Šūnu elpošanas iezīmes. Šūnu elpošana, tās bioķīmiskie mehānismi

Elpošana Veicot dažādus vingrinājumus vai asanas, ir nepieciešams pareizi elpot. Katram konkrētam gadījumam ir piemērots noteikts elpošanas veids. Zemāk ir daži no

Reversā vēdera elpošana – "Taoistiskā elpošana" "Taoistu elpošana" tiek izmantota cīņas mākslā. Tas ļauj ātri palielināt ķermeņa enerģiju, ar nosacījumu, ka jūs ieelpojat un izelpojat gaisu caur degunu.Ieelpojot jūs ievelk kuņģi, piepildot to pēc iespējas vairāk.

Krūškurvja elpošana – spēka elpošana Šo elpošanas veidu izmanto, lai iegūtu spēku smaga fiziska darba laikā, piemēram, nesot smagu slodzi, ripinot lielus akmeņus un smagus koku stumbrus, kā arī trenējoties sportistu un ūdenslīdējiem un cīņas mākslā.

Tagad esam nonākuši pie jautājuma, kur un kā šūna saņem enerģiju, kā tā transformējas. Un sāksim, iespējams, ar vielmaiņas jēdziena apsvēršanu.

Agregāts ķīmiskās reakcijas organismā notiekošos sauc par vielmaiņu vai vielmaiņu

Pēc vielmaiņas veida organismus iedala divās grupās: autotrofos un heterotrofos.

Autotrofi - organismi, kas spēj sintezēt organiskās vielas no neorganiskām vielām un šai sintēzei izmantot saules enerģiju (fotoautotrofi) vai oksidācijas laikā izdalīto enerģiju. neorganiskās vielas(ķīmoautotrofi).

Heterotrofi ir organismi, kas savai dzīvei izmanto citu organismu sintezētas organiskas vielas.

Metabolisms ir ļoti koordinēta un mērķtiecīga šūnu darbība, ko veicina daudzu savstarpēji saistītu vairāku enzīmu sistēmu līdzdalība.

Metabolisms organismā veic četras īpašas funkcijas:

1) ķīmiskās enerģijas padeve, ko iegūst, sadalot ar enerģiju bagātas pārtikas vielas, kas nonāk organismā no vides, vai pārvēršot uztverto saules enerģiju;

2) pārtikas molekulu pārvēršana celtniecības blokos, kurus vēlāk šūna izmanto makromolekulu veidošanai;

3) proteīnu, nukleīnskābju, lipīdu, polisaharīdu un citu šūnu komponentu montāža no šiem celtniecības blokiem;

4) to biomolekulu sintēze un iznīcināšana, kas nepieciešamas kādas konkrētas šūnas funkciju veikšanai.

Lai gan vielmaiņu veido simtiem dažādu enzīmu reakciju, centrālie vielmaiņas ceļi ir maz un principā ir vienādi gandrīz visās dzīvajās formās. Metabolisms ietver kataboliskos un anaboliskos ceļus.

Katabolisms(enerģijas vielmaiņa, disimilācija) ir vielmaiņas fāze, kurā sarežģītas organiskās vielas sadalās vienkāršākos gala produktos.

Katabolisma reakcijas pavada enerģijas izdalīšanās. Organisko vielu sadalīšanās laikā izdalīto enerģiju šūna neizmanto uzreiz, bet gan uzkrājas ATP un citu augstas enerģijas savienojumu veidā.ATP sintēze notiek visu organismu šūnās fosforilēšanās procesā - pievienojot neorganiskais fosfāts uz ADP.

ATP ir universāls šūnu enerģijas piegādes avots.

Daļa no tā tiek glabāta arī koenzīmu ar enerģiju bagātajos ūdeņraža atomos. : nikotīnamīda adenīna dinukleotīda fosfāts, kas atrodas restaurētajā forma (NADPH), nikotīnamīda adenīna dinukleotīds (NADH), flavīna adenīna dinukleotīds (FADH 2).

To galveno uzturvielu, kas kalpo kā enerģijas avots šūnā, fermentatīvā sadalīšanās notiek pakāpeniski - ar virkni secīgu fermentatīvu reakciju, kuras var iedalīt trīs posmos. Pirmajā posmā simtiem olbaltumvielu un daudzu veidu polisaharīdu un lipīdu tiek sadalīti to celtniecības blokos. Otrajā posmā šie celtniecības bloki tiek pārveidoti par vienu kopīgs produkts – acetil-CoA acetilgrupa. Trešais posms ir visu katabolisko ceļu kopējais ceļš - citronskābes cikls (Krebsa cikls)) - tikai trīs galaproduktu veidošanās: ūdens, oglekļa dioksīds un enerģija.

Sagatavošanas posms.

Tas sastāv no sarežģītu organisko vielu fermentatīvās sadalīšanas līdz vienkāršām: olbaltumvielu molekulas - līdz aminoskābēm, tauki - līdz glicerīnam un karbonskābēm, ogļhidrāti - līdz glikozei, nukleīnskābes - līdz nukleotīdiem. Augstmolekulāro organisko savienojumu sadalīšanu veic vai nu fermenti kuņģa-zarnu trakta vai lizosomu enzīmi. Visa atbrīvotā enerģija tiek izkliedēta siltuma veidā. Iegūtās mazās organiskās molekulas var izmantot kā " celtniecības materiāls vai var tikt tālāk sadalīti.

Anoksiskā oksidēšana vai glikolīze.

Šis posms sastāv no tālākas laikā izveidoto organisko vielu sadalīšanas sagatavošanās posms, rodas šūnas citoplazmā un tam nav nepieciešama skābekļa klātbūtne. Galvenais enerģijas avots šūnā ir glikoze. Glikozes nepilnīgas sadalīšanās process bez skābekļa ir glikolīze.

Glikozes molekulā, kas satur sešus oglekļa atomus, glikolīzes laikā notiek virkne transformāciju, kā rezultātā tā sadalās divās piruvāta molekulās, kas satur trīs oglekļa atomus. Šai transformācijai ir nepieciešamas desmit secīgas enzīmu reakcijas, kurās veidojas virkne starpposma fosfātu saturošu savienojumu.

Glikolīzes reakciju secību var iedalīt divos posmos. Pirmajā sagatavošanas posmā (1.–5. reakcija) glikoze tiek fosforilēta un sadalīta divās fosfotriozēs. Tā kā glikoze ir stabils savienojums, tā aktivizēšanai ir nepieciešama enerģija. Lai sadalītu vienu glikozes molekulu, ir vajadzīgas divas ATP molekulas.

Glikolīzes otrajā posmā, kas arī sastāv no piecām reakcijām, enerģija, kas izdalās, divām gliceraldehīda-3-fosfāta molekulām pārvēršoties divās pirovīnskābes (piruvāta) molekulās, konjugācijas rezultātā tiek uzkrāta četru ATP molekulu veidā. četru ADP molekulu fosforilēšana. Turklāt otrajā glikolīzes posmā katrai no divām fosfotriozes molekulām tiek atjaunota viena NADH molekula.

C6H12O6 + 2ADP + 2H3PO4 + 2NAD+ →

2C3H4O3 + 2ATP + 2H2O + 2NAD H2.

Aminoskābes, nukleotīdi, monosaharīdi un karbonskābes, kas veidojas katabolisma pirmajā posmā pēc sākotnējās modifikācijas, tiek iekļautas arī glikolīzē, atbrīvojot enerģiju un galu galā pārvēršas par pirovīnskābes molekulu.

Svarīga loma piruvāts ogļhidrātu katabolismu nosaka tas, ka šis savienojums atrodas dažādu katabolisko ceļu krustpunktā. Aerobos apstākļos dzīvnieku audos glikolīzes produkts ir piruvāts, un NADH oksidējas ar molekulāro skābekli, pārnesot savu ūdeņraža atomu uz mitohondriju elektronu transporta ķēdi, kur ar tā palīdzību tiek sintezētas trīs ATP molekulas. Tā kā vienas glikozes molekulas glikolīze rada divas NADH molekulas, tad kopumā glikolīzes procesā (ievērojot sekojošu NADH oksidāciju) veidojas astoņas ATP molekulas.

Situācija ir atšķirīga anaerobos apstākļos, piemēram, smagi strādājošos skeleta muskuļos vai pienskābes baktēriju šūnās. Šādos apstākļos glikolīzes laikā izveidojies NADH tiek oksidēts nevis uz skābekļa, bet gan uz piruvāta rēķina, reducējot to līdz laktātam, t.i. pienskābe.

Pienskābes baktērijās pienskābe paliek glikolīzes galaprodukts.

Raugā un vairākos citos mikroorganismos piruvāts, kas veidojas glikolīzes laikā, tiek fermentēts līdz etanolam un oglekļa dioksīdam, vienlaikus oksidējot NADH.

Viena mola glikozes glikolīzes rezultātā tiek atbrīvoti 200 kJ enerģijas, no kuriem 120 kJ tiek izkliedēti siltuma veidā, bet 80 kJ tiek uzglabāti ATP.

ATP anaerobā veidošanās no glikozes glikolīzes reakcijās ir salīdzinoši neefektīva. Anaerobās glikolīzes galaprodukti joprojām satur ļoti lielu ķīmiskās enerģijas daudzumu, kas var izdalīties, ja šie produkti tiek oksidēti. Oksidatīvā katabolisma attīstība aerobos mikroorganismos un eikariotu šūnu mitohondrijās kļuva iespējama tikai pēc tam, kad cianobaktēriju veiktās fotosintēzes rezultātā Zemes atmosfērā bija uzkrāts pietiekams daudzums molekulārā skābekļa.

Lielākajā daļā mūsdienu organismu, kas elpo ar skābekli, piruvāts netiek pārveidots par laktātu, bet tiek izmantots tālāk. Tas nonāk fermentatīvo reakciju kaskādē, kuras laikā tiek patērēts skābeklis, veidojas oglekļa dioksīds un tiek sintezēts ATP. Visas šīs reakcijas kopā sauc par šūnu elpošanu.

Vērsīsim jūsu uzmanību uz to, ka šūnu elpošana sastāv no diviem procesiem. Viena no tām laikā ogleklis tiek oksidēts līdz oglekļa dioksīdam, bet molekulārais skābeklis netiek patērēts - skābekļa atomi tiek ņemti no organiskām vielām un ūdens, kas šeit nevis veidojas, bet tiek patērēts. Šajā gadījumā veidojas ūdeņraža pārpalikums, ko izmanto koenzīmu atjaunošanai. Otrā procesa laikā koenzīmi tiek oksidēti un nodod ūdeņradi (kas vispirms tiek sadalīts protonos un elektronos ar dažādu likteni), šeit tas saistās ar molekulāro skābekli, veidojot ūdeni. ATP veidojas galvenokārt otrā procesa laikā. Pirmo procesu sauc par trikarbonskābes ciklu vai Krebsa ciklu, otro sauc par oksidatīvo fosforilāciju.

Iepriekš aprakstītais glikolīzes process notiek citoplazmā. Šūnu elpošana notiek mitohondrijās. Lai to izdarītu, glikolīzes produktam - piruvātam - ir jānokļūst mitohondrijās.

Tātad mēs atrodamies mitohondrijās. Šūnu elpošanas reakciju kaskāde sākas ar reakciju, kuras viens no substrātiem ir piruvāts, bet viens no produktiem ir acetilkoenzīms-A jeb acetil-coA. Acetil-coA ir viena no svarīgākajām vielām bioķīmiskajos ceļos. Tas veidojas cukuru, taukskābju un dažu aminoskābju sadalīšanās laikā un tiek izmantots to sintēzē. Visos šajos gadījumos tas ir acetilgrupas reaktīvs nesējs. Dažās reakcijās to izmanto organisko vielu sintēzei, citās - to "sadedzināšanai" kā degvielu. Tāpēc acetil-coA ir vissvarīgākais starpnieks daudzos bioķīmiskos procesos, kas saistīti ar vielmaiņu un enerģiju. Apskatīsim šo brīnišķīgo lietu.

Mēs atkal redzam pazīstamo adenozīna nukleotīdu, pēc tam diezgan garu ogļūdeņražu ķēdi, kas ietver slāpekļa atomus un beidzas ar sēra atomu, pie kura ir pievienota acetilgrupa. (Molekula bez acetilgrupas ir tikai koenzīms A.)

Acetil-coA veidojas, patērējot piruvāta molekulu sarežģītas reakcijas laikā, ko katalizē vesels trīs enzīmu komplekss un pieci koenzīmi, kas piesaistīti mitohondriju membrānai - piruvāta dehidrogenāzes kompleksam. Tajā pašā laikā oglekļa dioksīda molekula tiek atdalīta no piruvāta molekulas, un no tās atlikušā acetilgrupa tiek pievienota koenzīmam A, veidojot acetil-coA. Reakcijai ir enerģijas pieaugums, kas noved pie vienas NAD+ molekulas reducēšanās līdz NAD-H. Šajā reakcijā mēs pirmo reizi redzam, kā oglekļa atoms no organiskās vielas pāriet oglekļa dioksīdā.

Acetil Co-A nonāk cikliskā bioķīmiskā procesā, ko sauc par Krebsa ciklu. Tas ir nosaukts pēc Hansa Krebsa, kurš to aprakstīja 1937. gadā, par ko viņš vēlāk saņēma Nobela prēmiju.

Cikls ir 10 secīgas ķīmiskas reakcijas, kuru laikā 10 organiskās skābes tiek secīgi pārveidotas viena par otru. Vienā brīdī šis cikls ietver jau pazīstamo acetil-coA, kas savu acetilgrupu piešķir oksaloacetātam (oksaloetiķskābei), kā rezultātā veidojas citrāts (citronskābe). Ja pirmajā molekulā bija četri oglekļa atomi, tad otrajā, attiecīgi, jau ir seši (acetilgrupā ir divi oglekli). Krebsa cikls noslēdzas, kad mēs galu galā nonākam pie tā paša oksaloacetāta ar četriem oglekļiem, kurus pēc tam var atkal pievienot acetilgrupai no acetil-coA.

Visu šo skābju secīgu transformāciju laikā notiek vairāku veidu notikumi:

– skābes zaudē divus oglekļa atomus, veidojoties divām oglekļa dioksīda molekulām;

- skābes piesaista divas ūdens molekulas;

- ūdeņraža pārpalikums tiek tērēts trīs NAD+ molekulu reducēšanai par NAD-H, kā arī cita koenzīma - flavīna adenīna dinukleotīda (FAD) reducēšanai par FAD-H 2;

Vispārējā glikolīzes un PVC iznīcināšanas reakcija mitohondrijās uz ūdeņradi un oglekļa dioksīdu ir šāda:

С6Н12О6 + 6Н2О → 6СО2 + 4ATP + 12Н2

Divas ATP molekulas veidojas glikolīzes rezultātā, divas - Krebsa ciklā; divi ūdeņraža atomu pāri (2NADHH2) izveidojās glikolīzes rezultātā, desmit pāri - Krebsa ciklā.

Visas Krebsa cikla vielas – gan skābes, gan enzīmi, kas katalizē reakcijas – atrodas vienā šķīdumā mitohondriju iekšienē, tāpēc ciklam nav telpiska satura – tā ir tikai vielu transformāciju secība. Tam ir galvenā loma šūnu metabolismā, jo tajā iesaistītās vielas ir starpvielas daudzos vielmaiņas procesos. Šis cikls ir iesaistīts ogļhidrātu sadalīšanā un sintēzē, taukskābju sadalīšanā un sintēzē, daudzu aminoskābju sadalīšanā un sintēzē, nukleotīdu un citu svarīgu vielu slāpekļa bāzu sintēzē.

Slidkalniņš Pēdējais solis ir ūdeņraža pāru oksidēšana ar skābekļa piedalīšanos ūdenī elektronu transporta ķēdē (ECC) ar vienlaicīgu ADP fosforilēšanu uz ATP.

Ūdeņradis tiek pārnests uz trim lieliem elpošanas ķēdes enzīmu kompleksiem (flavoproteīniem, koenzīmiem Q, citohromiem), kas atrodas mitohondriju iekšējā membrānā. Elektroni tiek ņemti no ūdeņraža, kas galu galā tiek apvienoti ar skābekli mitohondriju matricā:

O2 + e- → O2-.

Protoni tiek iesūknēti mitohondriju starpmembrānu telpā, "protonu rezervuārā". Iekšējā membrāna ir necaurlaidīga ūdeņraža joniem, no vienas puses, tā ir negatīvi uzlādēta (sakarā ar O2-), no otras puses, tā ir pozitīvi uzlādēta (pateicoties H+). Kad potenciālu starpība starp iekšējo membrānu sasniedz 200 mV, protoni iziet cauri ATP sintetāzes enzīma kanālam, veidojas ATP, un citohroma oksidāze katalizē skābekļa reducēšanos ūdenī. Tātad divpadsmit ūdeņraža atomu pāru oksidēšanās rezultātā veidojas 34 ATP molekulas.

ATP tiek ražots mitohondrijās, bet tas ir nepieciešams visai šūnai. Tomēr izveidotais ATP nevar spontāni iekļūt no mitohondrijiem citoplazmā. Šim nolūkam mitohondriju membrānā ir īpašs proteīns - translokāze, kas rada reakciju, mainot vienu ATP molekulu no mitohondriju iekšpuses pret vienu ADP molekulu ārpus mitohondrijiem, un tas to dara bez maksas, tas ir, bez enerģijas tērēšanas.

Kopējā reakcija glikozes sadalīšanai oglekļa dioksīdā un ūdenī ir šāda:

С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + 36ATP + Qt,

kur Qt ir siltumenerģija.

Tātad, ja ņemam vērā visas reakcijas, kas notiek pirms acetil-CoA veidošanās, izrādās, ka vienas glikozes molekulas pilnīga oksidēšana dod 36 ATP molekulas. to maksimālā vērtība, jo patiesībā sintezētā ATP daudzums ir atkarīgs no tā, kāda daļa no protonu gradienta enerģijas tiek novirzīta ATP sintēzei, nevis citiem procesiem. Ja salīdzina brīvās enerģijas izmaiņas tiešās ogļhidrātu sadegšanas laikā ar kopējo ATP uzkrāto enerģijas daudzumu, izrādās, ka barības vielu enerģijas pārvēršanas ATP enerģijā efektivitāte pārsniedz 50%, kas ir daudz vairāk nekā efektivitāte. lielākā daļa cilvēku radīto enerģiju konvertējošo ierīču.

Atgriežoties pie iekšējās mitohondriju membrānas, mēs varam redzēt, ka protona apgrieztā pārnese pa membrānu teorētiski ir iespējama bez fosforilācijas reakcijas konjugācijas. Šī parādība patiešām pastāv. Šādos gadījumos visa enerģija, kas nonāk elektronu transportēšanas ķēdē, tiek izkliedēta siltuma veidā. Šīs siltuma iegūšanas metodes iespēju izmanto organismi.

Daudziem zīdītājiem, tostarp cilvēkiem, ir īpašs taukaudu veids, ko sauc brūnie tauki. Šo audu krāsa ir saistīta ar augstu mitohondriju saturu. Brūno tauku mitohondriji atšķiras no visiem citiem šī organisma mitohondrijiem ar to, ka tie satur īpašu proteīnu membrānā, kas vada elektronu. Caur šo proteīnu elektroni nokļūst starpmembrānu telpā. Rezultātā tiek novērota protonu “dīkstāves” cirkulācija un ATP vietā izdalās siltums.

Brūnie tauki veido mazāk nekā 1-2% no ķermeņa svara. Tomēr šo audu stimulēšana, kad dzīvnieks tiek atdzesēts, palielina tā siltuma ražošanu līdz 400 vatiem uz kg ķermeņa svara, kas ir daudz vairāk nekā parastā zīdītāju audu siltuma ģenerēšanas spēja (cilvēks miera stāvoklī ģenerē apmēram 1 vatu siltuma kg ķermeņa svara). Ja siltums nav vajadzīgs, tad šis proteīns aizver kanālu un mitohondrijs sintezē ATP.

Cilvēka ķermenī brūnie tauki ir koncentrēti muguras augšdaļā, tuvāk kaklam. Tas ieskauj asinsvadus, kas apgādā smadzenes ar asinīm, tāpēc siltuma ražošanai brūnajos taukos ir liela nozīme ķermeņa izdzīvošanai aukstumā.

Tātad sākotnējie glikozes oksidācijas (glikolīzes) posmi sākas citozolā, un oksidēšanās beidzas mitohondrijās. Mitohondriji ir gan šūnas spēkstacija, gan vieta, kur notiek barības vielu molekulu oglekļa un ūdeņraža atomu galīgā oksidēšanās. Mitohondriji ir centrs, uz kuru ved visi kataboliskie ceļi neatkarīgi no tā, vai to sākotnējais substrāts ir cukuri, tauki vai olbaltumvielas. Tas izskaidrojams ar to, ka ne tikai piruvāts, bet arī taukskābes, kā arī dažas aminoskābes nonāk arī no citozola uz mitohondrijiem, kur tās pārvēršas par acetil-CoA vai kādu no citronskābes starpproduktiem. cikls.

Bez ATP veidošanās, kas nepieciešama biosintēzes procesiem, mitohondriji kalpo arī par biosintētisko reakciju sākumpunktu, jo citronskābes cikla starpprodukti ir daudzu vitāli svarīgu vielu sintēzes sākumprodukti.

Anabolisms, - Šī ir vielmaiņas fāze, kurā lielas molekulas tiek sintezētas no mazām molekulām.. Anabolisms, tāpat kā katabolisms, notiek tajos pašos trīs posmos, bet apgrieztā secībā. Tā kā biosintēze ir process, kas palielina molekulu izmēru un sarežģī to struktūru, tas prasa brīvas enerģijas patēriņu. Šīs enerģijas avots ir ATP sadalīšanās līdz ADP un neorganiskajam fosfātam. Dažu šūnu komponentu biosintēzei nepieciešami arī ar enerģiju bagāti ūdeņraža atomi, kuru donors ir NADPH.

Kataboliskās un anaboliskās reakcijas šūnās notiek vienlaicīgi, bet kataboliskais ceļš un atbilstošais, bet virzienā pretējs anaboliskais ceļš starp doto prekursoru un konkrēto produktu parasti nesakrīt. Tam ir vismaz divi iemesli. Pirmais no tiem ir tāds, ka ceļš, pa kuru notiek konkrētas biomolekulas šķelšanās, var būt nepiemērots tās biosintēzei enerģijas apsvērumu dēļ. Otrs iemesls ir tas, ka šīs reakcijas secības ir jākontrolē atsevišķi, kā rezultātā ir jāatšķiras vismaz vienā no fermentatīvām darbībām. Tādējādi, lai gan attiecīgie kataboliskie un anaboliskie ceļi nav identiski, tos savieno kopīgs solis (citronskābes cikls), ko sauc par amfibolisko vielmaiņas soli, jo tam ir divējāda funkcija. Katabolismā šajā posmā salīdzinoši mazu molekulu sadalīšanās ir pabeigta, un anabolismā tā uzdevums ir piegādāt mazas prekursoru molekulas biosintēzei.

Saikne starp katabolismu un anabolismu ir ne tikai metabolisma amfiboliskā stadija, bet arī augstas enerģijas fosfodiestera saites enerģija ATP, kas ir šūnas universālā enerģijas transportēšanas sistēma, un ar enerģiju bagātais ūdeņraža atoms koenzīmos.

Šūnu vielmaiņa balstās uz maksimālas ekonomijas principu. Vispārējo katabolisma ātrumu, kas nodrošina šūnu ar enerģiju, nosaka ne tikai šūnu degvielas klātbūtne vai koncentrācija; tas ir saistīts ar šūnu nepieciešamību pēc enerģijas ATP un NADPH formā. Šūna jebkurā brīdī patērē tieši tādu barības vielu daudzumu, kas ļauj tai apmierināt savas enerģijas vajadzības, kas savukārt nozīmē ļoti laba vielmaiņas reakciju regulēšanas mehānisma klātbūtni.

Metabolisma ceļu regulēšanā ir iesaistīti trīs veidu mehānismi. Pirmā no tām, kas visātrāk reaģē uz situācijas maiņu, ir saistīta ar alosterisko enzīmu darbību, kad pēdējās reakcijas produkts ietekmē enzīma aktivitāti ķēdes sākumā. Dažreiz ATP darbojas kā šāds produkts.

Otrs mehānismu veids, kas regulē vielmaiņu augstākos organismos, ir hormonālā regulēšana. Hormoni ir īpašas ķīmiskas vielas, ko ražo dažādi endokrīnie dziedzeri un izdalās tieši asinīs; ar asinīm tie tiek pārnesti uz citiem audiem vai orgāniem un šeit stimulē vai kavē noteikta veida vielmaiņas aktivitāti. Piemēram, virsnieru medulla šūnās tiek sintezēts un uzkrāts hormons adrenalīns. Briesmas brīdī, liekot dzīvniekam kļūt nemierīgam un gatavam cīnīties vai bēgt, smadzenes sūta nervu impulss sasniedzot virsnieru serdi, tās šūnas izdala adrenalīnu, kas nonāk asinsritē. Adrenalīna koncentrācija asinīs dažu sekunžu laikā palielinās gandrīz 1000 reizes. Adrenalīns piesaistās specifiskām receptoru vietām muskuļu un aknu šūnu virsmā. Adrenalīna saistīšanās kalpo kā signāls; šis signāls tiek pārraidīts uz šūnas iekšējām daļām un šeit izraisa glikogēna fosforilāzes (pirmā enzīma sistēmā, kas katalizē glikogēna pārvēršanu glikozē) modifikāciju. Enzīms pāriet no mazāk aktīvās formas uz aktīvāku, kas stimulē glikogēna sadalīšanos skeleta muskuļos; šis process noved pie laktāta veidošanās un enerģijas uzkrāšanas ATP formā. Tajā pašā laikā adrenalīns kavē glikogēna sintēzi aknās no glikozes, kas veicina maksimālu glikozes plūsmu asinīs. Turklāt adrenalīns paātrina sirdsdarbību, palielina sirds izsviedi un paaugstina asinsspiedienu, tādējādi sagatavojot sirds un asinsvadu sistēmu darbībai ekstrēma situācija. Tādējādi, regulējot atbilstošo enzīmu darbību, adrenalīns nostāda dzīvnieku gatavībā cīņai vai bēgšanai.

Trešā veida mehānismi, kas regulē vielmaiņu, ir saistīti ar šī enzīma koncentrācijas izmaiņām šūnā. Jebkura fermenta koncentrāciju jebkurā brīdī nosaka tā sintēzes un sabrukšanas ātruma attiecība. Dažu enzīmu sintēzes ātrums noteiktos apstākļos krasi palielinās; tā koncentrācija attiecīgi palielinās. Ja, piemēram, dzīvnieks saņem ogļhidrātiem bagātu, bet olbaltumvielām bagātu barību, tad aknās tam ir ārkārtīgi zems enzīmu saturs, kas katalizē aminoskābju sadalīšanos līdz acetil-CoA. Tā kā ar šādu diētu šie fermenti praktiski nav vajadzīgi, tie netiek ražoti lielos daudzumos. Tomēr ir vērts dzīvniekus pārcelt uz olbaltumvielām bagātu uzturu, jo dienas laikā šo enzīmu saturs ievērojami palielinās. Līdz ar to aknu šūnām ir iespēja ieslēgt vai izslēgt noteiktu enzīmu biosintēzi atkarībā no saņemto uzturvielu veida.

Tagad mēs pievēršamies procesam, kas galu galā ir gandrīz visas bioloģiskās enerģijas avots, t.i. uz procesu, kurā fotosintēzes organismi uztver saules enerģiju un pārvērš to biomasas enerģijā. Faktiski ir arī citas, retāk sastopamas organiskās biosintēzes iespējas. Taču galvenā ir fotosintēze, kuras rezultātā uz Zemes ik gadu tiek saražoti 150 miljardi tonnu cukuru.

Jau fotosintēzes pētījumu sākumā tika parādīts, ka pastāv reakciju grupa, kas ir atkarīga no apgaismojuma un nav atkarīga no temperatūras, bet ir reakciju grupa, kas, gluži pretēji, nav atkarīga no apgaismojuma un ir atkarīga no apgaismojuma. temperatūra. Pirmo sauc par fotosintēzes gaismas stadiju, otro - par fotosintēzes tumšo stadiju. Tas nav jāsaprot tādā nozīmē, ka viens iet pa dienu, otrs pa nakti. Abas reakciju kopas notiek vienlaicīgi, vienkārši vienam vajag gaismu, otram nē.

Lai iepazītos ar fotosintēzes gaismas fāzi, jāapsver tāda ķīmiska parādība kā pigmenti. Kas ir pigmenti? Tās ir krāsainas vielas. Kāpēc dažas vielas ir iekrāsotas, bet vairums vielu ir bezkrāsainas? Ko nozīmē mūsu redzējums par noteiktu krāsu? Tas nozīmē, ka gaisma nāk no matērijas, kurā fotonu attiecība ar dažādu viļņu garumu atšķiras no dienasgaismas baltās gaismas. Kā zināms, baltā gaisma ir fotonu maisījums, burtiski visas varavīksnes krāsas. Gaismas krāsojums attiecas uz noteiktu viļņu garumu pārsvaru pār citiem. Mēs uzskatām vielas dienasgaismā. Attiecīgi, ja mēs redzam vielu krāsainu, tas nozīmē, ka tā selektīvi absorbē fotonus ar noteiktiem viļņu garumiem. Ja nav miera masas, absorbētie fotoni pārstāj eksistēt. Kur pazūd viņu enerģija? Tas iet, lai ierosinātu molekulu, lai to pārnestu uz jaunu, enerģētiski piesātinātu stāvokli.

Lai molekulai būtu spēja absorbēt gaismu un pāriet enerģētiski piesātinātā stāvoklī, tai ir jābūt sistēmai, kurā šāds stāvoklis ir iespējams. Lielākā daļa organisko pigmentu ir vielas ar regulāru divkāršu un vienvietīgu saišu maiņu starp oglekli, t.i., ar konjugētām dubultsaitēm. Šīs saites veido rezonanses sistēmas, kurās elektroni, kas iesaistīti dubultsaišu veidošanā (ko veido orbitāles, kas nav iesaistītas sp 2 hibridizācijā), var pārvietoties pa visu sistēmu un atrasties vairākos enerģijas stāvokļos. Šādu stāvokļu skaits un enerģija, kas nepieciešama elektrona pārejai no viena uz otru, katrai molekulai ir stingri noteikts.

Enerģija, kas atšķir elektronu stāvokļus rezonanses sistēmās, ir tāda, ka tā cieši atbilst viena vai otra viļņa garuma fotonu enerģijai spektra redzamajā daļā. Tāpēc rezonanses sistēmas absorbēs tos fotonus, kuru enerģija ir vienāda vai nedaudz lielāka par to elektronu pārnesi uz kādu no enerģētiski piesātinātākajiem stāvokļiem.

Apskatīsim dažu mūsu gadījumā svarīgu pigmentu molekulas. Sāksim ar vissvarīgāko pigmentu, hlorofilu.

Mēs redzam ažūru un gandrīz simetrisku organisku struktūru, kas ietver vairākas dubultās saites - porfirīna gredzenu. Tās centrā ir arī metāla atoms, magnijs. Tas ir saistīts ar četriem slāpekļa atomiem (magnijs un porfirīna gredzens veido kompleksu). Gara ogļūdeņraža aste ir pievienota porfirīna gredzenam hlorofila molekulā. Šai molekulas daļai nav elektronnegatīvu atomu, un tā ir nepolāra un tāpēc hidrofoba. Ar tā palīdzību hlorofils noenkurojas fosfolipīdu membrānas hidrofobajā vidusdaļā.

Augu hlorofilu attēlo divas formas - a un b. Zaļos augos apmēram ceturtdaļu hlorofila pārstāv otrā b forma. Tas atšķiras ar to, ka viena metilgrupa porfirīna gredzena malā -CH 3 ir aizstāta ar grupu -CH 2 OH. Tas ir pietiekami, lai novirzītu molekulas absorbcijas spektru. Šie spektri ir parādīti attēlā.

Šī molekula absorbē fotonus violetajā un zilajā, un pēc tam sarkanajā spektra daļā un nesadarbojas ar fotoniem spektra zaļajā un dzeltenajā daļā. Tāpēc hlorofils un augi izskatās zaļi – tie vienkārši nevar nekādi izmantot zaļos starus un atstāt tos staigāt plašajā pasaulē (tā padarot to zaļāku). Karotinoīdiem ir nedaudz atšķirīga struktūra – sarkanie un dzeltenie pigmenti. Karotinoīdi ir iesaistīti arī fotosintēzē, bet kā palīgmolekulas.

Fotosintēzes pigmenti atrodas tilakoīda membrānas iekšējā pusē. Tie ir sakārtoti fotosistēmās - veselos antenas laukos, lai uztvertu gaismu - katrā sistēmā ir 250-400 dažādu pigmentu molekulas. Bet starp tiem vienai hlorofila a molekulai ir būtiska nozīme - to sauc par fotosistēmas reakcijas centru. Visas pārējās pigmenta molekulas sauc par antenas molekulām. Visi fotosistēmas pigmenti spēj viens otram nodot ierosinātā stāvokļa enerģiju.

Augstāko augu hloroplasti satur divu veidu fotosistēmas, katrai no tām ir savs gaismas savākšanas molekulu komplekts un savs reakcijas centrs. To reakcijas centru molekulas ir nedaudz atšķirīgas - pirmajai ir maksimālā gaismas absorbcija pie viļņa garuma 700 nm, otrajai - 680 nm (atruna tika veikta, lai precizētu attēlus diagrammās), tās apzīmē ar P700. un P680. Telpiski šīs divas fotosistēmas atrodas blakus tilakoīda membrānā un pārstāv vienu veselumu.

Parasti šīs divas sistēmas darbojas kopā, piemēram, divdaļīgs cauruļvads, ko sauc par neciklisku fotofosforilāciju.

Ražošanas cikls sākas ar fotosistēmu 2. Ar to notiek sekojošais:

1) antenas molekulas notver fotonu un nodod ierosmi uz P680 aktīvā centra molekulu;

2) ierosinātā P680 molekula nodod divus elektronus kofaktoram Q (ļoti līdzīgs tam, kas piedalās elektronu transportēšanas ķēdē mitohondrijās), kamēr tā oksidējas un iegūst pozitīvu lādiņu;

3) noteiktu mangānu saturošu enzīmu iedarbībā oksidētā P680 molekula tiek reducēta, atņemot no ūdens molekulas divus elektronus. Šajā gadījumā ūdens sadalās protonos un molekulārajā skābeklī. Lai izveidotu vienu skābekļa molekulu, ir jāatjauno divas P680 molekulas, kas kopumā ir zaudējušas četrus elektronus, un veidojas četri protoni.

Ņemiet vērā, ka šeit fotosintēzes laikā rodas skābeklis. Tā kā tas veidojas, gaismai sadalot ūdens molekulas, šo procesu sauc par ūdens fotolīzi;

4) šie protoni veidojas tilakoīda iekšējā telpā, kur veidojas pārmērīga protonu koncentrācija salīdzinājumā ar apkārtējo telpu (t.i., skābāku vidi). Tā veidojas mūsu senās paziņas - protonu gradients un membrānas potenciāls. Mēs jau zinām, kā tas viss tiks izmantots:

5) divi elektroni, ko saņem kofaktors Q, tiek pārvietoti tālāk pa elektronu transportēšanas ķēdi caur vairākiem proteīniem. Šajā gadījumā notiek protonu transportēšana pret koncentrācijas gradientu caur tilakoīda membrānu.

Uzkrātie ATP sintetāzes protoni pa pāriem izdalīsies uz āru un sintezēs ATP no ADP.

Fotosistēmā 1 notiek sekojošais:

1) antenas molekulas uztver fotonu un nodod enerģiju reakcijas centra P700 rezonanses sistēmai, kas tiek ierosināta un nodod divus elektronus dzelzi saturošajam proteīnam (P430). Tāpat kā fotosistēmas 2 gadījumā, P700 tādējādi tiek oksidēts un iegūst pozitīvu lādiņu;

2) šī molekula tiek atjaunota un zaudē savu lādiņu, saņēmusi divus “nomierinātos” (bet ne līdz sākuma stāvoklim - to enerģija vēl nav pilnībā izlietota!) Elektronus, kas sākotnēji nāca no fotosistēmas 2. Šajā gadījumā tur nav nepieciešama fotolīze un tā nenotiek;

3) P430 nodod elektronus citam dzelzi saturošam proteīnam, ko sauc par ferrodoksīnu;

4) saņemot elektronus, šis proteīns atjauno NADP + koenzīmu NADP-H. Šis koenzīms ir fosforilēts NAD. Process notiek uz tilakoīda ārējās membrānas. Tam nepieciešams protons, kas tiek ņemts no hloroplasta iekšpuses ārpus tilakoīda. Tādējādi protonu gradients tikai palielinās.

Diagramma vairāk vai mazāk parāda visus galvenos fotosintēzes gaismas stadijas procesus.

Tomēr 1. fotosistēma var darboties arī autonomi. Šajā gadījumā tiek izmantots apvedceļš elektronu pārnešanai no ierosinātā reakcijas centra - proti, tā pati elektronu pārneses ķēde, kas ved no fotosistēmas 2. Elektroni iet caur to, izraisot savienotu protonu transportēšanu no tilakoīda ārējās vides uz iekšējais, kas palielina protonu gradientu, un atgriežas fotosistēmas 1 reakcijas centrā - Р700. Tādējādi šeit gaisma, šķiet, griež protonu sūkņa riteni, neoksidējot ūdeni un neatjaunojot NADP. To sauc par ciklisko fotofosforilāciju. Tas var iet paralēli necikliskajam. Turklāt to izmanto dažas fotosintēzes baktērijas, kas fotosintēzes laikā neizdala skābekli.

Fotosintēzes gaismas fāzes rezultātu necikliskās fotofosforilēšanas laikā (un šī ir galvenā iespēja) var uzrakstīt kā šādu reakciju:

2NADP + 2ADP + 2F- + 2H 2O + 4 hv \u003d 2NADP-H + 2ATP + O 2.

Šeit hv ir viena fotona enerģijas simbols, Ф ir šķīduma atlikušās fosforskābes simbols.

Tātad, mēs esam apsvēruši, no kurienes fotosintēzes laikā tiek ņemta enerģija (t.i., ATP). Atliek apsvērt, kā organiskās vielas tiek iegūtas, izmantojot šo enerģiju.

Augi izmanto trīs šādas produkcijas variantus. Apsveriet visizplatītāko no tiem, ko izmanto arī zilaļģes un fotosintētiskās un pat ķīmiskās sintētiskās baktērijas - Calvin ciklu. Šis ir vēl viens slēgts organisko vielu savstarpējās pārvēršanās cikls īpašu enzīmu iedarbībā, līdzīgi kā Krebsa ciklā. Un, starp citu, vēl viena Nobela prēmija 1961. gadā - Melvinam Kalvinam, kurš to atklāja.

Cikls sākas ar cukuru, kurā ir piecu oglekļa atomu ķēde un kurā ir divas fosfātu grupas - ribulozes-1,5-bisfosfāts (un beidzas ar to). Process sākas, kad īpašs enzīms - ribulozes bisfosfāta karboksilāze - pievieno tam CO 2 molekulu. Īsu laiku izveidotā sešu oglekļa molekula nekavējoties sadalās divās glicerāta-3-fosfāta (aka 3-fosfoglicerāta) molekulās, mēs jau esam satikuši šo vielu glikolīzē. Katrs no tiem satur trīs oglekļa atomus (tāpēc Kalvina ciklu sauc arī par oglekļa dioksīda fiksācijas C3 ceļu).

Faktiski oglekļa dioksīda fiksāciju organiskajās vielās veic šis enzīms - ribulozes bifosfāta karboksilāze. Šis ir pārsteidzoši lēns enzīms – tas karboksilē tikai trīs ribulozes-1,5-bisfosfāta molekulas sekundē. Fermentam tas ir ļoti maz! Tāpēc šis ferments pats par sevi prasa daudz. Tas ir fiksēts uz tilakoīdu membrānu virsmas un veido apmēram 50% no visiem hloroplastu proteīniem. Ir zināms, ka tas ir visizplatītākais proteīns pasaulē.

Lai gan faktiskajai oglekļa fiksācijas reakcijai enerģija nav nepieciešama, tās plūsmai ir nepieciešama nepārtraukta augstas enerģijas vielas - ribulozes difosfāta - pieplūde, ar kuru saistās CO 2.

Šai reģenerācijai ir nepieciešama fotosintēzes gaismas fāzes produktu - ATP un NADPH - līdzdalība. Kā redzams no shēmas, un šeit ir parādīta tikai daļa starpsavienojumu, no trim CO 2 molekulām, kas iekļuva ribulozes difosfāta karboksilāzes katalizētajā reakcijā, veidojas sešas 3-fosfoglicerāta molekulas, no kurām laikā reakcijas ciklā tiek reģenerētas trīs cikla sākumā izmantotās ribulozes difosfāta molekulas un paliek viena triatomiskā cukura – gliceraldehīda-3-fosfāta – molekula. Oglekļa fiksācijas ciklā vienas molekulas saistīšanai tiek izmantotas trīs ATP molekulas un divas NADPH molekulas.

Gliceraldehīda-3-fosfāts, kas veidojas CO 2 fiksācijas laikā, ir galvenais glikolīzes starpprodukts. Stromā no tā var veidoties taukskābes, aminoskābes, ciete, citoplazmā dažu glikolīzes reakciju apgrieztās gaitas rezultātā tā ātri pārvēršas glikozes un fruktozes atvasinājumos, no kuriem veidojas saharoze.

Apvienojot gaišās un tumšās fāzes reakcijas, izslēdzot starpposmus, mēs iegūsim labi zināmo kopējo fotosintēzes procesa vienādojumu:

6CO 2 + 6H 2 O \u003d C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

Kā zināms, pilnībā oksidējoties vienam molam glikozes, atbrīvojas 686 kcal enerģijas. Ja parēķinām visu šī mola sintēzei iztērēto enerģiju, tad izrādās, ka tas prasa no 1968 līdz 3456 kcal atkarībā no absorbētās gaismas viļņa garuma, t.i. Fotosintēzes efektivitāte svārstās no 20 līdz 35%.

Fotosintēzes nozīme.

Pateicoties fotosintēzei, no atmosfēras katru gadu tiek absorbēti miljardi tonnu oglekļa dioksīda, izdalās miljardiem tonnu skābekļa; fotosintēze ir galvenais organisko vielu veidošanās avots. Ozona slānis veidojas no skābekļa, kas pasargā dzīvos organismus no īsviļņu ultravioletā starojuma.

Fotosintēzes laikā zaļa lapa izmanto tikai aptuveni 1% no uz tās krītošās saules enerģijas, produktivitāte ir aptuveni 1 g organisko vielu uz 1 m2 virsmas stundā.

Ķīmijsintēze

Organisko savienojumu sintēzi no oglekļa dioksīda un ūdens, kas tiek veikta nevis uz gaismas enerģijas, bet gan uz neorganisko vielu oksidācijas enerģijas rēķina, sauc par ķīmisko sintēzi. Ķīmisintētiskie organismi ietver dažus baktēriju veidus.

Nitrificējošās baktērijas oksidē amonjaku par slāpekļskābi un pēc tam par slāpekļskābi (NH3 → HNO2 → HNO3).

Dzelzs baktērijas pārvērš dzelzi oksīdā (Fe2+ → Fe3+).

Sēra baktērijas oksidē sērūdeņradi par sēru vai sērskābi (H2S + ½O2 → S + H2O, H2S + 2O2 → H2SO4).

Neorganisko vielu oksidācijas reakciju rezultātā izdalās enerģija, ko baktērijas uzglabā augstas enerģijas ATP saišu veidā. ATP izmanto organisko vielu sintēzei, kas norit līdzīgi fotosintēzes tumšās fāzes reakcijām.

Ķīmisintētiskās baktērijas veicina minerālvielu uzkrāšanos augsnē, uzlabo augsnes auglību un veicina attīrīšanu Notekūdeņi un utt.

Dzīvās ģenētikas pamatjēdzieni

Ikviens labi apzinās vecāku formu spēju pārnest savas īpašības pēcnācējiem reprodukcijas laikā.

Tā ir dzīvo organismu īpašība - iedzimtība, konservatīvi, tas saglabā organismu pazīmes un īpašības, kas jau radušās daudzās paaudzēs.

No iepriekšējā materiāla mēs jau zinām, ka ģenētiskā vai iedzimtā informācija par organismu ir iekodēta DNS, bet tā tiek realizēta noteiktos vides apstākļos. Acīmredzot vides apstākļu atšķirības atstāj savas pēdas indivīda attīstības iezīmēs. Tas viss liek uzskatīt organisma attīstību kā divu galveno faktoru darbības sekas - ģenētiskās programmas realizāciju, t.i. genotipa darbība un vides faktoru ietekme uz indivīdu. Kā jūs atceraties, - Genotips ir visu gēnu kopums, ko organisms saņem no saviem vecākiem.. Iespējams genotipā mutācijas – iedzimtas izmaiņas, kas izraisa ģenētiskā materiāla daudzuma palielināšanos vai samazināšanos, izmaiņas nukleotīdos vai to secībā . Ar mutāciju palīdzību genotipā tiek iekļautas jaunas mutantu gēni kuru vecākiem nebija. Katram organismam ir savs fenotips, – t.i. ķermeņa ārējo un iekšējo pazīmju komplekss , piemēram, forma, izmērs, krāsa, ķīmiskais sastāvs, uzvedība, bioķīmiskās, mikroskopiskās un makroskopiskās īpašības

Jebkuru organismu raksturo daudzu pazīmju un īpašību kombinācija. zīme vai īpašums, - organisma morfoloģiskās, fizioloģiskās vai bioķīmiskās diskrētuma vienība . Tradicionāli visas zīmes var iedalīt kvalitatīvi un kvantitatīvi. Pirmajai pazīmju grupai raksturīgs tas, ka tās skaidri un tieši atšķiras viena no otras (gluda vai grumbuļaina sēklu forma, ziedu baltā vai sarkanā krāsa utt.), savukārt otrajai pazīmju grupai nav tik skaidra. atšķirību, un to var noteikt tikai ar kvantitatīvu noteikšanu (mērījumi, svērumi utt.).

Pazīmju dalījums kvalitatīvajās un kvantitatīvajās ir nosacīts, ārējie apstākļi, kādos organisms attīstās, nekad nav nemainīgi, tāpēc viens un tas pats atribūts ir izteikts dažādos daudzumos (modifikācijas), bet kvalitatīvās īpašības stingrāk kontrolē gēni. Tie ir stabilāki, to attīstība ir salīdzinoši mazāk atkarīga no ārējiem apstākļiem un tāpēc ir intermitējoša. Kvantitatīvās pazīmes ir mazāk stabilas, to attīstība ir ļoti atkarīga no ārējiem apstākļiem un tāpēc ir nepārtraukta.

Pazīmes veidošanās ir procesu ķēde, kas iet no gēna caur mRNS, polipeptīdu un fermentu, un norit normāli tikai tad, ja šūnai ir visi nepieciešamie izejmateriāli, atbilstošs enerģijas avots un piemērotus apstākļus reakcijām. Pa šo ceļu, videi ir jānodrošina pazīmes veidošanai nepieciešamie apstākļi. Piemēram, pagrabā novietotie kartupeļi neveido zaļus plastidus, lai gan gēni tam ir pieejami. Gaismā viena un tā paša kartupeļa veidotie dzinumi kļūst zaļi. Tādējādi hlorofila sintēze ir atkarīga ne tikai no attiecīgajiem fermentiem, bet arī no ārēja faktora - gaismas. Gēni nosaka reakcijas ātrums, un tas ir atkarīgs no ārējās vides, kurš variants šīs reakcijas normas ietvaros šajā gadījumā tiek realizēts.

Mēs jau esam apsvēruši materiālos pamatus ģenētiskās informācijas uzglabāšanai, pārraidīšanai un ieviešanai šūnu līmenī, tagad pēc visiem iepriekš sniegtajiem paskaidrojumiem mēs sāksim apsvērt iedzimtības modeļus organisma līmenī, t.i. īpašību pārmantošanas modeļi.

Un sāksim ar kvalitatīvām iezīmēm, kuras, kā jau teicām, nav īpaši atkarīgas no ārējiem apstākļiem un tiek stingri kontrolētas ar gēniem.

Galvenā metode pazīmju pārmantošanas modeļu izpētei organisma līmenī ir hibridoloģiskā metode. Šīs metodes pamatā ir organismu krustošanās (hibridizācija), kuri atšķiras viens no otra pēc vienas vai vairākām pazīmēm, kam seko, t.sk. matemātiskā, pēcnācēju analīze. Šādu organismu šķērsošanas rezultātā hibrīdorganismi , vai hibrīdi. Tiek saukti krusti, kuros vecāku formas atšķiras ar vienu rakstzīmju pāri monohibrīds, ar atšķirību divos zīmju pāros - dihibrīds, un ja zīmju skaits ir lielāks - polihibrīds.

Papildus hibridoloģiskajai metodei ģenētikā tiek izmantota: ģenealoģiskā - ciltsrakstu sastādīšana un analīze; citoģenētiskā - hromosomu izpēte; dvīnis - dvīņu izpēte; populācijas statistikas metode - populāciju ģenētiskās struktūras izpēte.

Ģenētiskajā analīzē tiek izmantoti noteikti noteikumi, lai reģistrētu krustošanās modeļus. Vecāku formas apzīmē ar burtu P, sievietes - ar zīmi ♀, vīrieti - ar ♂, krustojumu - ar ×, hibrīda paaudzes - ar burtu F ar atbilstošiem ciparu indeksiem. Ģenētiskajos darbos tiek pieņemts burtu apzīmējums, lai apzīmētu iedzimtus faktorus. Dominējošie gēni tiek apzīmēti ar lielajiem burtiem, un tiem atbilstošie recesīvie gēni ir apzīmēti ar alfabēta mazajiem burtiem. Ja zirņu dīgļlapas dzeltenās krāsas dominējošo gēnu apzīmē ar burtu BET, tad zaļās krāsas recesīvais gēns jānorāda ar burtu a.

Apskatīsim, kas notiek monohibrīda krustojumā. Ja krustojat zirņu augus ar sarkaniem ziediem ar augiem ar baltiem ziediem, tad visiem pirmās paaudzes hibrīdiem ir sarkani ziedi. Tiek saukta pazīme, kas parādās pirmās paaudzes hibrīdos, un gēns, kas ir atbildīgs par šo pazīmi dominējošs, a neizpaužas iezīme un tās gēns – recesīvs.

Dažu īpašību nomākšanu hibrīdos organismos sauc par dominējošo stāvokli..

Liels skaits novērojumu un īpaši izstrādātu eksperimentu liecina, ka dominēšana ir sarežģīta parādība. Tas var mainīties ārējo apstākļu, vecuma, dzimuma, paša organisma īpašību, kā arī citu iedzimtu faktoru ietekmē.

Tātad snapdragon pirmās paaudzes hibrīdiem, kas iegūti, krustojot sarkanziedu augus ar baltziedu augiem, audzējot pilnā apgaismojumā un zemā temperatūrā, ziedi ir sarkani, audzējot ēnā un paaugstinātā temperatūrā, tie uzzied ar baltiem ziediem, bet starpposmā. apstākļi dod rozā ziedus.

Dažās aitu šķirnēs ragošanas zīmes izpausme ir atkarīga no dzimuma: hibrīdiem tēviņiem ir ragi, savukārt uz šī pamata hibrīdajām mātītēm to nav.

Cilvēkiem plikpaurība dominē vīriešiem un recesīva sievietēm.

Ja atgriezīsimies pie zirņu augiem un, krustojot pirmās paaudzes hibrīdus, iegūstam otrās paaudzes hibrīdus (zirņu gadījumā tas tiek panākts ar pašapputes palīdzību), tad vienveidību tajā vairs neievērosim: dažiem augiem tāds būs. , daži - vēl viena sākotnējā vecāku pāra pazīme, turklāt sadalījumā dominējošā un recesīvās iezīmes otrās paaudzes hibrīdos tiek novērots noteikts modelis.

Apsveriet to pēc G. Mendela iegūtajiem datiem, veicot pirmās paaudzes zirņu hibrīdu krustošanu.

Tabulas datu analīze ļāva izdarīt šādus secinājumus:

hibrīdu viendabīgums otrajā paaudzē nav novērots: dažiem hibrīdiem ir viena (dominējošā), daļa - otra (recesīvā) pazīme no alternatīvā pāra;

hibrīdu skaits ar dominējošo pazīmi ir aptuveni trīs reizes lielāks nekā hibrīdu ar recesīvo pazīmi;

recesīvā īpašība pirmās paaudzes hibrīdos nepazūd, bet tiek tikai nomākta un izpaužas otrajā hibrīda paaudzē.

Otrās paaudzes hibrīdos dominējošo un recesīvo īpašību sadalījuma regularitāti daudzkārtējā attiecībā 3:1 sauc par sadalīšanas likumu un parādīšanās fenomenu. dažādi veidi pēcnācējus no ārēji identiskiem vecākiem sauc par šķelšanos.

Pirmās paaudzes hibrīdaugi attīstās gametu saplūšanas rezultātā ar dominējošo gēnu. BET no sarkanziedu vecāku formas un ar recesīvu gēnu a no baltziedu. Tāpēc tiem vienlaikus ir gan sarkano, gan balto ziedu gēns. Tā kā sarkanais gēns dominē pār balto gēnu, visi pirmās paaudzes hibrīdi ir sarkanziedi.

Pirmās paaudzes hibrīdi, kas fenotipā ir viendabīgi ar sarkanziedu, savā genotipā nes gēnus, kas izraisa dažādu krāsu - sarkano un balto - ziedu attīstību.

Monohibrīda krustošanās citoloģiskie pamati izriet no noteikumiem par hromosomu uzvedību mejozē un gametu saplūšanu. Gametu veidošanās laikā jebkura no tām var saņemt dominējošo gēnu BET, vai recesīvais gēns a. Gametu asociācija ar gēniem BET un a hibrīdorganismā neizraisa gēnu sajaukšanos vai saplūšanu. Gēni BET un a pirmās paaudzes hibrīdorganismu veidotajās gametās paliek nemainīgas individualitātes, kā tie bija sākotnējās vecāku formās. Tas ir gametas tīrība vienam pārim alēlie gēni. Viena pazīmju pāra gēni atrodas tajos pašos homologo hromosomu punktos. Tādus gēnus sauc alēlisks. alēle – tā ir gēna eksistences forma . Tā kā katra alēle kontrolē vienu no alternatīvo pazīmju pāra, tiek runāts par to alēles iezīmes kā gēna izpausmes.

Divu alēļu klātbūtnes dēļ ir iespējami divi ķermeņa stāvokļi: hetero- un homozigoti. Ja organisms satur abas identiskas dotā gēna alēles, tad to sauc homozigota noteiktam gēnam (vai pazīmei) un ja atšķiras , tad heterozigota.

Alēles jēdziens ir viens no vissvarīgākajiem. Ģenētikā tam ir tāda pati nozīme kā valences jēdzienam ķīmijā. Iedzimtības parādības var saprast un izskaidrot, tikai pamatojoties uz ideju par diskrētu iedzimtu vienību - gēnu - alēlisko raksturu.

Vēl viens svarīgs jēdziens ģenētikā ir jēdziens gametu tīrība, kuras citoloģiskais pamats ir alēļu lokalizācija katra homologā pāra dažādās hromosomās.

No gametu tīrības jēdziena izriet Gametas tīrības likums , apgalvojot, ka zīmes nesaplūst, nesummējas un nedalās, bet paliek nemainīgas, sadaloties starp dažādiem pēcnācējiem.

Hibridoloģiskajā analīzē un praktiskajā atlasē izmanto savstarpējos, analītiskos un atgriezeniskos krustojumus.

Savstarpēja, vai abpusēja, ko sauc par krustiņiem starp divām vecāku formām AA un aa, vienā no kurām AA ir mātes forma, bet otrā - tēva forma. Savstarpēja krusta formula: ♀ AA × ♂ aa un ♀ aa × ♂ AA.

Analizējotšādus krustojumus sauc, kad jebkuru hibrīda paaudzes organismu krusto ar recesīvo vecāku formu, kas ir homozigota šim gēnam.

Atmaksāts, vai piesātināts krusti ( backcross) sauc par hibrīda indivīda krustošanu ar kādu no vecāku formām. Šādus krustojumus izmanto, ja tie vēlas pastiprināt jebkuras vecāku formas pazīmju izpausmi hibrīdā. Plaši izmanto audzēšanā.

Apskatīsim, kas notiek ar dihibrīda krustu. Zirņus ar dzeltenām, gludām sēklām (AABB) sakrusto ar zaļām, grumbuļainām sēklām (AABB). Pirmajā paaudzē nav nekā īpaša. Visi augi ar dzeltenām, gludām sēklām. Otrajā paaudzē sadalīšana notiek attiecībā 9:3:3:1.

Pamatojoties uz šādiem eksperimentiem, tika izveidots noteikums, ko sauc Neatkarīgas gēnu kombinācijas likums, kas to saka katrs alēlo gēnu pāris (un to kontrolētās alternatīvās pazīmes) tiek mantots neatkarīgi viens no otra . Rakstzīmju neatkarīgas mantošanas likuma citoloģiskais pamats izriet no hromosomu uzvedības analīzes meiozē. Garāmejot, mēs atzīmējam, ka likums ir spēkā tikai gēniem, kas atrodas dažādos homologo hromosomu pāros.

Ja ņemam vērā iespējamās gametas pirmās paaudzes organismos un visas iespējamās gametu kombinācijas, izmantojot Punneta režģi, tad varam iegūt 16 iespējamos zigotu variantus un līdz ar to arī pēcnācējus. Tie iedalās četrās fenotipiskajās klasēs saskaņā ar iepriekš minēto attiecību. Faktiskais organismu sadalījums klasēs ir tuvs teorētiskajam, bet reti sakrīt ar to, jo tam ir statistisks raksturs, jo šķelšanos nosaka meiozes hromosomu kombinācijas varbūtības raksturs un līdz ar to arī tajās esošie gēni.

Secinājumi, kas iegūti, aplūkojot dihibrīdo krustošanu, ļauj secināt, ka polihibrīdajā krustojumā gēniem, kas atrodas dažādās hromosomās, sadalīšanās otrajā paaudzē būs (3:1) n . Īpašas metodes statistiskā apstrāde ļauj noteikt praktiski iegūto un teorētiski sagaidāmo rezultātu atbilstības ticamību.

Veidojot priekšstatus par saistību starp gēnu un pazīmi, sākotnēji tika pieņemts, ka katra pazīme atbilst īpašam iedzimtības faktoram, kas nosaka tās pazīmes attīstību. Tomēr šādas tiešas un nepārprotamas saiknes starp gēnu un pazīmi patiesībā ir izņēmums, nevis likums. Faktiski daudzi gēni var ietekmēt vienu iezīmi, un, gluži pretēji, viens gēns bieži ietekmē daudzas pazīmes.. Turklāt gēna darbību var mainīt cits gēns vai vides apstākļi.

daudzskaitlis, vai pleiotropisks, gēnu darbība – ir gēna spēja iedarboties uz vairākām pazīmēm vienlaikus . Pleiotropija ir saistīta ar faktu, ka vielmaiņa ir sarežģīta sintēzes, transformācijas un sabrukšanas reakciju vielmaiņas ķēde. Katru šīs ķēdes posmu kontrolē atsevišķs gēns. Jebkuras no tām mutācija visbiežāk ietekmē ne tikai vienu pazīmi, bet vairākas, un tādējādi var ietekmēt tās nesēju dzīvotspēju. Šīs parādības iemesls var būt tikai viena fermenta sintēzes pārkāpums, bet dalība daudzās bioķīmiskās reakcijās.

Gēnu pleiotropās iedarbības piemērs cilvēkiem ir slimība sirpjveida šūnu anēmija. Šī gēna mutācijas rezultātā hemoglobīna molekulā tiek aizstāta tikai viena aminoskābe, kas maina sarkano asins šūnu formu (tās kļūst sirpjveida, nevis abpusēji ieliekta diska) un izraisa sirds un asinsvadu, gremošanas un gremošanas sistēmas traucējumus. nervu sistēmas. Homozigotā stāvoklī šī mutācija bērnībā ir letāla.

Gēni ar pleiotropisku letālu efektu noved pie šķelšanās, nepakļaujas šķelšanās likumam.

Parādība, kad par vienu iezīmi ir atbildīgi vairāki gēni ( vai alēles) sauc gēnu mijiedarbība.

Klasisks piemērs gēnu alēliskā mijiedarbība var kalpot kā AB asins grupas mantojums cilvēkiem. 1V grupas cilvēku eritrocītos ir gan A tipa antigēni (ko nosaka IA gēns, kas atrodas vienā no šūnas hromosomām), gan B tipa antigēni (nosaka IB gēns, kas atrodas otrā homologā hromosomā). Tātad šeit savu efektu parāda abas alēles - IA (homozigotā stāvoklī tā kontrolē II asinsgrupu, A grupu) un IB (homozigotā stāvoklī kontrolē III B grupu).

Jāņem vērā, ka gēnam var būt vairāk nekā divas alēles. Šajā gadījumā gēnam I ir trīs no tiem: I0, IA un IB.

Tomēr ir gēni, kuriem ir desmitiem alēļu. Šo fenomenu sauc daudzkārtējs alēlisms, un visas viena gēna alēles - vairāku alēļu sērija, no kurām katram diploīdajam organismam var būt jebkura, izņemot tikai divas alēles.Šīs viena un tā paša gēna dažādās alēles var darboties neatkarīgi viena no otras, tām ir modificējoša iedarbība vai tās var būt antagonistiskās attiecībās (dominējošā stāvoklī).

Gēnu nealēliskā mijiedarbība. Visizplatītākais gēnu mijiedarbības veids ir komplementaritāte, kad gēni var parādīt savu darbību tikai tad, kad tie darbojas kopā, papildinot viens otra darbu, un pats par sevi nevienam no šiem gēniem nav fenotipiskas izpausmes. Tas ir saistīts ar faktu, ka sarežģītāko savienojumu sintēze ir daudzpakāpju process un katru šī procesa posmu, ko kontrolē konkrēts ferments, nosaka atsevišķs gēns.

Šāda procesa piemērs ir ziedu krāsas pārmantošana saldajos zirņos. Šajā augā ziedu krāsu kontrolē divi dažādi gēni, un katra dominējošā alēle kontrolē vienu purpura pigmenta biosintētiskās ķēdes daļu, kas izraisa ziedu krāsu. Tāpēc ir dabiski, ka pigmenta un līdz ar to arī zieda krāsas sintēze iespējama tikai abu dominējošo alēļu klātbūtnē. Neviena no tiem trūkums noved pie tā kontrolētā enzīma trūkuma un bloķē pigmenta sintēzi vienā no posmiem.

Dabiski, ka mijiedarbībā var piedalīties vairāki gēni, pastāv polimerisms.

Poligēni kontrolēt visu ekonomiski noderīgo pazīmju pārmantošanu, kas nosaka lauksaimniecības kultūru ražu un kvalitāti, dzīvnieku produktivitāti, kā arī daudzus svarīgākos cilvēka fiziskā spēka, veselības un garīgo spēju parametrus. Lielā mērā tie ir pakļauti vides apstākļu, augu un dzīvnieku audzēšanas un cilvēka audzināšanas apstākļu ietekmei.

Polimerizācijā t.s pārkāpuma parādība, kuras būtība ir tāda, ka, krustojot organismus, kas atšķiras viens no otra ar noteiktas pazīmes kvantitatīvo izpausmi, hibrīda pēcnācējiem parādās stabilas (konstantas) formas ar spēcīgāku atbilstošās pazīmes izpausmi, nekā bija abām vecāku formām. Tas notiek, ja vienai vai abām vecāku formām nav tādas pazīmes ārkārtējas izpausmes pakāpes, kādu var dot konkrētā ģenētiskā sistēma, un tāpēc tām ir dominējošās un recesīvās alēles dažādos hromosomu lokos. Tātad, šķērsojot AABBcc × aavbcc F 1, tiek iegūts triheterozigots AaBbCc, un F 2 rodas vairākas formas, sākot no AABBCC līdz aavbcc. Kā redzams, sadalīšanai F 2 ir lielāks mainīguma diapazons nekā abās vecāku formās. Līdz ar to transgresiju laikā hibrīdorganismā tiek apvienoti genotipi, kas viens otru papildina.

No visa teiktā ir skaidrs, ka lielākās daļas pazīmju izpausme nav rezultāts strikti nepārprotamai iezīmes noteikšanai ar vienu iedzimtu faktoru, bet gan vesela mijiedarbojošu gēnu kompleksa ietekmes rezultāts. un vides apstākļi katras specifiskās iezīmes veidošanā.

Mēs to jau teicām Neatkarīgas gēnu kombinācijas likums derīga tikai gēniem, kas atrodas dažādos homologo hromosomu pāros. Tā kā homologo hromosomu skaits organismā ir ierobežots līdz nelielam skaitam, ir skaidrs, ka tikai neliels skaits gēnu var pakļauties šim likumam. Kā tiek mantota lielākā daļa gēnu, kuru skaits ir vairākas kārtas vairāk numuru hromosomas?

Pateicoties mejoze organisms vienmēr saņem vienu no homologajām hromosomām no vecākiem, tāpēc gēni, kas atrodas vienā hromosomā, tiek nodoti pēcnācējiem no vecākiem kopā, veidojot sajūga grupa. Sajūgs var būt pabeigt. Tātad Morgans veica diheterozigotu tēviņu (pelēks ķermenis un normāli spārni) analīzi krustojot ar mātītēm, kurām bija recesīvas abas pazīmes (melns ķermenis un rudimentāri spārni). Rezultātā tika iegūti tikai vecāku tipa pēcteči, t.i. pelēks ar rudimentāriem spārniem un melns ar normāliem spārniem attiecībā 1:1. Tādējādi šeit bija pilnīga funkciju sasaiste, taču to sajaukšanās nenotika.

Tomēr šī pilnīgas sakabes parādība ir drīzāk izņēmums, nevis likums. Biežāk tiek novērota pēcnācēju parādīšanās, kas nes gan tēva, gan mātes pazīmes, bet tajā pašā laikā nepakļaujas neatkarīgas gēnu kombinācijas likumam. Šis tā sauktais daļējs sajūgs. Saistīto gēnu rekombinācijas iemesls ir šķērsojot, kas noved pie vecāku hromosomu daļu apmaiņas un jaunu veidošanās rekombinantās hromosomas kas satur gēnus gan no tēva, gan mātes hromosomām.

Gametes ar hromosomām, kurām ir veikta krustošanās, sauc par krustojošām gametām. un gametas ar hromosomām, kas veidojas bez krustošanās - nekrosovers. Attiecīgi tiek saukti indivīdi, kas radušies, piedaloties krustojošām gametām krosovers, vai rekombinants.

Analizēsim šo parādību, izmantojot piemēru, šķērsojot divas kukurūzas līnijas, kas atšķiras pēc endospermas krāsas un aleurona slāņa konsistences. Vienai līnijai homozigotā stāvoklī ir dominējošie gēni C un S, kas kontrolē krāsainā endospermas un gludā aleirona veidošanos, bet otrā līnijā ir to recesīvās alēles c un s, kas nosaka nekrāsota endospermas un grumbuļainā aleurona attīstību. Šī krustojuma hibrīdaugiem ir krāsains endosperms un gluds aleirons. Šādiem augiem būtu jāveido četru veidu gametas vienādā skaitā, CS, Cs, cS, cs, neatkarīgā gēnu kombinācijā. Testa krustojumos varētu sagaidīt sadalījumu attiecībā pret 1C-S: 1C-ss: 1cc-S: 1cc-ss. Faktiski 96,4% graudu ir sākotnējām vecāku līnijām raksturīgas pazīmes (48,2% krāsaini gludi un 48,2% nekrāsoti grumbuļi), un tikai 3,6% graudu ir jauna pazīmju kombinācija. Šādas šķērsošanas rezultātus var izskaidrot tikai ar gēnu saiti, kam seko šķērsošana.

Lai noskaidrotu, vai gēns pieder vienai vai otrai saišu grupai, tiek veikti krustojumi, ņemot vērā jau pieejamos datus par gēniem, kuru pozīcija saišu grupās iepriekš noteikta.

Tā kā gēni hromosomās izkārtojušies lineāri, tad, nosakot jaunu gēnu kombināciju (savienojuma grupu) sastopamības biežumu, iespējams noteikt attālumu starp gēniem. Uz attāluma vienību starp gēniem, ko sauc morganida , tiek pieņemts viens procents no jaunu šo gēnu kombināciju parādīšanās . Mērot attālumu starp gēniem, ņemot vērā krosoveru pēcnācēju procentuālo daudzumu, ir iespējams sastādīt hromosomu ģenētiskās kartes, t.i. noteikt gēnu relatīvo stāvokli vienā saišu grupā.

Mēs esam vairākkārt teikuši, ka viena no galvenajām iezīmēm jebkura hromosomu komplektā somatiskā šūna organisms ir hromosomu savienošana pārī. Tomēr tā nav gluži taisnība. Lielākajā daļā dzīvnieku un divmāju augu vīriešu un sieviešu kārtas indivīdu hromosomu komplektā viena pāra hromosomas ir diezgan atšķirīgas viena no otras vai arī viena no hromosomām ir pārstāvēta vienskaitlis. Dzimuma noteikšana ir saistīta ar šīm hromosomām, un tās sauc dzimuma hromosomas. Visas pārējās hromosomas tiek sauktas autosomas. Hromosomu, kas nosaka vīriešu dzimumu vairākos organismos, sauc par Y hromosomu, un nepāra hromosomu sauc par X hromosomu.

Visiem zīdītājiem un vairumam citu sugu XX ir sieviete, XY ir tēviņš. Putniem un tauriņiem ir pretēja definīcija. Sienāžiem un blaktīm - XX ir mātīte, un XO ir tēviņš, kodes - atkal pretējā dzimuma definīcija.

šūnu elpošana

Galvenie procesi, kas nodrošina šūnu ar enerģiju, ir fotosintēze, ķīmiskā sintēze, elpošana, fermentācija un glikolīze kā elpošanas stadija.

Ar asinīm skābeklis nonāk šūnā vai, pareizāk sakot, mitohondriju īpašajās šūnu struktūrās. Tie ir atrodami visās šūnās, izņemot baktēriju šūnas, zilaļģes un nobriedušas asins šūnas (eritrocītus). Mitohondrijās skābeklis nonāk daudzpakāpju reakcijā ar dažādām uzturvielām, olbaltumvielām, ogļhidrātiem, taukiem utt. Šo procesu sauc par šūnu elpošanu. Rezultātā tas izceļas ķīmiskā enerģija, ko šūna uzglabā īpašā vielā adenozīntrifosforskābē jeb ATP. Šis ir universāls enerģijas akumulators, ko organisms tērē augšanai, kustībām un dzīvībai svarīgo aktivitāšu uzturēšanai.

Elpošana ir oksidētājs, kurā piedalās skābeklis, organisko barības vielu sadalīšanās, ko pavada ķīmiski aktīvu metabolītu veidošanās un enerģijas izdalīšanās, ko šūnas izmanto dzīvības procesiem.

Vispārējais elpošanas vienādojums ir:

Kur Q = 2878 kJ/mol.

Bet elpošana, atšķirībā no degšanas, ir daudzpakāpju process. Tajā ir divi galvenie posmi: glikolīze un skābekļa stadija.

glikolīze

Organismam vērtīgs ATP veidojas ne tikai mitohondrijās, bet arī šūnas citoplazmā glikolīzes rezultātā (no grieķu val. Glykis - salds un Līzes sairšana). Glikolīze nav no membrānas atkarīgs process. Tas notiek citoplazmā. Tomēr glikolīzes enzīmi ir saistīti ar citoskeleta struktūrām.

Glikolīze ir ļoti sarežģīts process. Tas ir glikozes sadalīšanās process dažādu enzīmu ietekmē, kam nav nepieciešama skābekļa līdzdalība. Glikozes molekulas sadalīšanai un daļējai oksidēšanai ir nepieciešams saskaņots vienpadsmit secīgu reakciju kurss. Glikolīzē viena glikozes molekula ļauj sintezēt divas ATP molekulas. Glikozes sadalīšanās produkti pēc tam var nonākt fermentācijas reakcijā, pārvēršoties etilspirtā vai pienskābē. Alkoholiskā fermentācija ir raksturīga raugam, bet pienskābā – dzīvnieku šūnām un dažām baktērijām. Daudzi aerobikas, t.i. dzīvojot tikai bezskābekļa vidē, organismiem ir pietiekami daudz enerģijas, kas rodas glikolīzes un fermentācijas rezultātā. Bet aerobajiem organismiem šis mazais piedāvājums ir jāpapildina, turklāt diezgan būtiski.

Elpošanas skābekļa fāze

Glikozes sadalīšanās produkti nonāk mitohondrijās. Tur no tiem vispirms tiek atdalīta oglekļa dioksīda molekula, kas izdalās no ķermeņa, izejot. Pēcdedzināšana notiek tā sauktajā Krebsa ciklā (pielikums Nr. 1) (pēc angļu bioķīmiķa vārda, kurš to aprakstīja) secīgu reakciju ķēdē. Katrs no tajā iesaistītajiem fermentiem nonāk savienojumos, un pēc vairākām pārvērtībām tas atkal tiek atbrīvots sākotnējā formā. Bioķīmiskais cikls nav bezmērķīga staigāšana pa apli. Tas vairāk atgādina prāmi, kas skraida starp divām bankām, bet galu galā cilvēki un mašīnas pārvietojas pareizajā virzienā. Krebsa ciklā notiekošo reakciju rezultātā tiek sintezētas papildu ATP molekulas, tiek atdalītas papildu oglekļa dioksīda molekulas un ūdeņraža atomi.

Šajā ķēdē ir iesaistīti arī tauki, taču to sadalīšana prasa laiku, tāpēc, ja enerģija nepieciešama steidzami, organisms izmanto nevis taukus, bet ogļhidrātus. Bet tauki ir ļoti bagāts enerģijas avots. Olbaltumvielas var oksidēt arī enerģijas vajadzībām, bet tikai kā galējo līdzekli, piemēram, ilgstošas ​​badošanās laikā. Olbaltumvielas ir šūnas avārijas avots.

Visefektīvākais ATP sintēzes process notiek ar skābekļa piedalīšanos daudzpakāpju elpošanas ķēdē. Skābeklis spēj oksidēt daudzus organiskos savienojumus un tajā pašā laikā vienlaikus izdalīt daudz enerģijas. Taču šāds sprādziens ķermenim būtu nāvējošs. Elpošanas ķēdes loma un viss aerobais, t.i. Ar skābekli saistītā elpošana sastāv tieši no tā, ka ķermenis tiek nodrošināts ar enerģiju nepārtraukti un nelielās porcijās tiktāl, cik tas ir nepieciešams ķermenim. Jūs varat izdarīt analoģiju ar benzīnu: izlijis zemē un aizdedzināts, tas uzreiz uzliesmo bez jebkāda labuma. Un automašīnā, pamazām degot, benzīns darīs lietderīgu darbu vairākas stundas. Bet šim nolūkam ir tik sarežģīta ierīce kā dzinējs.

Elpošanas ķēde kopā ar Krebsa ciklu un glikolīzi ļauj palielināt ATP molekulu iznākumu no katras glikozes molekulas līdz 38. Bet ar glikolīzi šī attiecība bija tikai 2:1. Tādējādi koeficients noderīga darbība daudz vairāk aerobās elpošanas.

Kā tiek organizēta elpošanas ķēde?

ATP sintēzes mehānisms glikolīzes laikā ir salīdzinoši vienkāršs un to var viegli reproducēt in vitro. Tomēr nekad nav bijis iespējams simulēt ATP sintēzi elpceļos laboratorijā. 1961. gadā angļu bioķīmiķis Pīters Mičels ierosināja, ka enzīmi kaimiņi elpošanas ķēdē ievēro ne tikai stingru secību, bet arī skaidru kārtību šūnas telpā. Elpošanas ķēde, nemainot savu secību, tiek fiksēta mitohondriju iekšējā čaulā (membrānā) un vairākas reizes sašuj to kā šuves. Mēģinājumi reproducēt ATP elpceļu sintēzi neizdevās, jo pētnieki nepietiekami novērtēja membrānas lomu. Bet reakcijā ir iesaistīti arī fermenti, kas koncentrējas sēņu formas veidojumos membrānas iekšpusē. Ja šie izaugumi tiek noņemti, ATP netiks sintezēts.

Kaitīga elpa.

Molekulārais skābeklis ir spēcīgs oksidētājs. Bet kā spēcīgas zāles tas spēj dot un blakus efekti. Piemēram, skābekļa tieša mijiedarbība ar lipīdiem izraisa toksisku peroksīdu parādīšanos un izjauc šūnu struktūru. Reaktīvie skābekļa savienojumi var arī bojāt olbaltumvielas un nukleīnskābes.

Kāpēc saindēšanās ar šīm indēm nenotiek? Jo viņiem ir pretlīdzeklis. Dzīvība radās bez skābekļa, un pirmās radības uz Zemes bija anaerobas. Tad parādījās fotosintēze, un skābeklis kā tā blakusprodukts sāka uzkrāties atmosfērā. Tajos laikos šī gāze bija bīstama visam dzīvajam. Daži anaerobi gāja bojā, citi atrada bezskābekļa stūrus, piemēram, nosēdās augsnes gabalos; citi sāka pielāgoties un mainīties. Toreiz parādījās mehānismi, kas aizsargā dzīvo šūnu no nejaušas oksidācijas. Tās ir dažādas vielas: fermenti, tostarp kaitīgās ūdeņraža peroksīda katalīzes iznīcinātāji, kā arī daudzi citi neolbaltumvielu savienojumi.

Elpošana kopumā vispirms parādījās kā veids, kā noņemt skābekli no atmosfēras, kas ieskauj ķermeni, un tikai pēc tam kļuva par enerģijas avotu. Pielāgojoties jaunajai videi, anaerobi kļuva par aerobiem, gūstot milzīgas priekšrocības. Bet slēptās skābekļa briesmas viņiem joprojām ir saglabātas. Antioksidantu antidotu spēks nav neierobežots. Tāpēc tīrā skābeklī un pat zem spiediena visas dzīvās būtnes diezgan drīz mirst. Ja šūnu bojā kāds ārējs faktors, tad parasti vispirms neizdodas aizsardzības mehānismi, un tad skābeklis sāk kaitēt pat normālā atmosfēras koncentrācijā.

1. Vai šūnu elpošana attiecas uz asimilācijas vai disimilācijas procesiem? Kāpēc?

Šūnu elpošana attiecas uz disimilāciju, jo šī procesa laikā:

● sarežģītu organisko savienojumu sadalīšana vairākos veidos vienkāršas vielas;

● šķeļamo savienojumu ķīmisko saišu enerģijas atbrīvošana.

2. Kāds ir šūnu elpošanas process? No kurienes šūnu elpošanas laikā rodas enerģija ATP sintēzei?

Šūnu elpošana ir sarežģīts daudzpakāpju process, kura laikā organiskās vielas tiek sadalītas (galu galā līdz vienkāršākajiem neorganiskiem savienojumiem), un to ķīmisko saišu atbrīvotā enerģija tiek uzglabāta un pēc tam izmantota šūnā.

Enerģija ATP sintēzei tiek atbrīvota (izdalās) ķīmisko saišu pārraušanas rezultātā skaldāmo vielu molekulās.

3. Uzskaitiet šūnu elpošanas posmus. Kuru no tiem pavada ATP sintēze? Cik daudz ATP (uz 1 molu glikozes) var veidoties katrā posmā?

Izšķir šādus šūnu (aerobās) elpošanas posmus: sagatavošanās, bezskābekļa (glikolīze, ja tiek sadalīta glikoze) un skābekļa (aerobā).

Sagatavošanas posmā ATP netiek sintezēts. Glikolīzes rezultātā var sintezēt 2 molus ATP (uz katru sadalītās glikozes molu). Skābekļa stadijas enerģijas izvade ir 36 moli ATP (uz 1 molu glikozes).

4. Kur notiek glikolīze? Kādas vielas ir nepieciešamas, lai notiktu glikolīze? Kādi gala produkti veidojas?

Glikolīze ir daudzpakāpju process, kurā bez skābekļa glikoze tiek sadalīta līdz pirovīnskābei. Glikolīzes reakcijas notiek šūnu citoplazmā.

Glikolīzei ir nepieciešama glikozes (C 6 H 12 O 6), īpaša enzīmu komplekta (katru glikolīzes posmu katalizē īpašs enzīms), oksidētā NAD (NAD +), kā arī ADP un H 3 RO 4 ( ATP sintēzei).

Glikolīzes galaprodukti: pirovīnskābe jeb PVA (C 3 H 4 O 3), reducēts NAD (NAD H + H +) un ATP. Pamatojoties uz 1 molu glikozes, veidojas 2 moli PVC un reducēta NAD, un tiek sintezēti 2 moli ATP. Kopējais glikolīzes vienādojums ir:

5. Kādās organellās notiek šūnu elpošanas skābekļa stadija? Kādas vielas nonāk šajā posmā? Kādi produkti veidojas?

Šūnu elpošanas skābekļa stadija notiek mitohondrijās. Šajā posmā nonāk PVK un reducētais NAD (glikolīzes produkti pirms skābekļa stadijas). Turklāt skābekļa stadijas īstenošanai ir nepieciešama molekulārā skābekļa (O 2) iekļūšana mitohondrijās, īpašu enzīmu un citu vielu klātbūtne.

PVC nokļūst mitohondriju matricā, kur tas pilnībā sadalās un oksidējas līdz galaproduktiem – CO 2 un H 2 O. Reducētais NAD nonāk arī mitohondrijās, kur notiek oksidēšanās. Elpošanas aerobajā stadijā tiek patērēts skābeklis un tiek sintezētas 36 ATP molekulas (pamatojoties uz 2 PVC molekulām). CO 2 izdalās no mitohondrijiem šūnas hialoplazmā un pēc tam vidē. Elpošanas skābekļa stadijas kopējais vienādojums:

6. 81 g glikogēna nonāk šūnu elpošanas sagatavošanās stadijā. Kāds ir maksimālais ATP daudzums (mol), ko var sintezēt sekojošās glikolīzes rezultātā? Elpošanas aerobās fāzes laikā?

● Sagatavošanas posmā glikogēns tiek hidrolizēts, veidojot glikozi:

(C 6 H 10 O 5) n + nH 2 O → nC 6 H 12 O 6

● Atradīsim molārā masa glikozes atlikumi glikogēnā:

M (C 6 H 10 O 5) \u003d 12 × 6 + 1 × 10 + 16 × 5 = 162 g / mol.

● Noskaidrosim glikozes atlieku ķīmisko daudzumu glikogēna sastāvā, kas sver 81 g:

n (C 6 H 10 O 5) \u003d m: M \u003d 81 g: 162 g / mol \u003d 0,5 mol. Tāpēc sagatavošanās posma rezultātā izveidojās 0,5 mol glikozes.

● Glikolīzes kopsavilkuma vienādojums:

C6H12O6+2NAD++2ADP+2H3PO4 → 2C3H4O3+2NAD H+H++2ATP

Glikolīzes laikā 1 mola glikozes sadalīšanās notiek kopā ar 2 molu PVC veidošanos un 2 molu ATP sintēzi. Tas nozīmē, ka, sadalot 0,5 molus glikozes, veidojas 1 mols PVC un var sintezēt 1 molu ATP.

● Elpošanas skābekļa stadijas kopējais vienādojums:

2C 3 H 4 O 3 + 6O 2 + 2NAD H + H + + 36ADP + 36H 3 PO 4 → 6CO 2 + 6H 2 O + 2NAD + + 36 ATP

2 molu PVC aerobā šķelšanās noved pie 36 molu ATP sintēzes. Tāpēc, sadalot 1 molu PVC, var sintezēt 18 molus ATP.

Atbilde: Glikolīzes rezultātā var sintezēties 1 mols ATP, un sekojošās elpošanas aerobās stadijas rezultātā var sintezēt vēl 18 mol ATP.

7. Kāpēc organisko savienojumu sadalīšana ar skābekļa piedalīšanos ir enerģētiski efektīvāka nekā bez tās?

Tā kā skābeklis ir spēcīgs oksidētājs. Skābekļa ietekmē organiskās vielas tiek pilnībā sadalītas un oksidētas (jo īpaši ogļhidrāti un tauki - līdz H 2 O un CO 2), atbrīvojot lielu daudzumu enerģijas, kas atrodas sadalīto organisko vielu ķīmiskajās saitēs. Ja nav skābekļa, organisko vielu pilnīga oksidēšanās nenotiek, tāpēc būtiska enerģijas daļa paliek galaproduktos.

Ja padziļināti aplūkojam šūnu elpošanas aerobās stadijas mehānismu, tad var atzīmēt, ka molekulārais skābeklis, pieņemot elektronus, veido O 2– anjonus. Skābekļa anjoni ir nepieciešami protonu (H +) saistīšanai, kas caur ATP sintetāzes kanāliem nonāk mitohondriju matricā. Ja nav skābekļa, matricā uzkrājas protoni, kas izraisa ATP sintetāzes inhibīciju un pēc tam tās darbības pārtraukšanu. Tāpēc normālai ATP sintetāzes darbībai (t.i., ATP sintēzei) ir nepieciešama nepārtraukta skābekļa padeve mitohondrijiem.

astoņi*. Mitohondriju garums svārstās no 1 līdz 60 mikroniem, un platums ir robežās no 0,25 līdz 1 mikronam. Kāpēc ar tik ievērojamām mitohondriju garuma atšķirībām to platums ir salīdzinoši mazs un relatīvi nemainīgs?

Sakarā ar to, ka mitohondriju platums ir salīdzinoši neliels, notiek metabolītu difūzijas procesi no apkārtējās hialoplazmas matricā (PVC, O 2, NAD H + H +, ADP, H 3 RO 4) un pretējā virzienā. (ATP, CO 2 utt.) tiek veiktas ļoti ātri. Mitohondriju platuma palielināšanās palēninātu metabolītu transportēšanu un samazinātu šūnu elpošanas skābekļa stadijas intensitāti.

* Ar zvaigznīti atzīmētos uzdevumus skolēniem ir jāizvirza dažādas hipotēzes. Tāpēc skolotājam, liekot atzīmi, jākoncentrējas ne tikai uz šeit sniegto atbildi, bet jāņem vērā katra hipotēze, izvērtējot skolēnu bioloģisko domāšanu, viņu spriešanas loģiku, ideju oriģinalitāti utt. vēlams iepazīstināt studentus ar sniegto atbildi.