Биология 9 класс: системный курс подготовки к итоговой аттестации

Основы цитологии: химический состав, строение и энергетический обмен клетки

В теле взрослого человека около 30 триллионов клеток. Каждую секунду миллионы из них погибают, и миллионы появляются вновь. Нейрон, передающий импульс в мозге, и клетка мышечной ткани, сокращающаяся при беге, внешне совершенно не похожи. Однако на фундаментальном уровне они представляют собой идентичные химические фабрики, работающие по одним и тем же законам, использующие одни и те же «строительные материалы» и единую энергетическую валюту. Понимание того, как устроена и как обеспечивает себя энергией эта базовая единица жизни, открывает ключ к решению большинства задач общей биологии.

Химическая организация клетки: от молекул к функциям

В состав живых организмов входит более 80 химических элементов периодической таблицы, но их распределение крайне неравномерно. Почти 98% массы любой клетки составляют всего четыре элемента: кислород, углерод, водород и азот. Их называют макроэлементами. Именно они образуют основу сложных органических молекул.

Все вещества в клетке делятся на неорганические (вода и минеральные соли) и органические (белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты).

Неорганические вещества: вода как основа жизни

Вода — самое распространенное вещество в клетке (от 20% в костной ткани до 90% в клетках эмбриона). Уникальные свойства воды обусловлены строением ее молекулы: она представляет собой диполь, то есть имеет положительно заряженный полюс (атомы водорода) и отрицательно заряженный (атом кислорода).

Благодаря полярности молекулы воды образуют между собой слабые водородные связи. Это наделяет воду высокой теплоемкостью (способностью поглощать тепло без резкого изменения собственной температуры), что защищает клетку от перегрева. Кроме того, вода является универсальным растворителем для полярных веществ (гидрофильных), обеспечивая среду для протекания всех биохимических реакций.

Органические вещества: строительные блоки

> Полимер — это крупная молекула, состоящая из множества повторяющихся мелких звеньев, которые называются мономерами.

Белки — это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. В живых организмах встречается 20 видов протеиногенных аминокислот. Соединяясь друг с другом прочной пептидной связью, они образуют длинные нити.

Структура белка определяет его функцию, и она имеет несколько уровней организации:

Первичная структура — линейная последовательность аминокислот.

Вторичная структура — спираль или складчатый слой, удерживаемый водородными связями.

Трехмерная (третичная) структура — глобула (клубок), определяющая специфическую роль белка.

Четвертичная структура — объединение нескольких глобул (например, в молекуле гемоглобина, переносящей кислород).

Утрата белком своей природной структуры под воздействием температуры, кислот или излучения называется денатурацией. Жарка яичницы — пример необратимой денатурации яичного альбумина. Белки выполняют множество функций: строительную (коллаген в сухожилиях), транспортную (гемоглобин), защитную (антитела), но важнейшая из них — каталитическая. Белки-ферменты ускоряют химические реакции в клетке в миллионы раз.

Углеводы — основные источники быстрой энергии. Они делятся на моносахариды (глюкоза, фруктоза) и полисахариды (крахмал у растений, гликоген у животных, целлюлоза в клеточных стенках). При расщеплении 1 грамма углеводов выделяется 17,6 кДж энергии.

Липиды (жиры) — гидрофобные (нерастворимые в воде) вещества. Они служат долгосрочным энергетическим резервом: расщепление 1 грамма жира дает 38,9 кДж энергии — в два раза больше, чем углеводы. Кроме того, фосфолипиды формируют основу всех клеточных мембран.

Архитектура клетки: органоиды и их функции

Клетка эукариот (организмов, имеющих оформленное ядро) состоит из трех главных компонентов: плазматической мембраны, цитоплазмы и ядра. В цитоплазме располагаются специализированные структуры — органоиды.

В заданиях итоговой аттестации часто требуется классифицировать органоиды по количеству окружающих их мембран.

| Группа органоидов | Представители | Основная функция | | :--- | :--- | :--- | | Немембранные | Рибосомы<br>Клеточный центр | Биосинтез белка<br>Участие в делении клетки | | Одномембранные | Эндоплазматическая сеть (ЭПС)<br>Аппарат Гольджи<br>Лизосомы | Транспорт и синтез веществ<br>Модификация и упаковка веществ<br>Внутриклеточное пищеварение | | Двумембранные | Митохондрии<br>Пластиды (хлоропласты)<br>Ядро | Синтез АТФ (энергетические станции)<br>Фотосинтез (у растений)<br>Хранение и передача генетической информации |

!Строение эукариотической клетки

Плазматическая мембрана обладает избирательной проницаемостью. Она состоит из двойного слоя фосфолипидов, в который погружены молекулы белков. Мембрана контролирует, какие вещества поступают в клетку, а какие выводятся из нее.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) пронизывает всю цитоплазму. Она бывает шероховатой (на ней сидят рибосомы, здесь синтезируются белки) и гладкой (синтез липидов и углеводов). Синтезированные вещества по каналам ЭПС отправляются в аппарат Гольджи — систему уплощенных цистерн, где молекулы дозревают, упаковываются в мембранные пузырьки и отправляются к месту назначения.

Лизосомы — это пузырьки с пищеварительными ферментами. Они отщепляются от аппарата Гольджи и выполняют роль «желудка» клетки, переваривая питательные вещества или уничтожая отработавшие органоиды.

Особое внимание на схемах следует уделять митохондриям. Это двумембранные органоиды, наружная мембрана которых гладкая, а внутренняя образует многочисленные складки — кристы. На кристах расположены ферменты, участвующие в клеточном дыхании.

Как анализировать черно-белые схемы в заданиях

На экзаменах схемы клеток лишены цвета, поэтому органоиды нужно узнавать по их форме:

Если вы видите овал с волнистой линией внутри — это митохондрия (волнистая линия обозначает кристы).

Если структура похожа на стопку плоских блинов, от краев которых отрываются круглые капли — это аппарат Гольджи.

Если это сеть канальцев вокруг ядра, усыпанная черными точками — это шероховатая ЭПС.

Энергетический обмен: как клетка получает энергию

Все химические реакции в клетке объединяются понятием метаболизм. Он состоит из двух противоположных процессов:

Пластический обмен (ассимиляция) — синтез сложных веществ из простых с затратой энергии (например, синтез белка на рибосомах).

Энергетический обмен (диссимиляция) — расщепление сложных веществ до простых с выделением энергии.

Главная цель энергетического обмена — синтез молекул АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).

> АТФ — это универсальный источник энергии для всех биохимических процессов. Молекула содержит три остатка фосфорной кислоты, соединенные особыми макроэргическими связями. При разрыве одной такой связи выделяется около 40 кДж энергии, что в несколько раз больше, чем при разрыве обычных химических связей.

Процесс расщепления глюкозы для получения АТФ у аэробных организмов (дышащих кислородом) проходит в три строгих этапа.

!Этапы энергетического обмена

Этап 1: Подготовительный

Крупные молекулы распадаются на мономеры. Крахмал или гликоген расщепляются до глюкозы, белки — до аминокислот.

Где происходит: в пищеварительном тракте многоклеточных животных или в лизосомах самой клетки.

Энергетический выход: вся выделяющаяся энергия рассеивается в виде тепла. Синтезируется молекул АТФ.

Этап 2: Бескислородный (гликолиз)

Глюкоза проникает в клетку и подвергается ферментативному расщеплению без участия кислорода. Шестиуглеродная молекула глюкозы () разрывается пополам, образуя две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (ПВК).

Где происходит: в цитоплазме клетки.

Энергетический выход: энергии хватает на синтез молекул АТФ.

Для анаэробных организмов (некоторых бактерий, дрожжей) и для мышц при острой нехватке кислорода этот этап является конечным. У дрожжей ПВК превращается в этиловый спирт (спиртовое брожение), а в уставших мышцах человека — в молочную кислоту (молочнокислое брожение), что вызывает боль после тренировок.

Этап 3: Кислородный (клеточное дыхание)

Если в клетке есть кислород, молекулы ПВК перемещаются в митохондрии. Там на кристах происходит сложный цикл реакций, в результате которого ПВК полностью окисляется до углекислого газа () и воды ().

Где происходит: в митохондриях.

Энергетический выход: выделяется огромное количество энергии, которой хватает на синтез молекул АТФ.

Суммарное уравнение полного окисления одной молекулы глюкозы выглядит так:

В результате всех трех этапов из одной молекулы глюкозы клетка получает молекул АТФ. Это высокоэффективный процесс, позволяющий извлекать максимум полезной энергии из химических связей пищи.

Жизнедеятельность клетки — это непрерывный цикл. Органические вещества расщепляются в цитоплазме и митохондриях, высвобождая энергию и запасая ее в виде АТФ. Затем эта АТФ расходуется немембранными и одномембранными органоидами для построения новых белков, липидов и углеводов, необходимых для роста, обновления и деления клетки. Понимание этой связи между клеточными структурами и обменом веществ позволяет не просто заучивать функции органоидов, а видеть клетку как единый, логично выстроенный механизм.