Этапы энергетического обмена – Российский учебник
Живой организм построен из клеток. А некоторые, например, амеба или инфузория, состоят из одной клетки. Сложные многоклеточные особи представлены сочетаниями клеток, которые образуют различные системы организма: дыхательную или пищеварительную. Весь организм пронизан клетками нервной ткани, которые обеспечивают регуляцию и управление макроорганизмом.
Живая клетка от неживой отличается тем, что в ней постоянно и непрерывно протекает два разнонаправленных процесса:
- синтез, или строительство новых органелл (пластический обмен или ассимиляция)
- катаболизм, или разрушение питательных элементов с образованием энергии (энергетический обмен или диссимиляция)
В живых особях баланс между ассимиляцией и диссимиляцией поддерживается не всегда. Если наблюдать за жизнью организма, можно заметить, что сначала тело становится больше по размерам, крепче и выносливее. Чем старше становится организм, тем меньше заметен рост, а в старости начинают преобладать процессы распада, организм не успевает восстанавливаться и погибает.
Чтобы машина ехала, ей нужен бензин. А бензин делают из нефти. Чтобы макроорганизм существовал, ему нужна энергия. В учебниках биологии часто можно встретить фразу глюкоза — ресурс энергии для клетки. Это так. Но глюкоза — как нефть для автомобиля. Поэтому сначала глюкозу нужно превратить в бензин. И таким бензином для клетки будет молекула АТФ.
Молекула АТФ известна миру довольно давно. Через десять лет, в 2029 году отпразднует сто лет со дня открытия вещество, благодаря которому в живой клетке поддерживается упорядоченность структур и она может противостоять хаосу и растущей энтропии (почему так происходит, подробно рассказано на странице 30 учебника «Естествознание 11 класс» под редакцией Титова С.А.).
В 1929 году, практически одновременно, сотрудники Института биологии кайзера Вильгельма в Берлине Карл Ломан и Отто Мейергоф и ученые Гарвардской Медицинской школы Сайрус Фиске и Йеллапрагад Суббарао в Гарвардской Медицинской школе опубликовали работы, в которых описали молекулу АТФ.
В 30 годах ХХ века в лаборатории Мейергофа появился молодой ученый, Фриц Липман, который заинтересовался энергетическими аспектами клеточного метаболизма, и в 1941 году талантливый биохимик доказал, что АТФ – основной двигатель энергетических реакций в живой клетке. А в 1953 году его вклад в физиологию совместно с Х. Кребсом был удостоен Нобелевской премии.
АТФ — аденозинтрифосфат, нуклеотид, глобальный ресурс энергии для сложных реакций обмена веществ, происходящих в клетках организма. Схематично молекула АТФ представлена на странице 99 учебника «Естествознание 11 класс» под редакцией Титова С.А..
Вся суть энергетического обмена сводится к решению задачи, как энергию из сложных молекул пищи превратить в молекулу АТФ. В процессе эволюции эта задача была решена.
Так как же булочка из Макдональдса превращается в энергию макроэргических связей АТФ?
В энергетическом обмене выделяют несколько процессов, разделенных не только временем, но и протекающих в различных частях клетки:
- Подготовительный этап
- Гликолиз
- Кислородное окисление
Подготовительный этап у человека и других многоклеточных макроорганизмов начинается в ротовой полости, продолжается в желудочно-кишечном тракте и представляет собой многоступенчатый процесс распада сложных полимеров белков, жиров и углеводов пищи до мономеров.
Из курса химии помним, что во время разрыва связей элементов выделяется энергия. Для образования аденозинтрифосфата этой энергии недостаточно, и она вся уходит во внешнюю среду.
Что же происходит у простых одноклеточных организмов, у которых нет ротиков и животиков? Пища, захваченная одноклеточным организмом, попадает в пищеварительную вакуоль или лизосому, где при помощи ферментов-катализаторов, способствующих пищеварению, протекает начальный этап диссимиляции.
Подготовленные во время предварительного этапа вещества переходят во второй бескислородный этап энергетического обмена, который называется гликолиз.
Два греческих слова (гликос – «сладкий» и лизис – «расщеплять») дали название второй бескислородной фазе энергетического обмена — глико́лизу.
Гликолиз является цепочкой из 10 биохимических превращений, итогом которых является трансформация стабильной молекулы глюкозы в трехуглеродные молекулы пирувата, – или пировиноградной кислоты.
Что ещё почитать?
Химические и физические свойства водорода
Основные химические свойства кислот
Теория электролитической диссоциации
Массовая доля вещества
«Подождите, – могут сказать дотошные ученики, – глюкоза у нас находится в пищеварительной системе. А процессы метаболизма идут в клетках по всему организму, например, на кончике носа или задней лапе. Как же попадает глюкоза в цитоплазму клетки во всем организме?».Глюкоза всасывается в желудочно-кишечном тракте, попадает в кровоток, током крови разносится ко всем тканям и клеткам организма, и благодаря белку-переносчику инсулину попадает в клетку.
Цитоплазма отдельной клетки – место осуществления реакций гликолиза. Энергии при этом выделяется совсем немного. Ее хватает лишь на формирование 2-х молекул АТФ. Казалось бы, энергия получена, и процесс может остановиться. Так и происходит у некоторых бактерий. Но никакому нормальному многоклеточному организму таких запасов АТФ не хватит.
У многоклеточных тел пируват переходит в третью фазу диссимиляции — клеточное дыхание в митохондриях. Дыханием процесс называется, поскольку в ходе химических реакций в митохондриях происходит потребление кислорода и выделение углекислого газа в цитоплазму клетки, а дальше, с помощью кровообращения и дыхания, – во внешнюю среду.
Клеточное дыхание представлено двумя этапами:
- цикл Кребса, протекающий в матриксе митохондрий
- окислительное фосфорилирование, протекающее на кристах митохондрий при участии ферментов дыхательной цепи
Итогом кислородного этапа энергетического обмена является выделение количества энергии, достаточного для образования 36 молекул АТФ, воды и СО2. При этом нужно помнить, что аденозинтрифосфат содержит три остатка фосфата, а макроэргических связей образуется только две. Суммарное уравнение биохимических реакций, протекающих в третьей фазе диссимиляции, можно записать так:
2C3H4O3+6O2+36H3PO4+36АДФ=6CO2+42H2O+36АТФ
В итоге этих реакций происходит накопление огромного количества энергии — 36 молекул аденозинтрифосфата против 2-х, что запасаются в процессе гликолиза.
Однако поскольку эта фаза требует кислорода для своих реакций, в бескислородной среде процесс протекать не может.
При дефиците кислорода пируват окисляется до лактата. Именно ему принадлежит ощущение приятной боли после хорошей тренировки. У хорошо тренированных людей с активным кровоснабжением и хорошо развитой сетью капилляров нужно затратить большую физическую нагрузку перед тем, как начнет накапливаться молочная кислота.
Вспомним, что еще 2 молекулы аденозинтрифосфата накапливаются на этапе гликолиза. Таким образом, при распаде одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.
На портале LECTA В параграфе 22 учебника «Естествознание 11 класс» под редакцией Титова С.А. внимательные ученики найдут ответ на вопрос, почему цианистый калий – любимое средство убийц в детективных романах.
ТестКак появились митохондрии (рассказ, похожий на сказку)
Статья на конкурс «био/мол/текст»: В клетках большинства современных организмов имеются митохондрии.
Количество их сильно варьирует: от нескольких до сотен тысяч. Митохондрии являются органеллами клеток, но в какой-то мере сохранили свою независимость. Они имеют собственную генетическую информацию, записанную в ДНК, сами синтезируют некоторые белки, способны размножаться делением, могут перемещаться внутри клетки хозяина. При делении клетки часть митохондрий переходит в новую клетку, и они достаточно быстро восстанавливают свою численность по «согласованию» с хозяином. В начале ХХ века появилась теория симбиогенеза, согласно которой митохондрии появились в результате захвата примитивными клетками (прокариотами) бактерий. В форме сказочного рассказа попытаемся поведать, как это происходило в те далекие времена. Возможно, это в какой-то мере заинтересует детей и привлечет их в биологию.
Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2014 в номинации «Лучший обзор».
Главный спонсор конкурса — дальновидная компания Генотек.
Конкурс поддержан ОАО «РВК».
Спонсором номинации «Биоинформатика» является Институт биоинформатики.
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Дорогие ребята, попытаюсь рассказать, как в клетках живых организмов появились митохондрии. Этот рассказ чем-то напоминает сказку, хотя автор приводит объективные научные данные. Для этого нам предстоит совершить путешествие в прошлое — на 1,5–3 миллиарда лет назад, когда жизнь на Земле только начинала зарождаться. Мы попытаемся увидеть первый организм, который способствовал эволюционному прогрессу.
Страшно, наверное? Однако давайте рискнем. Наше путешествие должно быть недолгим. Для этого придется взять с собой солидный запас кислорода. В оружии нет необходимости, так как в те далекие времена на Земле не на кого было охотиться и тем более — защищаться.
В путешествии нас будет подстерегать иная опасность. Это разгул стихии: ураганы, молнии, ливни, извержения вулканов, землетрясения и многое другое.
В те далекие времена на планете периодически извергались вулканы, выбрасывая тучи пепла, а по их склонам стекала раскаленная лава. Часто гремели грозы, сверкали молнии, бушевали ветры. Дождевая вода реками поступала обратно в океан. Землетрясения и вулканическая деятельность приводили к образованию гор и впадин, которые со временем становились озерами и морями. Атмосфера состояла из азота, метана, аммиака, углекислого газа и паров воды. А вот кислорода в ней не было. Хотя кислород — один из самых распространенных элементов на Земле, в силу своей высокой реакционной способности он находится в связанном состоянии, образуя различные и входя в состав различных соединений.
Рисунок 1. Красиво, хотя и страшно вблизи!
U.S. Geological Survey @ Flickr
На берегу древнего залива
Чтобы сказка получилась понятной, потратим какое-то время на описание того древнего мира, в котором мы оказались.
Жизнь, причем самая примитивная, теплилась только в океане, который снабжал живые организмы питательными веществами и защищал от губительных солнечных лучей. Сразу же хочется задать вопрос — почему «губительных», ведь мы ходим по улице, загораем, и ничего с нами не происходит. Это связано с тем, что солнечный свет содержит ультрафиолетовые лучи, которые отрицательно воздействуют на живые организмы (фотоны высоких энергий разрушают компоненты клеток, мембраны, ДНК и пр.). Недаром в микробиологических лабораториях и операционных отделениях больниц для дезинфекции используют свет ультрафиолетовых ламп.
Рисунок 2. Такое же красивое солнце было и миллиарды лет назад. Оно дает тепло всему живому и энергию для фотосинтеза растений.
Древняя атмосфера была проницаема для ультрафиолетовых лучей, поэтому первым организмам приходилось жить под защитой водной толщи. Современная атмосфера, как фильтр, задерживает эти губительные лучи и не позволяет им достигать поверхности Земли.
Наиболее существенным фильтром является озон (О3), который образуется в верхних слоях атмосферы под действием солнечной радиации.
И вот мы направились к берегу морского залива, зачерпнули немного воды и увидели в ней небольшие комочки — одноклеточные организмы. Некоторые из них были потребителями растворенных в воде органических веществ, которые они всасывали всей поверхностью. Другие являлись хищниками и питались менее удачливыми собратьями. Предполагается, что даже в те далекие времена существовали не отдельные организмы, а сообщества, объединенные системой пищевых взаимоотношений.
Растворенное в воде органическое вещество образовывалось в атмосфере, в основном химическим путем за счет энергии ультрафиолетовых лучей, электрических разрядов при грозах и вулканической деятельности [1], [2]. Это были самые простые вещества — аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы. Они постепенно накапливались в океане, превращая его в разбавленный «бульон», так как в то время было совсем немного организмов, способных его потреблять.
Это предположение, высказанное Опариным, было экспериментально проверено в 1953 году в знаменитом эксперименте Миллера—Юри, показавшем возможность синтеза различных органических веществ из неорганических под действием «экстремальных» факторов. Более того, полвека спустя в «остатках» этого эксперимента с помощью новых химических методик зарегистрировано куда более обширное разнообразие синтезированной органики, нежели предполагалось исходно: «Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера» [3]. — Ред.
Появление первых примитивных одноклеточных организмов произошло не по мановению волшебной палочки : на это потребовались миллионы лет. Большинство из них, так же как современные бактерии, водоросли, простейшие, потребляли растворенные в воде вещества всей своей поверхностью. Другие, так же как амебы, обволакивали жертву и растворяли ее.
В настоящее время предполагается, что этапу клеточной жизни на Земле предшествовали стадии химической эволюции и доклеточной жизни, когда роль биологических мембран играли пористые геологические породы, образующие древние гидротермальные источники: «К вопросу о происхождении жизни» [4].
— Ред.
Постепенно биомасса потребителей увеличивалась, а готовой пищи («бульона») в океане становилось все меньше и меньше. Наконец запасы питательных веществ, которые образовывались главным образом химическим путем, сократились настолько, что организмам его стало не хватать. Пища, которая когда-то была в неограниченном количестве, постепенно становилась дефицитной. Процветающая в то время жизнь начала приходить в упадок. По-видимому, это была одна из первых глобальных экологических катастроф. Организмы (а это были анаэробы, живущие при отсутствии кислорода в среде) должны были нащупать выход из сложившейся ситуации, найти иные источники энергии для жизнедеятельности, ведь на кону было само их существование.
Вскоре некоторые организмы «научились» использовать для своей жизнедеятельности энергию Солнца. С ее помощью они стали синтезировать органические вещества из неорганических, как когда-то это осуществлялось химическим путем, но только гораздо эффективнее. Так возник новый способ создания органического вещества, который называется фотосинтезом.
Для синтеза простейшего органического вещества необходим углерод, водород и кислород. Оказалось, наиболее дефицитным элементом на Земле является водород. Поэтому организмы стали получать его из воды, которую расщепляли с помощью солнечной энергии. Водород воды и углекислый газ шел на построение органических молекул, а избыток кислорода как побочный продукт выделялся в среду. В то время он никому еще не был нужен.
Необходимо отметить, что кислород является сильным окислителем и представляет большую опасность не только для живых существ, но и для органических молекул, в том числе и тех, которые были созданы химическим путем. Как мы уже говорили, они являлись пищевым компонентом для примитивных анаэробов. Кислород стал вступать с органическими молекулами в химические реакции (окисляя их), изменял их структуру и свойства. Он как бы становился «пищевым конкурентом» для живых существ.
«Первооткрыватели» фотосинтеза — первые примитивные растения, которые смогли расщеплять воду и выделять в среду кислород, появились 2,3 млрд.
лет назад (некоторые исследователи считают, что это произошло значительно раньше — 3,8 млрд. лет назад). Они чем-то напоминали современные одноклеточные водоросли, хотя были значительно проще по строению. Они не имели ядра, многих клеточных структур, клеточной оболочки. Эти «растения» плавали в поверхностном слое воды или обитали на скалах в мелководьях. Однако до настоящих растений им было еще очень и очень далеко.
Первые примитивные растения начали бурно развиваться, так как дефицита в солнечной энергии и питательных веществах для них не было. Они, так же как и современные растения, создавали органическое вещество и выделяли в среду кислород (в химии он обозначается O2). Вначале кислород шел на окисление неорганических соединений и только затем постепенно начал накапливаться в атмосфере. В верхних слоях атмосферы кислород под действием солнечных лучей превращался в озон (О3), который стал защищать поверхность Земли от губительных ультрафиолетовых лучей. Оказывается, в земных условиях ультрафиолетовая радиация солнца ограничена длинами волн 2900–2950 Å, которые как раз активно поглощаются озоном.
Под защитой озона живые организмы, прежде обитавшие в океане, получили возможность выйти на сушу (хотя до этого было еще очень далеко).
Одноклеточные примитивные растения своим появлением на Земле буквально совершили революцию, которая получила название «кислородная катастрофа». Потребители органического вещества (это были анаэробные организмы), которые до того питались тем, что создавалось химическим путем (т.е. «бульоном» океана), постепенно перешли на питание органическим веществом, создаваемым примитивными растениями. Однако они находились в двойственном положении. С одной стороны, они стали независимы от неконтролируемых сил стихии, с другой — выделяемый растениями кислород представлял для них смертельную опасность. Ведь анаэробы потребляют органические вещества в бескислородных условиях! В связи с этим перед анаэробами опять возникла дилемма. Они должны были найти пути защиты от возрастающего количества агрессивного молекулярного кислорода.
В живых организмах энергия потребленной пищи освобождается не одномоментно, как, к примеру, при горении пламени.
Освобождение энергии идет в виде ступенчатого процесса, управляемого окислительными ферментами. В этом случае энергия органического вещества постепенно переходит в макроэнергетическую связь в молекуле АТФ (аденозинтрифосфат), которая синтезируется с использованием освобождающейся при усвоении пищи энергии. Анаэробы способны только частично окислять пищу: усваивается менее 10% энергии. Это же расточительно! Если перевести сказанное на бытовой язык, это то же самое, что топить печку дровами, которые сгорают не до золы, а, к примеру, до головешек.
Начальный этап этого процесса называется гликолизом. Он протекает в цитоплазме клетки и кислород для этого не нужен. При этом процессе теми самыми головешками, о которых шла речь выше, являются органические кислоты, спирты и пр., которые еще, как говорится, окислять и окислять. А окисление в данном случае равнозначно здоровому питанию.
Чтобы было более понятно, как происходит процесс использования энергии органического вещества при гликолизе, представим, к примеру, молекулу глюкозы в виде высокой стопки кирпичей.
Если мы разрушим кладку одним ударом, кирпичи упадут, и выделится большое количество механической энергии. Этот процесс аналогичен горению пламени, когда одновременно выделяется большое количество тепла. Если же мы будем аккуратно последовательно сбрасывать по одному кирпичу на какой-то рычажок, в этом случае будет выполняться работа, эквивалентная всей стопке кирпичей. Этот процесс чем-то напоминает клеточное дыхание. Немного грубо, но, думаю, наглядно.
Аэробы же с участием в окислительном процессе кислорода «сжигают» пищу практически полностью, выделяя в качестве конечных продуктов лишь углекислый газ и воду, т.е. те соединения, которые использовались при фотосинтезе органического вещества.
Еще раз напомню: увеличивающееся количество кислорода в атмосфере и океане поставило жизнь (т.е. анаэробов) на грань выживания. Вскоре анаэробы нашли выход: появились первые организмы, которые научились использовать кислород. Причем они получили преимущество перед анаэробами, т.к. могли из одного и того же количества органического вещества (пищи, субстрата) получать большее количество энергии, сжигая органическое вещество более эффективно.
Более рациональное использование энергии, запасенной в органическом веществе, позволило этим организмам занять новую экологическую нишу. С этого времени судьба анаэробов была предрешена. Постоянно увеличивающееся в среде количество кислорода и развивающиеся вслед за ним аэробные организмы начинали вытеснять доминировавшую ранее группу. Анаэробы сохранились и поныне, но только в экстремальных бескислородных условиях (в частности, в рубце жвачных животных, в кишечнике некоторых насекомых, в глубинах океанов, горячих источниках и др.).
Давайте для удобства назовем эти новые организмы, способные жить в кислородной среде, «примитивными митохондриями».
А теперь постараемся рассмотреть процесс использования энергии органического вещества аэробными организмами в кислородных условиях, опять же на примере окисления глюкозы. При гликолизе первый этап окисления субстрата осуществляется до пировиноградной кислоты, и этот процесс осуществляется в цитоплазме клетки в бескислородных условиях.
Появившиеся аэробы (мы договорились, что будем называть их «примитивными митохондриями») потребляют эти «головешки» (т.е. пировиноградную кислоту) и продолжают их дальнейшее расщепление. Этот процесс протекает с обязательным участием кислорода и называется аэробным дыханием.
В древнем Океане эти процессы осуществляли новые организмы, которые мы назвали «примитивные митохондрии». В клетках современных организмов гликолиз (бескислородный процесс) происходит в цитоплазме, а аэробный (т.е. кислородный) осуществляется внутри уже современных митохондрий, которые находятся (а может быть, живут) внутри клетки. Как они туда могли попасть, мы расскажем в виде сказки. Тем более что теория симбиогенеза (вот и появился новый термин) окончательно не признана учеными, хотя будоражит умы уже более ста лет.
Как мы уже отмечали, конечными продуктами аэробного процесса является углекислый газ и вода, т.к. энергия, запасенная в органическом веществе, используется более полно. Часть энергии запасается в АТФ и используется для жизнедеятельности клетки, а остальная — рассеивается в виде тепла.
Так что, если есть пища, организм чувствует себя бодро и весело даже при сильных морозах. К примеру, маленькие синицы в нашем холодном климате чувствуют себя прекрасно, т.к. могут найти пищу в виде семян, жирных яиц, личинок и куколок насекомых.
Как появились митохондрии
А теперь продолжим рассказ, напоминающий сказку.
На мелководьях морей и океанов были благоприятные условия для жизни. Вода прогревалась солнечными лучами, а с поверхности земли вместе со стоками поступали минеральные соли, столь необходимые для жизнедеятельности водных организмов. А волны перемешивали все это. Мы зачерпнули немного воды, и нам удалось разглядеть плавающий в ней организм, чем-то напоминающий амебу. Она передвигалась с помощью ложноножек — выпячиваний содержимого организма. Протоплазма медленно перетекала в образующиеся ложноножки. При этом одни выпячивания исчезали, другие появлялись вновь, а очертания живого существа непрерывно менялись.
Наша древняя амеба медленно «перетекала» по поверхности субстрата, «посматривая» по сторонам, нет ли поблизости чего-нибудь вкусненького (кстати, она была анаэробом) .
Давайте не забывать, что этот организм здесь называется амебой лишь условно. Амёба — это современный аэробный организм, содержащий и ядро, и во множестве митохондрии. Корректнее было бы говорить про древний фагоцитирующий организм, клеточная мембрана которого напоминает эукариотическую, но для целей сказки оставим всё как есть. — Ред.
Рисунок 3. Вот какой монстр обитает в водоемах! Типичный представитель корненожек — амеба обыкновенная. На рисунке видно, как амеба схватила своими ложноножками несколько жертв (скорее всего жгутиконосцев).
Если поблизости появлялась жертва, амеба устремлялась к ней, хотя скорость ее передвижения была очень небольшой. Амеба обволакивала жертву, вовлекая ее внутрь тела. Затем пищу окружал пищеварительный сок, выделяемый протоплазмой. Образовывался пузырек — пищеварительная вакуоль, в которой частицы пищи превращались в растворимые вещества, за счет которых амеба передвигается, растет и размножается.
Проходит немного времени, и от жертвы остаются «рожки да ножки», т.е. всё то, что не смогла переварить хищная амеба. Непереваренные остатки выбрасываются наружу, а пищеварительная вакуоль исчезает. Захват пищи и выбрасывание остатков происходит у амебы в любом участке тела.
Ты, мой друг, должен понимать, что мы используем многие термины только для красного словца, так как даже современные амебы (не говоря уже о примитивных) не могут смотреть по сторонам, думать и разговаривать. На то у нас и сказка!
Наша амеба была голодна и готова съесть все, что встретится ей на пути. Наконец, она набрела на небольшое существо (это была «примитивная митохондрия»), которое не успело спрятаться. Амеба обрадовалась, что пища сама ползет ей в «рот» и раскрыла «объятия» своими ложноножками. Перед нами предстала во всей красе драма взаимоотношения хищника и жертвы, причем, не менее трепетная, чем если бы это были, к примеру, лев и антилопа. Амеба обхватила свою жертву и приготовилась ее съесть, но тут митохондрия человеческим голосом молвила:
— Амеба-амеба, не ешь меня, я тебе еще пригожусь (в сказках так, кажется, говорят).
— Как ты мне можешь пригодиться, кроме как в качестве еды?
— О, ты даже не догадываешься, на что я способна. Меня называют митохондрией, я умею вырабатывать и запасать энергию. Я, можно сказать, ходячая электростанция. Кроме того, мне совершенно не страшен кислород.
Наша амеба, конечно, ничего не поняла из сказанного, но, подумав, решила оставить ее жить внутри своего тела. Скорее всего, на нее подействовало магическое слово «кислород», которого в то время большинство живых существ (в том числе и амеба) боялись пуще огня (более страшного слова трудно придумать). Еду можно найти, а «митохондрия» может и сгодится в хозяйстве. В крайнем случае, ее всегда можно переварить, никуда она не денется.
«Такого не может быть, — скажете вы. — Во-первых, амеба хищник, и вряд ли будет церемониться со своей жертвой. Во-вторых, если организм попал внутрь клетки, то он обязательно должен быть переварен». Я с вами в чем-то согласен, однако ведь существуют и исключения из правил.
Что касается «проживания» живых организмов внутри чужой клетки, то таких примеров много. В живой природе широко распространено явление симбиоза, когда один организм поселяется внутри другого. При этом они оба — хозяин и квартирант — приносят друг другу пользу.
Внутри инфузорий, моллюсков, кораллов, морских червей и других животных преспокойно обитают микроскопические водоросли, которые при высокой численности порой окрашивают своих хозяев в зеленый цвет. Они обитают внутри клетки в качестве симбионтов, снабжая организм хозяина питательными веществами. В свою очередь они потребляют продукты его жизнедеятельности.
Рисунок 4. Дети, это простейшие. Посмотрите, какие они красивые!
Рисунок 5. Знаменитая инфузория-туфелька
Процесс пошел
А теперь давайте опять вернемся к нашей амебе, которая приютила в своем теле митохондрию. Последней в клетке амебы очень понравилось, и зажила она там в свое удовольствие. Митохондрия перестала думать о своем пропитании, защите от хищников и многом, с чем сталкивается в течение жизни живое существо.
Решение этих проблем взяла на себя амеба.
Какая же польза амебе от присутствия митохондрий? Оказалось — огромная, о которой она не могла и мечтать. За счет митохондрии анаэробная амеба стала аэробной: приобрела способность использовать кислород воздуха. В результате такого сожительства жизнь амебы резко изменилась. Она не только перестала бояться кислорода, он даже стал необходимым для нее. За счет этого изменился обмен веществ, она стала более полно усваивать пищу, а это положительно сказалось на ее здоровье и самочувствии. Так что митохондрия не обманула, когда говорила, что пригодится в хозяйстве.
Амеба по секрету рассказала о своем приобретении подружке, та (тоже по секрету) — своей. Вскоре эта новость разнеслась по всему заливу, где они обитали, затем — все дальше и дальше… Наверное, вряд ли кому когда-то посчастливится стать таким же знаменитым, как наша амеба. Каждое живое существо огромного океана знало имя амебы и следило за ее самочувствием. Ведь для большинства из них амеба была «подопытным кроликом».
Вскоре наиболее отважные (а может быть — бóльшие модники) начали заводить в своем «доме» (т.е. в клетке) собственных митохондрий. Желающих становилось все больше и больше. Вскоре появился дефицит митохондрий, их стало не хватать на всех. Живые существа начали гоняться за каждой митохондрией, предлагая лучшие условия жизни, чем у соседей. Вскоре в ход пошли иные существа, которые обитали в огромном океане. Одни уговорили жить с ними мельчайших клеток водорослей, другие — спирохет… В любом сообществе (или обществе, если говорить о людях) есть состоятельные особи, а есть и бедные. Соответственно, они смогли пригласить для жилья разное количество организмов. У одних такой союз быстро распадался, как и браки у людей. У других он был более длительным.
Так появились современные клетки, внутри которых обитают митохондрии.
Почему сожительство амебы и митохондрии стало таким длительным и счастливым? Это, скорее всего, связано с тем, что амеба не эксплуатировала своих квартирантов.
Митохондрии внутри клетки хозяина сохранили некоторую независимость. Они имеют собственную генетическую информацию, записанную в ДНК, сами синтезируют некоторые белки, способны размножаться делением, могут перемещаться внутри клетки хозяина [5]. При делении клетки хозяина часть митохондрий переходит в новую клетку, и они достаточно быстро восстанавливают свою численность по согласованию с хозяином. А вот существовать отдельно от клетки-хозяина они уже не могут — разучились. Сейчас почти во всех клетках современных растений, грибов и животных продолжают жить эти квартиранты, став необходимой их частью.
- Опарин А.И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. М.: «Наука», 1968;
- Бернал Дж. Возникновение жизни. М.: «Мир», 1969;
- Элементы: «Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера»;
- К вопросу о происхождении жизни;
- Кольман Я. и Рём К.Г. Наглядная биохимия.
М.: «Лаборатория знаний», 2019. — 509 с.; - Никитин М.А. (2013). Происхождение эукариот. «Химия и Жизнь». 11;
- Кунин Е.В. Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции. М.: «Центрполиграф», 2014.
М.: «Лаборатория знаний», 2019. — 509 с.;Новые достижения в биологии и патогенезе свободноживущих амеб
Крайний срок подачи тезисов 31 июля 2023 г.
Крайний срок подачи рукописи 31 октября 2023 г.
Методические рекомендации
Свободноживущие амебы (FLA) — очаровательные одноклеточные эукариоты, свободно живущие в почве и пресноводных средах обитания и питающиеся в основном бактериями. В стрессовых условиях они могут трансформироваться из подвижных, метаболически активных и репликативных трофозоитов в «спящие» и резистентные кисты. Некоторые FLA могут быть …
Свободноживущие амебы (FLA) — очаровательные одноклеточные эукариоты, свободно живущие в почве и пресноводных средах обитания и питающиеся в основном бактериями.
В стрессовых условиях они могут трансформироваться из подвижных, метаболически активных и репликативных трофозоитов в «спящие» и резистентные кисты. Некоторые FLA могут быть патогенными для человека, такие как Acanthamoeba, Balamuthia, Naegleria и Sappinia, вызывая редкую, но смертельную инфекцию у людей. Также известно, что FLA являются переносчиками патогенных микроорганизмов, но в настоящее время имеется мало информации о естественных бактериях FLA и о том, как различные бактерии избегают фагоцитоза / хищничества со стороны этих конкретных типов амеб. Настоятельно необходимо привлечь больше внимания к этой группе микроорганизмов, и для этого мы ищем материалы, которые касаются достижений в области биологии и патогенеза FLA. Целью этого сборника статей является сбор соответствующих документов, сообщающих о последних достижениях в исследованиях свободноживущих амеб, от фундаментальных до трансляционных исследований, включая новые патогенные механизмы, устойчивость к лекарствам, а также изучение факторов, влияющих на взаимодействие хозяина и микробов, включая патогенные микроорганизмы.
индуцированные микробные сигнатуры и модуляция иммунной системы хозяина.
Мы хотим публиковать последние передовые обзоры, мини-обзоры, оригинальные исследования, краткие исследовательские отчеты, мнения и комментарии от всех, кто интересуется данной областью, по любой из следующих тем:
1) Подходы Omics к пониманию биологии свободноживущих амеб
2) Патогенез и иммунология свободноживущих амеб
3) Успехи в открытии лекарств для свободноживущих амеб — фенотипические, основанные на структуре, натуральные продукты, терапевтические средства на основе наночастиц, биологические терапевтика
4) Оценка взаимодействия паразит-хозяин (взаимодействия амеба-хозяин и бактерия-амеба)
Мы также приветствуем заявки, в которых сообщается о научно обоснованных отрицательных результатах, поскольку обмен нулевыми и отрицательными результатами важен для научного прогресса.
Ключевые слова : свободноживущие амебы, непатогенные FLA, Naegleria, Balamuthia, Sappinia, Vermamoeba, Acanthamoeba, вода, почва, микробиом FLA, OMICS, лечение, амебы, биология, экология, патогенез
Важное примечание :
Все вклады в эту тему исследования должны быть в рамках раздела и журнала, в который они представлены, как это определено в их заявлениях о миссии.
Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки рассмотрения, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.
23.2A: Структура клетки, метаболизм и подвижность
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 13583
- Boundless (теперь LumenLearning)
- Boundless
Протисты представляют собой невероятно разнообразный набор эукариот разного размера, клеточной структуры, метаболизма и способов подвижности.
Цели обучения
- Описать метаболизм и строение простейших, объясняя структуры, обеспечивающие их подвижность
Ключевые моменты
- Клетки протистов могут содержать одно ядро или много ядер; они варьируются в размерах от микроскопических до тысяч метров в площади.
- Протисты могут иметь клеточные мембраны, подобные животным, клеточные стенки, подобные растениям, или могут быть покрыты пелликулой.
- Некоторые протисты являются гетеротрофами и поглощают пищу путем фагоцитоза, в то время как другие типы протистов являются фотоавтотрофами и накапливают энергию посредством фотосинтеза.
- Большинство протистов подвижны и генерируют движение с помощью ресничек, жгутиков или псевдоподий.
Ключевые термины
- аморфный : не имеющий определенной формы или четкой формы
- многоядерные : имеющие более одного ядра
- пленка : кутикула, твердый защитный внешний слой некоторых форм жизни
- таксис : движение организма в ответ на раздражитель; аналогично кинезису, но более прямое
- фагоцитоз : процесс, при котором клетка включает частицу путем удлинения псевдоподий и втягивания частицы в вакуоль цитоплазмы
- фагосома : мембраносвязанная вакуоль внутри клетки, содержащая чужеродный материал, захваченный фагоцитозом
Структура клетки
Клетки простейших — одни из самых сложных и разнообразных клеток.
Большинство протистов микроскопические и одноклеточные, но существуют и настоящие многоклеточные формы. Некоторые протисты живут как колонии, которые ведут себя в некотором роде как группа свободноживущих клеток, а в другом — как многоклеточный организм. Третьи протисты состоят из огромных, многоядерных, одиночных клеток, которые выглядят как аморфные сгустки слизи или, в других случаях, похожи на папоротники. Многие клетки протистов многоядерные; у некоторых видов ядра имеют разные размеры и играют различную роль в функционировании клеток протистов.
Размер отдельных клеток протистов варьируется от менее микрометра до тысяч квадратных метров (гигантские водоросли). Клетки протистов окружены клеточными мембранами, подобными животным, или клеточными стенками, подобными растениям. У других протистов стеклообразные оболочки на основе кремнезема или пленки из переплетенных белковых полос окружают клетки. Пелликула действует как гибкая броня, защищая протистов от внешних повреждений, не ограничивая диапазон их движений.
Метаболизм
Протисты проявляют много форм питания и могут быть аэробными или анаэробными. Протисты, запасающие энергию путем фотосинтеза, относятся к группе фотоавтотрофов и характеризуются наличием хлоропластов. Другие протисты гетеротрофны и потребляют органические материалы (например, другие организмы) для получения питания. Амебы и некоторые другие виды гетеротрофных простейших поглощают частицы в процессе, называемом фагоцитозом, при котором клеточная мембрана поглощает пищевую частицу и приносит ее внутрь, отщипывая внутриклеточный мембранный мешочек или везикулу, называемую пищевой вакуолью. Везикула, содержащая проглоченную частицу, фагосому, затем сливается с лизосомой, содержащей гидролитические ферменты, с образованием фаголизосомы, которая расщепляет пищевую частицу на небольшие молекулы, которые диффундируют в цитоплазму для использования в клеточном метаболизме. Непереваренные остатки в конечном итоге выходят из клетки путем экзоцитоза.
Рисунок \(\PageIndex{1}\): Метаболизм протистов.
Стадии фагоцитоза включают поглощение частиц пищи, переваривание частиц с помощью ферментов, содержащихся в лизосомах, и изгнание непереваренных материалов из клетки.Подвиды гетеротрофов, называемые сапробами, поглощают питательные вещества из мертвых организмов или их органических отходов. Некоторые протисты функционируют как миксотрофы, получая питание фотоавтотрофными или гетеротрофными путями, в зависимости от того, доступны ли им солнечный свет или органические питательные вещества.
Подвижность
Большинство протистов подвижны, но разные типы протистов развили разные способы передвижения. Протисты, такие как эвглена, имеют один или несколько жгутиков, которые они вращают или взмахивают для создания движения. Парамеции покрыты рядами крошечных ресничек, которыми они взмахивают, чтобы плавать в жидкостях. Другие протисты, такие как амебы, образуют цитоплазматические расширения, называемые псевдоподиями, в любом месте клетки, закрепляют псевдоподии на поверхности и тянутся вперед.