыхательная цепь – система окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит постепенный перенос Н+ и ē к О2, который поступает в организм в результате дыхания. В дыхательной цепи происходит образование АТФ.

Основные переносчики ē в цепи – железо- и медьсодержащие белки (цитохромы), кофермент Q (убихинон). В цепи находится 5 цитохромов (b1, с1, с, а, а3).

Простетической группой цитохромов b1, с1, с является железосодержащий гем.

Механизм действия данных цитохромов состоит в том, что в их составе имеется атом железа с переменной валентностью, который может находиться как в окисленном, так и в восстановленном состоянии в результате переноса ē и Н+:

Итоговая реакция, которая происходит на цитохромоксидазе, имеет вид

Энергетический баланс цикла Кребса и дыхательной цепи – 24 молекулы АТФ.

Схема цикла Кребса

Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) .

АТФ относят к мононуклеотидам. Она состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями.

В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве:

АТФ + H2O → АДФ + H3PO4 + Q1,
АДФ + H2O → АМФ + H3PO4 + Q2,
АМФ + H2O → аденин + рибоза + H3PO4 + Q3,

где АТФ - аденозинтрифосфорная кислота; АДФ - аценозиндифосфорная кислота; АМФ - аденозинмонофосфорная кислота; Q1 = Q2 = 30,6 кДж; Q3 = 13,8 кДж.

Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования - присоединения остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ + Ф → АТФ).

Он происходит с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе. АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин).

Энергия, накопленная в молекулах АТФ, используется организмом в анаболических реакциях (реакциях биосинтеза).

Молекула АТФ служит универсальным хранителем и переносчиком энергии для всех живых существ.

Анатомия и физиология центральной нервной системы

4. Обмен жиров, их биологическая роль, теплоемкость, участие в обмене веществ.

Энергетическая стоимость жиров. Жировые отложения

Жиры — органические соединения, входящие в состав животных и растительных тканей и состоящие в основном из триглицеридов (сложных эфиров глицерина и различных жирных кислот). Помимо триглицеридов, в состав жиров входят вещества…

Влияние органических удобрений на микробиоту почвы

2.

Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе

Химическая деятельность микроорганизмов проявляется в непрерывном круговороте азота, фосфора, серы, углерода и других веществ. При самом активном, широком участии микроорганизмов в природе, главным образом в почве и гидросфере…

Гормон окситоцин

1.

Химическая структура и синтез окситоцина

Окситоцин не является собственным гормоном нейрогипофиза, а лишь накапливается в нем, перемещаясь по аксонам гипоталамо- гипофизарного пучка из ядер переднего гипоталамуса — супраоптического и паравентрикулярного…

3.

Реакционная способность веществ, анализ и синтез

Естествознание на молекулярном уровне

3. Реакционная способность веществ, анализ и синтез

Зависимость уровня тиреотропного и тиреоидных гормонов от заболеваний щитовидной железы

2.5 Влияние веществ на синтез тиреоидных гормонов

В настоящее время считается, что влияния на синтез различных веществ имеет смешанный характер.

Этот тезис доказывается в статье Р.В.

Кубасова, Е.Д…

Микроорганизмы в круговороте веществ в природе

Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе

С помощью микроорганизмов органические соединения растительного и животного происхождения минерализуются до углерода, азота, серы, фосфора, железа и др.

Круговорот углерода. В круговороте углерода активное участие принимают растения…

Микроорганизмы, выделенные из различных природных жиров

1.1 Структура жировых веществ

Жиры являются веществами нелетучими и при нагревании до 250-300°С разлагаются с образованием летучих веществ, выделяющихся в виде паров, газов и дыма.

Жиры плохие проводники тепла…

Глава 4. Печень, ее роль в обмене веществ

Обмен белков. Обмен жиров. Обмен углеводов. Печень, ее роль в обмене веществ

4.3 Роль печени в обмене веществ

Рассматривая обмен белков, жиров и углеводов мы не раз затрагивали печень.

Печень является важнейшим органом, осуществляющим синтез белков. В ней образуется весь альбумин крови, основная масса факторов свертывания…

Основные принципы питания

7. Роль минеральных веществ в питании человека

В зависимости от количества минеральных веществ в организме человека и в пищевых продуктах их подразделяют на макро- и микроэлементы.

К первым относятся кальций, калий, магний, натрий, фосфор, хлор, сера…

Роль микроорганизмов в круговороте химических элементов в природе

4. Роль микроорганизмов в круговороте серы в природе, их значение превращения веществ и практическое использование

Круговорот серы осуществляется в результате жизнедеятельности бактерий, окисляющих или восстанавливающих ее.

Процессы восстановления серы происходят несколькими путями. Под влиянием гнилостных бактерий — клостридий…

4.2 Каротиноиды. Их структура, функции и физиологическая роль

Каротиноиды — жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого, красного цвета — присутствуют в хлоропластах всех растений. Они входят также в состав хромопластов в незеленых частях растений, например в корнеплодах моркови…

Фотосинтез как основа энергетики биосферы

4.3 Фикобилины.

Их структура, функции и физиологическая роль

Синезеленые водоросли (цианобактерии), красные морские водоросли и некоторые морские криптомонады помимо хлорофилла а и каротиноидов содержат пигменты фикобилины…

Энергетический метаболизм микроорганизмов

1.

Общие понятия об обмене веществ и энергии

Все живые организмы могут использовать только химически связанную энергию. Каждое вещество обладает определенным запасом потенциальной энергии. Главные материальные носители ее химические связи…

Аденозинтрифосфорная кислота-АТФ - обязательный энергетический компонент любой живой клетки. АТФ также нуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, сахара рибозы и трех остатков молекулы фосфорной кислоты. Это неустойчивая структура. В обменных процессах от нее последовательно отщепляются остатки фосфорной кислоты путем разрыва богатой энергией, но непрочной связи между вторым и третьим остатками фосфорной кислоты. Отрыв одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением около 40 кДж энергии. В этом случае АТФ переходит в аденозиндифосфорную кислоту (АДФ), а при дальнейшем отщеплении остатка фосфорной кислоты от АДФ образуется аденозинмонофосфорная кислота (АМФ).

Схема строения АТФ и превращения ее в АДФ (Т.А. Козлова, В.С. Кучменко. Биология в таблицах. М.,2000)

Следовательно, АТФ - своеобразный аккумулятор энергии в клетке, который "разряжается" при ее расщеплении. Распад АТФ происходит в процессе реакций синтеза белков, жиров, углеводов и любых других жизненных функций клеток. Эти реакции идут с поглощением энергии, которая извлекается в ходе расщепления веществ.

АТФ синтезируется в митохондриях в несколько этапов. Первый из них - подготовительный - протекает ступенчато, с вовлечением на каждой ступени специфических ферментов. При этом сложные органические соединения расщепляются до мономеров: белки - до аминокислот, углеводы - до глюкозы, нуклеиновые кислоты - до нуклеотидов и т. д. Разрыв связей в этих веществах сопровождается выделением небольшого количества энергии. Образовавшиеся мономеры под действием других ферментов могут претерпеть дальнейший распад с образованием более простых веществ вплоть до диоксида углерода и воды.

Схема Синтез АТФ в мвтохондрии клетки

ПОЯСНЕНИЯ К СХЕМЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В ПРОЦЕССЕ ДИССИМИЛЯЦИИ

I этап - подготовительный: сложные органические вещества под действием пищеварительных ферментов распадаются на простые, при этом выделяется только тепловая энергия.
Белки ->аминокислоты
Жиры-> глицерин и жирные кислоты
Крахмал ->глюкоза

II этап-гликолиз (бескислородный): осуществляется в гиалоплазме, с мембранами не связан; в нем участвуют ферменты; расщеплению подвергается глюкоза:

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение):

У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и т, д. Во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. В ходе бескислородного расщепления глюкозы в виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40% анергии, а остальная рассеивается в виде теплоты.

III этап-гидролиз (кислородный): осуществляется в митохондриях, связан с матриксом митохондрий и внутренней мембраной, в нем участвуют ферменты, расщеплению подвергается молочная кислота: СзН6Оз+ЗН20 -->3СО2+ 12Н. С02 (диоксид углерода) выделяется из митохондрий в окружающую среду. Атом водорода включается в цепь реакций, конечный результат которых - синтез АТФ. Эти реакции идут в такой последовательности:

1. Атом водорода Н с помощью ферментов-переносчиков поступает во внутреннюю мембрану митохондрий, образующую кристы, где он окисляется: Н-е-->H+

2. Протон водорода H+ (катион) выносится переносчиками на наружную поверхность мембраны крист. Для протонов эта мембрана непроницаема, поэтому они накапливаются в межмембранном пространстве, образуя протонный резервуар.

3. Электроны водорода e переносятся на внутреннюю поверхность мембраны крист и тут же присоединяются к кислороду с помощью фермента оксидазы, образуя отрицательно заряженный активный кислород (анион): O2 + е-->O2-

4. Катионы и анионы по обе стороны мембраны создают разноименно заряженное электрическое поле, и когда разность потенциалов достигнет 200 мВ, начинает действовать протонный канал. Он возникает в молекулах ферментов АТФ-синтетаз, которые встроены во внутреннюю мембрану, образующую кристы.

5. Через протонный канал протоны водородаH+ устремляются внутрь митохондрий, создавая высокий уровень энергии, большая часть которой идет на синтез АТФ из АДФ и Ф (АДФ+Ф-->АТФ), а протоны H+ взаимодействуют с активным кислородом, образуя воду и молекулярный 02:
(4Н++202- -->2Н20+02)

Таким образом, О2, поступающий в митохондрии в процессе дыхания организма, необходим для присоединения протонов водорода Н. При его отсутствии весь процесс в митохондриях прекращается, так как электронно-транспортная цепь перестает функционировать. Общая реакция III этапа:

(2СзНбОз + 6Oз + 36АДФ + 36Ф ---> 6С02 + 36АТФ + +42Н20)

В результате расщепления одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ: на II этапе - 2 АТФ и на III этапе - 36 АТФ. Образовавшиеся молекулы АТФ выходят за пределы митохондрии и участвуют во всех процессах клетки, где необходима энергия. Расщепляясь, АТФ отдает энергию (одна фосфатная связь заключает 40 кДж) и в виде АДФ и Ф (фосфата) возвращается в митохондрии.