Hücrenin çevreyle etkileşimi. Organizma ve çevre arasındaki ilişki Bitkilerde ve hayvanlarda germ hücrelerinin gelişimi

Sizi malzemeleri ve malzemeleri tanımaya davet ediyoruz.

: selüloz zarı, zar, organelli sitoplazma, çekirdek, hücre özsuyuyla birlikte vakuoller.

Plastidlerin varlığı bir bitki hücresinin ana özelliğidir.

Hücre zarının fonksiyonları- Hücrenin şeklini belirler, çevresel etkenlere karşı korur.

Hücre zarı- Etkileşimli lipit ve protein moleküllerinden oluşan ince bir film, iç içerikleri dış ortamdan ayırır, suyun, minerallerin ve organik maddelerin ozmoz ve aktif taşıma yoluyla hücreye taşınmasını sağlar ve ayrıca atık ürünleri de uzaklaştırır.

sitoplazma- Çekirdeğin ve organellerin bulunduğu hücrenin iç yarı sıvı ortamı, aralarındaki bağlantıları sağlar ve temel yaşam süreçlerine katılır.

Endoplazmik retikulum- sitoplazmada dallanan kanallardan oluşan bir ağ. Proteinlerin, lipitlerin ve karbonhidratların sentezinde ve maddelerin taşınmasında rol oynar. Ribozomlar, ER üzerinde veya sitoplazmada bulunan, RNA ve proteinden oluşan ve protein sentezinde rol oynayan organlardır. EPS ve ribozomlar, proteinlerin sentezi ve taşınması için tek bir aparattır.

Mitokondri- sitoplazmadan iki zarla ayrılan organeller. İçlerinde organik maddeler oksitlenir ve enzimlerin katılımıyla ATP molekülleri sentezlenir. Cristae nedeniyle enzimlerin bulunduğu iç zar yüzeyinde artış. ATP enerji açısından zengin bir organik maddedir.

Plastidler(kloroplastlar, lökoplastlar, kromoplastlar), hücredeki içerikleri bitki organizmasının temel özelliğidir. Kloroplastlar, ışık enerjisini emen ve bunu karbondioksit ve sudan organik maddeler sentezlemek için kullanan yeşil pigment klorofili içeren plastidlerdir. Kloroplastlar sitoplazmadan iki zarla ayrılır, çok sayıda büyüme - klorofil moleküllerinin ve enzimlerin bulunduğu iç zardaki grana.

Golgi kompleksi- sitoplazmadan bir zarla ayrılan bir boşluk sistemi. İçlerinde protein, yağ ve karbonhidrat birikmesi. Membranlarda yağ ve karbonhidrat sentezinin gerçekleştirilmesi.

Lizozomlar- sitoplazmadan tek bir zarla ayrılan cisimler. İçerdikleri enzimler, karmaşık moleküllerin basit moleküllere parçalanmasını hızlandırır: proteinler amino asitlere, karmaşık karbonhidratlar basit olanlara, lipitler gliserol ve yağ asitlerine dönüşür ve ayrıca hücrenin ölü kısımlarını ve tüm hücreleri yok eder.

Kofullar- yedek besinlerin ve zararlı maddelerin biriktiği yer olan hücre özüyle dolu sitoplazmadaki boşluklar; hücredeki su içeriğini düzenlerler.

Çekirdek- hücrenin, dış tarafı iki zarlı, gözenekli bir nükleer zarfla kaplanmış ana kısmı. Maddeler çekirdeğe girer ve gözenekler yoluyla oradan uzaklaştırılır. Kromozomlar, her biri proteinlerle birleştirilmiş bir DNA molekülünden oluşan çekirdeğin ana yapıları olan bir organizmanın özellikleri hakkında kalıtsal bilgilerin taşıyıcılarıdır. Çekirdek DNA, mRNA ve r-RNA sentezinin yapıldığı yerdir.

Bir dış zarın, organellerin bulunduğu sitoplazmanın ve kromozomlu bir çekirdeğin varlığı.

Dış veya plazma zarı- Hücrenin içeriğini ortamdan (diğer hücreler, hücreler arası madde) sınırlandırır, lipid ve protein moleküllerinden oluşur, hücreler arası iletişimi, maddelerin hücre içine (pinositoz, fagositoz) ve hücre dışına taşınmasını sağlar.

sitoplazma- Çekirdek ile içinde bulunan organeller arasındaki iletişimi sağlayan hücrenin iç yarı sıvı ortamı. Ana yaşam süreçleri sitoplazmada gerçekleşir.

Hücre organelleri:

1) endoplazmik retikulum (ER)- hücre içindeki maddelerin taşınmasında proteinlerin, lipitlerin ve karbonhidratların sentezine katılan bir dallanma tübül sistemi;

2) ribozomlar- rRNA içeren cisimler ER'de ve sitoplazmada bulunur ve protein sentezine katılır. EPS ve ribozomlar, protein sentezi ve taşınması için tek bir aparattır;

3) mitokondri- Sitoplazmadan iki zarla ayrılan hücrenin “güç istasyonları”. İç kısım, yüzeyini artırarak cristae (kıvrımlar) oluşturur. Cristae üzerindeki enzimler, organik maddelerin oksidasyonunu ve enerji açısından zengin ATP moleküllerinin sentezini hızlandırır;

4) Golgi kompleksi- hayati süreçlerde kullanılan veya hücreden uzaklaştırılan proteinler, yağlar ve karbonhidratlarla dolu, sitoplazmadan bir zarla sınırlandırılmış bir grup boşluk. Kompleksin zarları yağların ve karbonhidratların sentezini gerçekleştirir;

5) lizozomlar- Enzimlerle dolu gövdeler, proteinlerin amino asitlere, lipitlerin gliserol ve yağ asitlerine, polisakkaritlerin monosakkaritlere parçalanmasını hızlandırır. Lizozomlarda hücrenin ölü kısımları, yani tüm hücreler yok edilir.

Hücresel kapanımlar- yedek besin birikimleri: proteinler, yağlar ve karbonhidratlar.

Çekirdek- hücrenin en önemli kısmı. Bazı maddelerin çekirdeğe nüfuz ettiği ve diğerlerinin sitoplazmaya girdiği gözenekli çift membranlı bir kabukla kaplıdır. Kromozomlar, organizmanın özellikleri hakkında kalıtsal bilgilerin taşıyıcıları olan çekirdeğin ana yapılarıdır. Ana hücrenin bölünmesi sırasında yavru hücrelere ve germ hücreleriyle birlikte yavru organizmalara aktarılır. Çekirdek DNA, mRNA ve rRNA sentezinin yapıldığı yerdir.

Egzersiz yapmak:

Organellere neden özel hücre yapıları denildiğini açıklayın?

Cevap: organellere özel hücre yapıları denir, çünkü kesin olarak tanımlanmış işlevleri yerine getirirler, kalıtsal bilgiler çekirdekte depolanır, ATP mitokondride sentezlenir, fotosentez kloroplastlarda meydana gelir, vb.

Sitoloji ile ilgili sorularınız varsa iletişime geçebilirsiniz.

Biyolojide Birleşik Devlet Sınavından 5. görev teorisi

Hücre yapısı. Hücrenin parça ve organellerinin yapı ve işlevleri arasındaki ilişki, hücre bütünlüğünün temelidir.

Hücre yapısı

Prokaryotik ve ökaryotik hücrelerin yapısı

Hücrelerin ana yapısal bileşenleri plazma zarı, sitoplazma ve kalıtsal aparattır. Organizasyonun özelliklerine bağlı olarak iki ana hücre türü ayırt edilir: prokaryotik ve ökaryotik. Prokaryotik hücreler ile ökaryotik hücreler arasındaki temel fark, kalıtsal aparatlarının organizasyonudur: prokaryotlarda doğrudan sitoplazmada bulunur (sitoplazmanın bu alanına denir) nükleoid) ve ondan zar yapılarıyla ayrılmazken, ökaryotlarda DNA'nın çoğu, çift zarla çevrelenmiş çekirdekte yoğunlaşmıştır. Ayrıca nükleoidde yer alan prokaryotik hücrelerin genetik bilgisi dairesel bir DNA molekülünde yazılıyken ökaryotlarda DNA molekülleri açıktır.

Ökaryotlardan farklı olarak prokaryotik hücrelerin sitoplazması az sayıda organel içerirken ökaryotik hücreler bu yapıların önemli bir çeşitliliği ile karakterize edilir.

Biyolojik membranların yapısı ve fonksiyonları

Biyomembranın yapısı.Ökaryotik hücrelerin hücreyi sınırlayan zarları ve zar organelleri ortak bir kimyasal bileşime ve yapıya sahiptir. Bunlar lipitleri, proteinleri ve karbonhidratları içerir. Membran lipitleri esas olarak fosfolipidler ve kolesterol ile temsil edilir. Membran proteinlerinin çoğu glikoproteinler gibi karmaşık proteinlerdir. Karbonhidratlar membranda bağımsız olarak oluşmazlar; proteinler ve lipitlerle ilişkilidirler. Membranların kalınlığı 7-10 nm'dir.

Membran yapısının şu anda genel olarak kabul edilen akışkan mozaik modeline göre, lipitler çift katman oluşturur veya lipit iki tabakalı Lipid moleküllerinin hidrofilik "başları" dışarıya doğru bakar ve hidrofobik "kuyruklar" zarın içinde gizlenir. Bu "kuyruklar" hidrofobikliklerinden dolayı hücrenin iç ortamı ile çevresinin sulu fazlarının ayrılmasını sağlar. Proteinler, çeşitli etkileşim türleri yoluyla lipitlerle ilişkilendirilir. Bazı proteinler zarın yüzeyinde bulunur. Bu tür proteinlere denir Çevresel, veya yüzeysel. Diğer proteinler kısmen veya tamamen membrana daldırılmıştır; bunlar integral, veya batık proteinler. Membran proteinleri yapısal, taşıma, katalitik, reseptör ve diğer işlevleri yerine getirir.

Membranlar kristaller gibi değildir; bileşenleri sürekli hareket halindedir, bunun sonucunda lipit molekülleri arasında boşluklar ortaya çıkar - çeşitli maddelerin hücreye girip çıkabileceği gözenekler.

Biyolojik membranlar hücre içindeki konumlarına, kimyasal bileşimlerine ve işlevlerine göre farklılık gösterir. Ana membran türleri plazma ve içtir. Hücre zarı Yaklaşık %45 lipit (glikolipitler dahil), %50 protein ve %5 karbonhidrat içerir. Karmaşık proteinlerin-glikoproteinlerin ve karmaşık lipitlerin-glikolipitlerin bir parçası olan karbonhidrat zincirleri, membran yüzeyinin üzerine çıkıntı yapar. Plazmalemma glikoproteinleri son derece spesifiktir. Örneğin sperm ve yumurta dahil hücrelerin karşılıklı tanınması için kullanılırlar.

Hayvan hücrelerinin yüzeyinde karbonhidrat zincirleri ince bir yüzey tabakası oluşturur. glikokaliks. Hemen hemen tüm hayvan hücrelerinde tespit edilir, ancak ekspresyon derecesi değişiklik gösterir (10-50 µm). Glikokaliks, hücre ile hücre dışı sindirimin gerçekleştiği dış ortam arasında doğrudan iletişimi sağlar; Reseptörler glikokalikste bulunur. Plazmalemmaya ek olarak bakteri, bitki ve mantar hücreleri de hücre zarlarıyla çevrilidir.

İç membranlarÖkaryotik hücreler, hücrenin farklı kısımlarını sınırlandırarak tuhaf "bölmeler" oluştururlar - bölmelerçeşitli metabolik ve enerji süreçlerinin ayrılmasını teşvik eder. Kimyasal bileşimleri ve işlevleri farklı olabilir ancak genel yapısal planları aynı kalır.

Membran fonksiyonları:

1. Sınırlayıcı. Buradaki fikir, hücrenin iç alanını dış ortamdan ayırmalarıdır. Membran yarı geçirgendir, yani yalnızca hücrenin ihtiyaç duyduğu maddeler içinden serbestçe geçebilir ve gerekli maddelerin taşınması için mekanizmalar vardır.
2. Reseptör.Öncelikle çevresel sinyallerin algılanması ve bu bilgilerin hücreye aktarılmasıyla ilişkilidir. Bu fonksiyondan özel reseptör proteinleri sorumludur. Membran proteinleri aynı zamanda “dost ya da düşman” prensibine göre hücresel tanımanın yanı sıra, en çok çalışılanları sinir hücrelerinin sinapsları olan hücreler arası bağlantıların oluşumundan da sorumludur.
3. Katalitik. Membranların üzerinde çok sayıda enzim kompleksi bulunur ve bunun sonucunda üzerlerinde yoğun sentetik işlemler meydana gelir.
4. Enerji dönüşümü. Enerjinin oluşumu, ATP şeklinde depolanması ve tüketimi ile ilişkilidir.
5. Bölümlendirme. Membranlar ayrıca hücre içindeki boşluğu da sınırlandırarak reaksiyonun başlangıç ​​maddelerini ve ilgili reaksiyonları gerçekleştirebilecek enzimleri ayırır.
6. Hücreler arası temasların oluşumu. Membranın kalınlığı çıplak gözle fark edilemeyecek kadar küçük olmasına rağmen, bir yandan iyonlar ve moleküller, özellikle suda çözünenler için oldukça güvenilir bir bariyer görevi görürken, diğer yandan da iyonlar ve moleküller için oldukça güvenilir bir bariyer görevi görür. hücre içine ve dışına taşınmasını sağlar.
7. Ulaşım.

Zar taşınımı. Temel biyolojik sistemler olarak hücrelerin açık sistemler olması nedeniyle, metabolizmayı ve enerjiyi sağlamak, homeostazı, büyümeyi, sinirliliği ve diğer süreçleri sürdürmek için, maddelerin zar yoluyla transferi - zar taşınması - gereklidir. Şu anda, maddelerin hücre zarı boyunca taşınması aktif, pasif, endo ve ekzositoza bölünmüştür.

Pasif ulaşım- Yüksek konsantrasyonlardan düşük konsantrasyonlara doğru enerji tüketimi olmadan gerçekleşen bir taşıma türüdür. Lipidde çözünebilen küçük polar olmayan moleküller (O 2, CO 2) hücreye kolayca nüfuz eder. Basit difüzyon. Yüklü küçük parçacıklar da dahil olmak üzere lipitlerde çözünmeyenler, taşıyıcı proteinler tarafından alınır veya özel kanallardan (glikoz, amino asitler, K +, PO 4 3-) geçer. Bu tür pasif taşımaya denir Kolaylaştırılmış difüzyon. Su, hücreye lipit fazındaki gözeneklerden ve ayrıca proteinlerle kaplı özel kanallardan girer. Suyun zardan taşınmasına denir Osmoz yoluyla.

Osmoz bir hücrenin yaşamında son derece önemlidir, çünkü hücre çözeltisinden daha yüksek tuz konsantrasyonuna sahip bir çözeltiye yerleştirilirse su hücreyi terk etmeye başlayacak ve canlı içeriğin hacmi azalmaya başlayacaktır. Hayvan hücrelerinde hücre bir bütün olarak küçülür ve bitki hücrelerinde sitoplazma hücre duvarının gerisinde kalır. plazmoliz. Bir hücre sitoplazmadan daha az konsantre bir çözeltiye yerleştirildiğinde, suyun hücre içine taşınması ters yönde gerçekleşir. Ancak sitoplazmik zarın uzayabilirliğinin bir sınırı vardır ve hayvan hücresi sonunda yırtılır, bitki hücresi ise güçlü hücre duvarı nedeniyle buna izin vermez. Bir hücrenin tüm iç boşluğunun hücresel içerikle doldurulması olayına denir. deplazmoliz. İlaçları hazırlarken, özellikle intravenöz uygulama için hücre içi tuz konsantrasyonu dikkate alınmalıdır, çünkü bu, kan hücrelerine zarar verebilir (bunun için% 0,9 sodyum klorür konsantrasyonuna sahip salin çözeltisi kullanılır). Bu, hücre ve dokuların yanı sıra hayvan ve bitki organlarının yetiştirilmesinde de daha az önemli değildir.

Aktif taşımacılık ATP enerjisinin daha düşük bir madde konsantrasyonundan daha yüksek bir madde konsantrasyonuna harcanması ile ilerler. Özel pompa proteinleri kullanılarak gerçekleştirilir. Proteinler K + , Na + , Ca 2+ ve diğer iyonları zardan pompalar, bu da temel organik maddelerin taşınmasını ve ayrıca sinir uyarılarının ortaya çıkmasını vb. teşvik eder.

Endositoz- bu, zarın girintiler oluşturduğu ve daha sonra zar kesecikleri oluşturduğu, maddelerin hücre tarafından emilmesinin aktif bir sürecidir - fagozomlar emilen nesneleri içeren. Daha sonra birincil lizozom fagozomla birleşerek oluşur. ikincil lizozom, veya fagolizozom, veya sindirim kofulu. Keseciğin içeriği lizozom enzimleri tarafından sindirilir ve parçalanma ürünleri hücre tarafından emilir ve asimile edilir. Sindirilmeyen kalıntılar ekzositozla hücreden uzaklaştırılır. İki ana endositoz türü vardır: fagositoz ve pinositoz.

Fagositoz katı parçacıkların hücre yüzeyi tarafından yakalanması ve hücre tarafından emilmesi işlemidir ve pinositoz- sıvılar. Fagositoz esas olarak hayvan hücrelerinde (tek hücreli hayvanlar, insan lökositleri) meydana gelir, onların beslenmesini sağlar ve sıklıkla vücudu korur. Pinositoz yoluyla proteinler, antijen-antikor kompleksleri bağışıklık reaksiyonları vb. sırasında emilir. Ancak birçok virüs de hücreye pinositoz veya fagositoz yoluyla girer. Bitki ve mantar hücrelerinde fagositoz, dayanıklı hücre zarlarıyla çevrili oldukları için pratik olarak imkansızdır.

Ekzositoz- endositozun tersi bir süreç. Bu sayede sindirim boşluklarından sindirilmemiş besin kalıntıları salınır, hücrenin ve bir bütün olarak vücudun yaşamı için gerekli olan maddeler uzaklaştırılır. Örneğin, sinir uyarılarının iletimi, uyarıyı gönderen nöron tarafından kimyasal habercilerin salınması nedeniyle meydana gelir - arabulucular ve bitki hücrelerinde hücre zarının yardımcı karbonhidratları bu şekilde salgılanır.

Bitki hücrelerinin, mantarların ve bakterilerin hücre duvarları. Hücre, zarın dışında güçlü bir çerçeve salgılayabilir. hücre zarı, veya hücre çeperi.

Bitkilerde hücre duvarının temeli selüloz 50-100 moleküllük paketler halinde paketlenmiştir. Aralarındaki boşluklar su ve diğer karbonhidratlarla doludur. Bitki hücre duvarına tübüller nüfuz eder - plazmodezmata Endoplazmik retikulumun zarlarının geçtiği yer. Plasmodesmata, maddelerin hücreler arasında taşınmasını gerçekleştirir. Ancak su gibi maddelerin taşınması hücre duvarları boyunca da gerçekleşebilir. Zamanla, tanenler veya yağ benzeri maddeler de dahil olmak üzere çeşitli maddeler, bitkilerin hücre duvarında birikerek, hücre duvarının kendisinin odunlaşmasına veya suberizasyonuna, suyun yer değiştirmesine ve hücresel içeriklerin ölümüne yol açar. Komşu bitki hücrelerinin hücre duvarları arasında, onları bir arada tutan ve bitki gövdesini bir bütün olarak yapıştıran orta plakalar olan jöle benzeri ara parçalar vardır. Sadece meyve olgunlaşması sürecinde ve yapraklar düştüğünde yok edilirler.

Mantar hücrelerinin hücre duvarları oluşur kitin- nitrojen içeren bir karbonhidrat. Oldukça güçlüdürler ve hücrenin dış iskeletini oluştururlar, ancak yine de bitkilerde olduğu gibi fagositozu önlerler.

Bakterilerde hücre duvarı, peptit parçalarına sahip karbonhidratlar içerir. mürein ancak içeriği farklı bakteri grupları arasında önemli ölçüde farklılık gösterir. Diğer polisakkaritler de hücre duvarının üstüne salgılanarak bakterileri dış etkenlerden koruyan bir mukoza kapsülü oluşturabilir.

Membran hücrenin şeklini belirler, mekanik bir destek görevi görür, koruyucu bir işlev görür, hücrenin ozmotik özelliklerini sağlar, canlı içeriğin gerilmesini sınırlandırır ve suyun girmesi nedeniyle artan hücrenin yırtılmasını önler. . Ayrıca su ve içinde çözünen maddeler, sitoplazmaya girmeden önce veya tam tersine ayrılırken hücre duvarının üstesinden gelirken, su hücre duvarlarından sitoplazmaya göre daha hızlı taşınır.

sitoplazma

sitoplazma- Bu hücrenin iç içeriğidir. Tüm hücre organelleri, çekirdek ve çeşitli atık ürünler içine batırılır.

Sitoplazma, hücrenin tüm kısımlarını birbirine bağlar ve burada çok sayıda metabolik reaksiyon gerçekleşir. Sitoplazma ortamdan ayrılarak zarlarla bölmelere ayrılır, yani hücreler zar yapısına sahiptir. Sol ve jel olmak üzere iki durumda olabilir. Sol- bu, hayati süreçlerin en yoğun şekilde ilerlediği sitoplazmanın yarı sıvı, jöle benzeri bir halidir ve jel- kimyasal reaksiyonların oluşmasını ve maddelerin taşınmasını engelleyen daha yoğun, jelatinimsi bir durum.

Sitoplazmanın organel içermeyen sıvı kısmına ne ad verilir? hyaloplazma. Hyaloplazma veya sitozol, su moleküllerinin dipolleriyle çevrelenmiş proteinler gibi oldukça büyük parçacıkların bir tür süspansiyonunun bulunduğu kolloidal bir çözeltidir. Aynı yüke sahip olmaları ve birbirlerini itmeleri nedeniyle bu süspansiyonun çökelmesi meydana gelmez.

Organoidler

Organoidler- Bunlar hücrenin belirli işlevleri yerine getiren kalıcı bileşenleridir.

Yapısal özelliklerine göre membranlı ve membransız olarak ikiye ayrılırlar. Zar organeller ise tek membranlı (endoplazmik retikulum, Golgi kompleksi ve lizozomlar) veya çift membranlı (mitokondri, plastidler ve çekirdek) olarak sınıflandırılır. Membran olmayan Organeller ribozomlar, mikrotübüller, mikrofilamentler ve hücre merkezidir. Listelenen organellerden yalnızca ribozomlar prokaryotlarda doğaldır.

Çekirdeğin yapısı ve fonksiyonları. Çekirdek- Hücrenin merkezinde veya çevresinde bulunan büyük çift membranlı bir organel. Çekirdeğin boyutları 3-35 mikron arasında değişebilir. Çekirdeğin şekli çoğunlukla küresel veya elipsoidaldir, ancak çubuk şeklinde, fusiform, fasulye şeklinde, loblu ve hatta parçalı çekirdekler de vardır. Bazı araştırmacılar çekirdeğin şeklinin hücrenin şekline karşılık geldiğine inanıyor.

Çoğu hücrenin bir çekirdeği vardır, ancak örneğin karaciğer ve kalp hücrelerinde iki tane olabilir ve bir dizi nöronda - 15'e kadar. İskelet kası lifleri genellikle çok sayıda çekirdek içerir, ancak bunlar hücre değildir. Kelimenin tam anlamıyla, birkaç hücrenin kaynaşması sonucu oluştukları için.

Çekirdek kuşatılmış nükleer zarf ve iç alanı doludur nükleer meyve suyu, veya nükleoplazma (karyoplazma) içine daldırıldıkları kromatin Ve çekirdekçik. Çekirdek, kalıtsal bilgilerin depolanması ve iletilmesinin yanı sıra hücrenin ömrünün kontrol edilmesi gibi önemli işlevleri yerine getirir.

Çekirdeğin kalıtsal bilginin aktarımındaki rolü, yeşil alg Acetabularia ile yapılan deneylerde ikna edici bir şekilde kanıtlanmıştır. 5 cm uzunluğa ulaşan tek bir dev hücrede bir başlık, bir sap ve bir rizoid ayırt edilir. Ayrıca rizoidde yer alan tek bir çekirdek içerir. 1930'lu yıllarda I. Hemmerling, asetabularia'nın bir türünün yeşil renkli çekirdeğini, çekirdeği çıkarılmış başka bir türün kahverengi renkli rizoidine nakletti. Bir süre sonra, nakledilen çekirdeğin bulunduğu bitki, çekirdek donör algleri gibi yeni bir başlık oluşturdu. Aynı zamanda rizoidden ayrılan ve çekirdek içermeyen başlık veya sap bir süre sonra öldü.

Nükleer zarf aralarında boşluk bulunan dış ve iç olmak üzere iki zardan oluşur. Zarlar arası boşluk, kaba endoplazmik retikulumun boşluğu ile iletişim kurar ve çekirdeğin dış zarı ribozomları taşıyabilir. Nükleer zarf, özel proteinlerle kaplı çok sayıda gözenekle doludur. Maddelerin taşınması gözenekler yoluyla gerçekleşir: gerekli proteinler (enzimler dahil), iyonlar, nükleotidler ve diğer maddeler çekirdeğe girer ve RNA molekülleri, harcanan proteinler ve ribozomların alt birimleri onu terk eder. Dolayısıyla nükleer zarfın işlevleri, çekirdeğin içeriğinin sitoplazmadan ayrılmasının yanı sıra çekirdek ile sitoplazma arasındaki metabolizmanın düzenlenmesidir.

Nükleoplazma Kromatin ve nükleolusun daldırıldığı çekirdeğin içeriği denir. Kimyasal olarak sitoplazmayı anımsatan kolloidal bir çözeltidir. Nükleoplazmanın enzimleri amino asitlerin, nükleotidlerin, proteinlerin vb. değişimini katalize eder. Nükleoplazma, nükleer gözenekler yoluyla hiyaloplazmaya bağlanır. Nükleoplazmanın işlevleri, hyaloplazma gibi, çekirdeğin tüm yapısal bileşenlerinin birbirine bağlanmasını sağlamak ve bir takım enzimatik reaksiyonları gerçekleştirmektir.

Kromatin nükleoplazmaya daldırılmış ince filamentler ve granüller topluluğu denir. Kromatin ve nükleoplazmanın kırılma indeksleri yaklaşık olarak aynı olduğundan, yalnızca boyama ile tespit edilebilir. Kromatinin filamentli bileşenine denir ökromatin ve ayrıntılı - heterokromatin. Eukromatin, kalıtsal bilgiler okunduğu için zayıf bir şekilde sıkıştırılırken, daha fazla spiralleşmiş heterokromatin genetik olarak aktif değildir.

Kromatin, bölünmeyen bir çekirdekteki kromozomların yapısal bir modifikasyonudur. Böylece kromozomlar çekirdekte sürekli olarak bulunur, yalnızca çekirdeğin o anda gerçekleştirdiği işleve bağlı olarak durumları değişir.

Kromatinin bileşimi esas olarak nükleoprotein proteinlerini (deoksiribonükleoproteinler ve ribonükleoproteinler) ve ayrıca en önemlileri nükleik asitlerin senteziyle ilişkili olan enzimleri ve diğer bazı maddeleri içerir.

Kromatinin işlevleri, ilk olarak, belirli proteinlerin sentezini yönlendiren belirli bir organizmaya özgü nükleik asitlerin sentezinden ve ikinci olarak, kalıtsal özelliklerin ana hücreden yavru hücrelere aktarılmasından oluşur. Bölünme işlemi sırasında kromatin iplikleri kromozomlara paketlenir.

Çekirdekçik- 1-3 mikron çapında, mikroskop altında açıkça görülebilen küresel bir gövde. RRNA'nın ve ribozomal proteinlerin yapısı hakkındaki bilgilerin kodlandığı kromatin bölümleri üzerinde oluşur. Çekirdekte genellikle yalnızca bir nükleol bulunur, ancak yoğun yaşamsal süreçlerin meydana geldiği hücrelerde iki veya daha fazla nükleol bulunabilir. Nükleollerin işlevleri, rRNA'nın sentezi ve rRNA'nın sitoplazmadan gelen proteinlerle birleştirilmesiyle ribozomal alt birimlerin bir araya getirilmesidir.

Mitokondri- yuvarlak, oval veya çubuk şeklinde çift membranlı organeller, ancak spiral şekilli olanlar da bulunur (spermde). Mitokondrinin çapı 1 µm'ye kadar, uzunluğu ise 7 µm'ye kadardır. Mitokondrinin içindeki boşluk matrisle doludur. Matris- Bu mitokondrinin ana maddesidir. İçerisine dairesel bir DNA molekülü ve ribozomlar batırılır. Mitokondrinin dış zarı pürüzsüzdür ve birçok maddeye karşı geçirimsizdir. İç zarın çıkıntıları vardır - Kristalar kimyasal reaksiyonların meydana gelmesi için membranların yüzey alanının arttırılması. Membranın yüzeyinde solunum zinciri olarak adlandırılan çok sayıda protein kompleksinin yanı sıra mantar şeklindeki ATP sentetaz enzimleri bulunur. Solunumun aerobik aşaması, ATP'nin sentezlendiği mitokondride meydana gelir.

Plastidler- yalnızca bitki hücrelerinin karakteristik özelliği olan büyük çift membranlı organeller. Plastidlerin iç boşluğu doludur stroma, veya matris. Stroma az çok gelişmiş bir membran vezikül sistemi içerir - tilakoidler yığınlar halinde toplananlar - taneler kendi dairesel DNA molekülü ve ribozomlarının yanı sıra. Dört ana plastid türü vardır: kloroplastlar, kromoplastlar, lökoplastlar ve proplastitler.

Kloroplastlar- bunlar mikroskop altında açıkça görülebilen, 3-10 mikron çapında yeşil plastitlerdir. Bitkilerin yalnızca yeşil kısımlarında (yapraklar, genç gövdeler, çiçekler ve meyveler) bulunurlar. Kloroplastlar genellikle oval veya elips şeklindedir, ancak aynı zamanda fincan şeklinde, spiral şeklinde veya hatta loblu da olabilirler. Bir hücredeki kloroplast sayısı ortalama 10 ila 100 adet arasındadır. Bununla birlikte, örneğin bazı alglerde önemli boyutlara ve karmaşık bir şekle sahip olabilir - o zaman buna denir kromatofor. Diğer durumlarda kloroplastların sayısı birkaç yüze ulaşabilirken boyutları küçüktür. Kloroplastların rengi fotosentezin ana pigmentinden kaynaklanmaktadır. klorofil, ayrıca ilave pigmentler içermelerine rağmen - karotenoidler. Karotenoidler ancak sonbaharda, yaşlanan yapraklardaki klorofil parçalandığında fark edilir hale gelir. Kloroplastların ana işlevi fotosentezdir. Fotosentezin ışık reaksiyonları, üzerine klorofil moleküllerinin bağlı olduğu tilakoid membranlarda meydana gelir ve çok sayıda enzimin bulunduğu stromada karanlık reaksiyonlar meydana gelir.

Kromoplastlar- Bunlar karotenoid pigmentler içeren sarı, turuncu ve kırmızı plastitlerdir. Kromoplastların şekli de önemli ölçüde değişebilir: boru şeklinde, küresel, kristal vb. olabilirler. Kromoplastlar bitkilerin çiçeklerine ve meyvelerine renk verir, tozlaştırıcıları ve tohum ve meyve dağıtıcılarını çeker.

Lökoplastlar- Bunlar beyaz veya renksiz plastidlerdir, çoğunlukla yuvarlak veya oval şekillidir. Bitkilerin fotosentetik olmayan kısımlarında, örneğin yaprakların kabuğunda, patates yumrularında vb. yaygındırlar. Besinleri depolarlar, çoğunlukla nişasta, ancak bazı bitkilerde protein veya yağ da olabilir.

Plastitler, bitki hücrelerinde, eğitim dokusu hücrelerinde zaten mevcut olan ve küçük çift membranlı gövdeler olan proplastidlerden oluşur. Gelişimin ilk aşamalarında, farklı plastid türleri birbirine dönüşme yeteneğine sahiptir: ışığa maruz kaldığında patates yumrusunun lökoplastları ve havuç kökünün kromoplastları yeşile döner.

Plastidler ve mitokondriler, kendilerine ait DNA moleküllerine ve ribozomlara sahip oldukları, protein sentezini gerçekleştirdikleri ve hücre bölünmesinden bağımsız olarak bölündükleri için hücrenin yarı otonom organelleri olarak adlandırılır. Bu özellikler tek hücreli prokaryotik organizmalardan köken almalarıyla açıklanmaktadır. Bununla birlikte, mitokondri ve plastidlerin "bağımsızlığı" sınırlıdır, çünkü DNA'ları serbest varoluş için çok az gen içerirken, bilgilerin geri kalanı çekirdeğin kromozomlarında kodlanmıştır ve bu da onun bu organelleri kontrol etmesini sağlar.

Endoplazmik retikulum (ER), veya endoplazmik retikulum (ER), sitoplazmanın içeriğinin% 30'unu kaplayan membran boşlukları ve tübüllerden oluşan bir ağ olan tek membranlı bir organeldir. EPS tübüllerinin çapı yaklaşık 25-30 nm'dir. İki tür EPS vardır - pürüzlü ve pürüzsüz. Kaba XPS Protein sentezinin gerçekleştiği ribozomları taşır. Sorunsuz XPS ribozomlardan yoksundur. İşlevi, lipitlerin ve karbonhidratların sentezinin yanı sıra toksik maddelerin taşınması, depolanması ve nötralizasyonudur. Özellikle karaciğer hücrelerinde - hepatositlerde - ve iskelet kası liflerinde yoğun metabolik süreçlerin meydana geldiği hücrelerde gelişir. ER'de sentezlenen maddeler Golgi aygıtına taşınır. Hücre zarlarının birleşmesi de ER'de meydana gelir, ancak bunların oluşumu Golgi aygıtında tamamlanır.

Golgi aygıtı, veya Golgi kompleksi düz sarnıçlar, tübüller ve bunlardan ayrılmış keseciklerden oluşan bir sistem tarafından oluşturulan tek zarlı bir organeldir. Golgi aygıtının yapısal birimi diktozom- bir direğe EPS'den gelen maddelerin geldiği ve karşı kutuptan belirli dönüşümlerden geçen bir tank yığını, keseciklere paketlenir ve hücrenin diğer kısımlarına gönderilir. Tankların çapı yaklaşık 2 mikron, küçük kabarcıkların çapı ise yaklaşık 20-30 mikrondur. Golgi kompleksinin ana işlevleri, belirli maddelerin sentezi ve ER'den gelen proteinlerin, lipitlerin ve karbonhidratların modifikasyonu (değişimi), zarların son oluşumu, ayrıca maddelerin hücre boyunca taşınması, yapılarının yenilenmesidir. ve lizozomların oluşumu. Golgi aygıtı, adını bu organeli ilk keşfeden (1898) İtalyan bilim adamı Camillo Golgi'nin onuruna almıştır.

Lizozomlar- hücre içi sindirimde rol oynayan hidrolitik enzimleri içeren, çapı 1 mikrona kadar küçük tek membranlı organeller. Lizozomların zarları bu enzimlere karşı zayıf bir şekilde geçirgendir, bu nedenle lizozomlar işlevlerini çok doğru ve hedefe yönelik olarak yerine getirir. Böylece fagositoz sürecinde aktif rol alarak sindirim vakuolleri oluştururlar ve açlık veya hücrenin belirli kısımlarının hasar görmesi durumunda diğerlerini etkilemeden bunları sindirirler. Lizozomların hücre ölümü süreçlerindeki rolü yakın zamanda keşfedilmiştir.

koful Bitki ve hayvan hücrelerinin sitoplazmasında bulunan, zarla çevrili ve içi sıvıyla dolu bir boşluktur. Protozoon hücrelerinde sindirim ve kasılma kofulları bulunur. Birincisi, besinleri parçalayarak fagositoz sürecine katılır. İkincisi, osmoregülasyon nedeniyle su-tuz dengesinin korunmasını sağlar. Çok hücreli hayvanlarda esas olarak sindirim boşlukları bulunur.

Bitki hücrelerinde kofullar her zaman bulunur, özel bir zarla çevrilidir ve hücre özsuyuyla doludur. Vakuolü çevreleyen zar, kimyasal bileşim, yapı ve işlevler açısından plazma zarına benzer. Hücre özsuyu mineral tuzları, organik asitler, karbonhidratlar, proteinler, glikozitler, alkaloidler vb. dahil olmak üzere çeşitli inorganik ve organik maddelerin sulu bir çözeltisidir. Vakuol, hücre hacminin% 90'ına kadar kaplayabilir ve çekirdeği çevreye doğru itebilir. Hücrenin bu kısmı, besinleri ve atık ürünleri biriktirdiği, su teminini sağladığı ve hücrenin şeklini ve hacmini koruduğu ve ayrıca parçalanması için enzimler içerdiği için depolama, boşaltım, ozmotik, koruyucu, lizozomal ve diğer işlevleri yerine getirir. birçok hücre bileşeni. Ayrıca kofulların biyolojik olarak aktif maddeleri birçok hayvanın bu bitkileri yemesini engelleyebilmektedir. Bazı bitkilerde kofulların şişmesi nedeniyle uzama yoluyla hücre büyümesi meydana gelir.

Bazı mantar ve bakterilerin hücrelerinde de vakuoller bulunur, ancak mantarlarda yalnızca osmoregülasyon işlevini yerine getirirken, siyanobakterilerde kaldırma kuvvetini korurlar ve nitrojenin havadan asimilasyon sürecine katılırlar.

Ribozomlar- büyük ve küçük olmak üzere iki alt birimden oluşan, 15-20 mikron çapında küçük zar dışı organeller. Ökaryotik ribozomal alt birimler nükleolusta toplanır ve daha sonra sitoplazmaya taşınır. Prokaryotlarda, mitokondrilerde ve plastidlerdeki ribozomların boyutu ökaryotlardaki ribozomlardan daha küçüktür. Ribozomal alt birimler rRNA ve proteinleri içerir.

Bir hücredeki ribozomların sayısı birkaç on milyona ulaşabilir: sitoplazmada, mitokondride ve plastidlerde serbest durumdadırlar ve kaba ER'de bağlı durumdadırlar. Protein sentezinde yer alırlar, özellikle çeviri işlemini - bir mRNA molekülü üzerindeki bir polipeptit zincirinin biyosentezini - gerçekleştirirler. Serbest ribozomlar, hiyaloplazma, mitokondri, plastid proteinlerini ve kendi ribozomal proteinlerini sentezlerken, kaba ER'ye bağlı ribozomlar, hücrelerden uzaklaştırılması, membran toplanması ve lizozom ve vakuollerin oluşumu için proteinlerin translasyonunu gerçekleştirir.

Ribozomlar, hyaloplazmada tek başına bulunabilir veya bir mRNA üzerinde birkaç polipeptit zincirinin eşzamanlı sentezi sırasında gruplar halinde bir araya gelebilir. Bu tür ribozom gruplarına denir poliribozomlar, veya polisomlar.

Mikrotübüller- Bunlar hücrenin tüm sitoplazmasına nüfuz eden silindirik içi boş membran olmayan organellerdir. Çapları yaklaşık 25 nm, duvar kalınlıkları 6-8 nm'dir. Çok sayıda protein molekülünden oluşurlar tübülin, bunlar önce boncuklara benzeyen 13 iplik oluşturur ve daha sonra bir mikrotübül halinde birleşir. Mikrotübüller, hücreye şekil ve hacim veren, plazma zarını hücrenin diğer kısımlarına bağlayan, maddelerin hücre boyunca taşınmasını sağlayan, hücrenin ve hücre içi bileşenlerin hareketinde yer alan sitoplazmik bir retikulum oluşturur. genetik materyalin bölünmesi. Bunlar hücre merkezinin ve hareket organellerinin bir parçasıdır - flagella ve cilia.

Mikrofilamentler, veya mikro iplikler, aynı zamanda membran olmayan organellerdir, ancak filamentli bir şekle sahiptirler ve tübülinden değil, aktin. Membran taşıma, hücreler arası tanıma, hücre sitoplazmasının bölünmesi ve hareket süreçlerinde rol alırlar. Kas hücrelerinde aktin mikrofilamentlerinin miyozin filamentleriyle etkileşimi kasılmaya aracılık eder.

Mikrotübüller ve mikrofilamentler hücrenin iç iskeletini oluşturur. hücre iskeleti. Plazma zarına mekanik destek sağlayan, hücrenin şeklini, hücresel organellerin konumunu ve hücre bölünmesi sırasındaki hareketlerini belirleyen karmaşık bir lif ağıdır.

Çağrı Merkezi- hayvan hücrelerinde çekirdeğe yakın bir yerde bulunan zar dışı bir organel; bitki hücrelerinde yoktur. Uzunluğu yaklaşık 0,2-0,3 mikron, çapı ise 0,1-0,15 mikrondur. Hücre merkezi iki parçadan oluşur merkezciller, karşılıklı dik düzlemlerde uzanır ve parlak küre mikrotübüllerden. Her merkezcil, üçlü gruplar halinde, yani üçlü gruplar halinde toplanan dokuz grup mikrotübülden oluşur. Hücresel merkez, mikrotübüllerin toplanması, hücrenin kalıtsal materyalinin bölünmesi ve ayrıca flagella ve silia oluşumu süreçlerinde rol alır.

Hareket organelleri. Kamçılı Ve kirpikler Plazmalemma ile kaplı hücre büyümeleridir. Bu organellerin temeli, çevre boyunca yer alan dokuz çift mikrotübülden ve merkezde iki serbest mikrotübülden oluşur. Mikrotübüller çeşitli proteinlerle birbirine bağlanır ve eksenden koordineli sapmalarını sağlar - salınım. Salınımlar enerjiye bağlıdır, yani yüksek enerjili ATP bağlarının enerjisi bu süreçte harcanır. Kayıp flagella ve siliaların restorasyonu bir fonksiyondur bazal cisimler, veya kinetozomlar onların üssünde bulunur.

Kirpiklerin uzunluğu yaklaşık 10-15 nm, flagellanın uzunluğu ise 20-50 µm'dir. Flagella ve kirpiklerin kesin olarak yönlendirilmiş hareketleri nedeniyle, sadece tek hücreli hayvanların, spermin vb. hareketi değil, aynı zamanda solunum yollarının temizlenmesi ve yumurtanın fallop tüpleri boyunca hareketi de meydana gelir, çünkü tüm bu parçalar İnsan vücudunun tamamı siliyer epitel ile kaplıdır.

Kapsamalar

Kapsamalar- Bunlar hücrenin ömrü boyunca oluşan ve kaybolan kalıcı olmayan bileşenleridir. Bunlar, bitki hücrelerindeki nişasta veya protein taneleri gibi yedek maddeleri, hayvan ve mantar hücrelerindeki glikojen granüllerini, bakterilerdeki volütini, tüm hücre türlerindeki yağ damlalarını ve özellikle gıda kalıntıları olmak üzere atık ürünleri içerir. fagositoz sonucunda sindirilmez ve artık cisimcikler olarak adlandırılan oluşumlar oluşur.

Hücrenin parça ve organellerinin yapı ve işlevleri arasındaki ilişki, hücre bütünlüğünün temelidir.

Hücrenin her bir parçası, bir yandan kendine özgü yapı ve işlevlere sahip ayrı bir yapı, diğer yandan hücre adı verilen daha karmaşık bir sistemin bileşenidir. Ökaryotik bir hücrenin kalıtsal bilgilerinin çoğu çekirdekte yoğunlaşmıştır, ancak çekirdeğin kendisi bunun uygulanmasını sağlayamaz, çünkü bu, en azından ana madde olarak görev yapan sitoplazmayı ve bu sentezin meydana geldiği ribozomları gerektirir. . Çoğu ribozom, proteinlerin çoğunlukla Golgi kompleksine ve daha sonra modifikasyondan sonra hücrenin amaçlandığı veya atıldığı kısımlarına taşındığı granüler endoplazmik retikulum üzerinde bulunur. Proteinlerin ve karbonhidratların membran ambalajı, organellerin zarlarına ve sitoplazmik membrana gömülerek sürekli yenilenmelerini sağlayabilir. Önemli işlevleri yerine getiren lizozomlar ve kofullar da Golgi kompleksinden ayrılır. Örneğin, lizozomlar olmasaydı hücreler hızla atık moleküller ve yapılar için bir tür çöplük haline gelirdi.

Tüm bu süreçlerin gerçekleşmesi, mitokondrilerin ve bitkilerde kloroplastların ürettiği enerjiyi gerektirir. Her ne kadar bu organeller nispeten özerk olsalar da, kendi DNA moleküllerine sahip olduklarından, proteinlerinin bir kısmı hâlâ nükleer genom tarafından kodlanıyor ve sitoplazmada sentezleniyor.

Dolayısıyla hücre, her biri kendine özgü işlevi yerine getiren bileşen bileşenlerinin ayrılmaz bir birliğidir.

Metabolizma ve enerji dönüşümü canlı organizmaların özellikleridir. Enerji ve plastik metabolizması, ilişkileri. Enerji metabolizmasının aşamaları. Fermantasyon ve solunum. Fotosentez, önemi, kozmik rolü. Fotosentezin aşamaları. Fotosentezin aydınlık ve karanlık reaksiyonları, ilişkileri. Kemosentez. Kemosentetik bakterilerin Dünya üzerindeki rolü

Metabolizma ve enerji dönüşümü - canlı organizmaların özellikleri

Bir hücreyi, yüzlerce ve binlerce kimyasal reaksiyonun meydana geldiği minyatür bir kimya fabrikasına benzetebiliriz.

Metabolizma- biyolojik sistemlerin korunmasını ve kendi kendini çoğaltmasını amaçlayan bir dizi kimyasal dönüşüm.

Beslenme ve solunum, hücre içi metabolizma veya metabolizma ve son metabolik ürünlerin izolasyonu.

Metabolizma, bir tür enerjinin diğerine dönüştürülmesi süreçleriyle ayrılmaz bir şekilde bağlantılıdır. Örneğin, fotosentez işlemi sırasında, ışık enerjisi, karmaşık organik moleküllerin kimyasal bağlarının enerjisi şeklinde depolanır ve solunum işlemi sırasında serbest bırakılır ve yeni moleküllerin sentezi, mekanik ve ozmotik çalışma için harcanır; ısı vb. şeklinde dağılır.

Canlı organizmalarda kimyasal reaksiyonların meydana gelmesi, protein niteliğindeki biyolojik katalizörler sayesinde sağlanır - enzimler, veya enzimler. Diğer katalizörler gibi enzimler de hücrede kimyasal reaksiyonların oluşumunu onlarca, yüzbinlerce kez hızlandırır, hatta bazen mümkün kılar, ancak reaksiyonun son ürününün/ürünlerinin doğasını veya özelliklerini değiştirmez ve kendilerini değiştirmezler. Enzimler, protein kısmına ek olarak protein olmayan bir kısmı da içeren hem basit hem de karmaşık proteinler olabilir - kofaktör (koenzim). Enzimlere örnek olarak uzun süreli çiğneme sırasında polisakkaritleri parçalayan tükürük amilazı ve midede proteinlerin sindirimini sağlayan pepsin verilebilir.

Enzimler, protein olmayan katalizörlerden, yüksek etki spesifiklikleri, onların yardımıyla reaksiyon hızında önemli bir artış ve ayrıca reaksiyonun koşullarını veya çeşitli maddelerin onlarla etkileşimini değiştirerek eylemi düzenleme yetenekleri bakımından farklılık gösterir. Ek olarak, enzimatik katalizin gerçekleştiği koşullar, enzimatik olmayan katalizin gerçekleştiği koşullardan önemli ölçüde farklıdır: insan vücudunda enzimlerin çalışması için en uygun sıcaklık 37°C $'dır, basınç atmosferik basınca yakın olmalıdır ve basınç Ortamın $pH$ değeri önemli ölçüde tereddüt edebilir. Bu nedenle amilaz alkali bir ortama, pepsin ise asidik bir ortama ihtiyaç duyar.

Enzimlerin etki mekanizması, ara enzim-substrat komplekslerinin oluşumu nedeniyle reaksiyona giren maddelerin (substratların) aktivasyon enerjisini azaltmaktır.

Enerji ve plastik metabolizması, ilişkileri

Metabolizma hücrede aynı anda meydana gelen iki süreçten oluşur: plastik metabolizması ve enerji metabolizması.

Plastik metabolizma (anabolizma, asimilasyon) ATP enerjisinin harcanmasını içeren bir dizi sentez reaksiyonudur. Plastik metabolizma sürecinde hücre için gerekli olan organik maddeler sentezlenir. Plastik değişim reaksiyonlarına örnek olarak fotosentez, protein biyosentezi ve DNA replikasyonu (kendi kendini kopyalama) verilebilir.

Enerji metabolizması (katabolizma, disimilasyon) karmaşık maddeleri daha basit maddelere ayıran bir dizi reaksiyondur. Enerji metabolizması sonucunda enerji açığa çıkar ve ATP formunda depolanır. Enerji metabolizmasının en önemli süreçleri solunum ve fermantasyondur.

Plastik ve enerji değişimleri ayrılmaz bir şekilde bağlantılıdır, çünkü plastik değişim sürecinde organik maddeler sentezlenir ve bu ATP enerjisi gerektirir ve enerji değişimi sürecinde organik maddeler parçalanır ve daha sonra sentez süreçlerine harcanacak enerji açığa çıkar. .

Organizmalar beslenme sürecinde enerji alır ve onu esas olarak solunum sürecinde serbest bırakır ve erişilebilir bir forma dönüştürür. Beslenme yöntemine göre tüm organizmalar ototroflara ve heterotroflara ayrılır. Ototroflarİnorganik maddelerden organik maddeleri bağımsız olarak sentezleyebilen ve heterotroflarözel olarak hazırlanmış organik maddeler kullanın.

Enerji metabolizmasının aşamaları

Enerji metabolizması reaksiyonlarının karmaşıklığına rağmen geleneksel olarak üç aşamaya ayrılır: hazırlık, anaerobik (oksijensiz) ve aerobik (oksijen).

Açık hazırlık aşaması polisakkaritlerin, lipitlerin, proteinlerin, nükleik asitlerin molekülleri, örneğin glikoz, gliserol ve yağ asitleri, amino asitler, nükleotidler vb. gibi daha basit olanlara parçalanır. Bu aşama, doğrudan hücrelerde veya bağırsaklarda, parçalandığı yerden meydana gelebilir. aşağı maddeler kan dolaşımı yoluyla iletilir.

Anaerobik aşama Enerji metabolizmasına, organik bileşiklerin monomerlerinin piruvik asit veya piruvat gibi daha basit ara ürünlere daha fazla parçalanması eşlik eder. Oksijen varlığına ihtiyaç duymaz ve bataklık çamurlarında veya insan bağırsaklarında yaşayan birçok organizma için enerji elde etmenin tek yoludur. Enerji metabolizmasının anaerobik aşaması sitoplazmada meydana gelir.

Çeşitli maddeler oksijensiz bölünmeye maruz kalabilir, ancak çoğunlukla reaksiyonların substratı glikozdur. Oksijensiz bölünme sürecine denir glikoliz. Glikoliz sırasında, bir glikoz molekülü dört hidrojen atomunu kaybeder, yani oksitlenir ve iki molekül piruvik asit, iki ATP molekülü ve indirgenmiş hidrojen taşıyıcısının iki molekülü $NADH + H^(+)$ oluşur:

$C_6H_(12)O_6 + 2H_3PO_4 + 2ADP + 2NAD → 2C_3H_4O_3 + 2ATP + 2NADH + H^(+) + 2H_2O$.

ADP'den ATP'nin oluşumu, fosfat anyonunun ön fosforile şekerden doğrudan aktarılması nedeniyle meydana gelir ve buna denir. Substrat fosforilasyonu.

Aerobik sahne enerji alışverişi yalnızca oksijen varlığında gerçekleşebilirken, oksijensiz bölünme sırasında oluşan ara bileşikler nihai ürünlere (karbon dioksit ve su) oksitlenir ve organik bileşiklerin kimyasal bağlarında depolanan enerjinin çoğu açığa çıkar. 36 ATP molekülünün yüksek enerjili bağlarının enerjisine dönüşür. Bu aşamaya da denir doku solunumu. Oksijenin yokluğunda, ara bileşikler diğer organik maddelere dönüştürülür. Fermantasyon.

Nefes

Hücresel solunumun mekanizması şematik olarak Şekil 2'de gösterilmektedir.

Aerobik solunum mitokondride meydana gelir; piruvik asit ilk önce bir karbon atomunu kaybeder, buna $NADH + H^(+)$'ın bir indirgeyici eşdeğeri ve bir asetil koenzim A molekülünün (asetil-CoA) sentezi eşlik eder:

$C_3H_4O_3 + NAD + H~CoA → CH_3CO~CoA + NADH + H^(+) + CO_2$.

Mitokondriyal matristeki asetil-CoA, bütünlüğü adı verilen bir kimyasal reaksiyon zincirinde yer alır. Krebs döngüsü (trikarboksilik asit döngüsü, sitrik asit döngüsü). Bu dönüşümler sırasında iki ATP molekülü oluşur, asetil-CoA tamamen karbondioksite oksitlenir ve hidrojen iyonları ve elektronları $NADH + H^(+)$ ve $FADH_2$ hidrojen taşıyıcılarına eklenir. Taşıyıcılar hidrojen protonlarını ve elektronlarını mitokondrinin iç zarlarına taşıyarak kristaları oluşturur. Taşıyıcı proteinlerin yardımıyla, hidrojen protonları zarlar arası boşluğa pompalanır ve elektronlar, mitokondrinin iç zarında bulunan solunum enzimleri zinciri yoluyla iletilir ve oksijen atomlarına boşaltılır:

$O_2+2e^(-)→O_2^-$.

Bazı solunum zinciri proteinlerinin demir ve kükürt içerdiğine dikkat edilmelidir.

Hidrojen protonları, özel enzimler - ATP sentazları yardımıyla zarlar arası boşluktan mitokondriyal matrise geri taşınır ve bu durumda açığa çıkan enerji, her glikoz molekülünden 34 ATP molekülünün sentezine harcanır. Bu süreç denir oksidatif fosforilasyon. Mitokondriyal matriste hidrojen protonları oksijen radikalleriyle reaksiyona girerek su oluşturur:

$4H^(+)+O_2^-→2H_2O$.

Oksijen solunumunun reaksiyonları aşağıdaki gibi ifade edilebilir:

$2C_3H_4O_3 + 6O_2 + 36H_3PO_4 + 36ADP → 6CO_2 + 38H_2O + 36ATP.$

Genel nefes alma denklemi şöyle görünür:

$C_6H_(12)O_6 + 6O_2 + 38H_3PO_4 + 38ADP → 6CO_2 + 40H_2O + 38ATP.$

Fermantasyon

Oksijenin yokluğunda veya eksikliğinde fermantasyon meydana gelir. Fermantasyon, evrimsel olarak enerji elde etmenin solunumdan daha erken bir yöntemidir, ancak enerji açısından daha az faydalıdır çünkü fermantasyon hâlâ enerji açısından zengin olan organik maddeler üretir. Birkaç ana fermantasyon türü vardır: laktik asit, alkollü, asetik asit vb. Böylece, fermantasyon sırasında oksijenin bulunmadığı iskelet kaslarında piruvik asit laktik asite indirgenirken, önceden oluşturulmuş indirgeyici eşdeğerler tüketilir ve yalnızca geriye iki ATP molekülü kalır:

$2C_3H_4O_3 + 2NADH + H^(+) → 2C_3H_6O_3 + 2NAD$.

Maya yardımıyla fermantasyon sırasında, oksijen varlığında piruvik asit etil alkol ve karbon monoksite dönüştürülür (IV):

$C_3H_4O_3 + NADH + H^(+) → C_2H_5OH + CO_2 + NAD^(+)$.

Mikroorganizmaların yardımıyla fermantasyon sırasında pirüvik asitten asetik, bütirik, formik asitler vb. de oluşturulabilir.

Enerji metabolizması sonucunda elde edilen ATP, hücrede çeşitli iş türleri için harcanır: kimyasal, ozmotik, elektriksel, mekanik ve düzenleyici. Kimyasal çalışma, proteinlerin, lipitlerin, karbonhidratların, nükleik asitlerin ve diğer hayati bileşiklerin biyosentezini içerir. Ozmotik çalışma, hücre tarafından emilim ve hücre dışı boşlukta bulunan maddelerin hücrenin kendisinden daha yüksek konsantrasyonlarda uzaklaştırılması süreçlerini içerir. Elektriksel çalışma, ozmotik çalışma ile yakından ilişkilidir, çünkü yüklü parçacıkların membranlar boyunca hareketinin bir sonucu olarak bir membran yükü oluşur ve uyarılabilirlik ve iletkenlik özellikleri elde edilir. Mekanik çalışma, hücre içindeki maddelerin ve yapıların yanı sıra bir bütün olarak hücrenin hareketini de içerir. Düzenleyici çalışma, hücredeki süreçleri koordine etmeyi amaçlayan tüm süreçleri içerir.

Fotosentez, önemi, kozmik rolü

Fotosentezışık enerjisini klorofilin katılımıyla organik bileşiklerin kimyasal bağlarının enerjisine dönüştürme işlemidir.

Fotosentez sonucunda yılda yaklaşık 150 milyar ton organik madde ve yaklaşık 200 milyar ton oksijen üretilmektedir. Bu işlem biyosferdeki karbon döngüsünü sağlayarak karbondioksitin birikmesini önler ve böylece sera etkisinin ve Dünya'nın aşırı ısınmasının önüne geçer. Fotosentez sonucu oluşan organik maddeler diğer organizmalar tarafından tamamen tüketilmez, bunların önemli bir kısmı milyonlarca yıl boyunca mineral birikintileri (sert ve kahverengi kömür, petrol) oluşturmuştur. Son zamanlarda kolza yağı (“biyodizel”) ve bitki artıklarından elde edilen alkol de yakıt olarak kullanılmaya başlanmıştır. Ozon, elektrik deşarjlarının etkisi altında oksijenden oluşur ve bu, Dünya'daki tüm yaşamı ultraviyole ışınlarının yıkıcı etkilerinden koruyan bir ozon perdesi oluşturur.

Yurttaşımız, seçkin bitki fizyoloğu K. A. Timiryazev (1843-1920), Dünya'yı Güneş'e (uzay) bağlayarak gezegene enerji akışı sağladığı için fotosentezin rolünü "kozmik" olarak adlandırdı.

Fotosentezin aşamaları. Fotosentezin aydınlık ve karanlık reaksiyonları, ilişkileri

1905 yılında İngiliz bitki fizyoloğu F. Blackman, fotosentez hızının sonsuza kadar artamayacağını, bazı faktörlerin bunu sınırladığını keşfetti. Buna dayanarak fotosentezin iki aşaması olduğunu varsaydı: ışık Ve karanlık. Düşük ışık şiddetinde ışık şiddetinin artmasıyla orantılı olarak ışık reaksiyonlarının hızı da artar ve ayrıca bu reaksiyonlar enzimlerin oluşmasını gerektirmediğinden sıcaklığa bağlı değildir. Tilakoid membranlarda ışık reaksiyonları meydana gelir.

Aksine, karanlık reaksiyonların hızı artan sıcaklıkla birlikte artar, ancak 30°C$ sıcaklık eşiğine ulaşıldığında bu artış durur, bu da stromada meydana gelen bu dönüşümlerin enzimatik doğasını gösterir. Her ne kadar karanlık reaksiyonlar olarak adlandırılsa da, ışığın da karanlık reaksiyonlar üzerinde belirli bir etkisi olduğunu belirtmek gerekir.

Fotosentezin hafif fazı, başlıca fotosistem I ve II'nin yanı sıra ATP sentazı olan çeşitli tipte protein komplekslerini taşıyan tilakoid membranlarda meydana gelir. Fotosistemler, klorofilin yanı sıra karotenoidler de içeren pigment komplekslerini içerir. Karotenoidler, spektrumun klorofilin yakalayamadığı alanlarındaki ışığı yakalar ve aynı zamanda klorofili yüksek yoğunluklu ışık tarafından yok edilmekten korur.

Fotosistemler, pigment komplekslerine ek olarak, elektronları klorofil moleküllerinden birbirlerine sırayla aktaran bir dizi elektron alıcı proteini de içerir. Bu proteinlerin dizisine denir Kloroplastların elektron taşıma zinciri.

Fotosentez sırasında oksijenin salınmasını sağlayan fotosistem II ile özel bir protein kompleksi de ilişkilidir. Bu oksijen salan kompleks, manganez ve klor iyonlarını içerir.

İÇİNDE ışık fazı tilakoid membranlarda bulunan klorofil moleküllerine düşen ışık kuantumu veya fotonlar, onları daha yüksek elektron enerjisi ile karakterize edilen uyarılmış bir duruma aktarır. Bu durumda, fotosistem I'in klorofilinden gelen uyarılmış elektronlar, bir aracılar zinciri aracılığıyla, her zaman sulu bir çözeltide bulunan hidrojen protonlarını bağlayan hidrojen taşıyıcısı NADP'ye aktarılır:

$NADP + 2e^(-) + 2H^(+) → NADPH + H^(+)$.

İndirgenmiş $NADPH + H^(+)$ daha sonra karanlık aşamada kullanılacaktır. Fotosistem II'nin klorofilindeki elektronlar da elektron taşıma zinciri boyunca aktarılır, ancak fotosistem I'in klorofilinin "elektron deliklerini" doldururlar. Fotosistem II'nin klorofilindeki elektron eksikliği, su moleküllerinin uzaklaştırılmasıyla doldurulur. yukarıda bahsedilen oksijen salgılayan kompleksin katılımıyla oluşur. Su moleküllerinin ayrışması sonucu buna denir. fotoliz hidrojen protonları oluşur ve fotosentezin bir yan ürünü olan moleküler oksijen açığa çıkar:

$H_2O → 2H^(+) + 2e^(-) + (1)/(2)O_2$.

Hücredeki genetik bilgi. Genler, genetik kod ve özellikleri. Biyosentez reaksiyonlarının matris doğası. Protein ve nükleik asitlerin biyosentezi

Hücredeki genetik bilgi

Kendi türünün üremesi canlıların temel özelliklerinden biridir. Bu fenomen sayesinde sadece organizmalar arasında değil, aynı zamanda tek tek hücreler ve bunların organelleri (mitokondri ve plastidler) arasında da benzerlik vardır. Bu benzerliğin maddi temeli, DNA replikasyonu (kendi kendini kopyalama) işlemleri yoluyla gerçekleştirilen, DNA nükleotid dizisinde şifrelenmiş genetik bilginin aktarımıdır. Hücrelerin ve organizmaların tüm özellikleri ve özellikleri, yapısı öncelikle DNA nükleotid dizisi tarafından belirlenen proteinler sayesinde gerçekleştirilir. Bu nedenle nükleik asitlerin ve proteinlerin biyosentezi metabolik süreçlerde büyük önem taşır. Kalıtsal bilginin yapısal birimi gendir.

Genler, genetik kod ve özellikleri

Bir hücredeki kalıtsal bilgi monolitik değildir; ayrı "kelimelere" - genlere bölünmüştür.

Gen genetik bilginin temel birimidir.

Birçok ülkede eş zamanlı yürütülen ve bu yüzyılın başında tamamlanan “İnsan Genomu” programı üzerinde yapılan çalışmalar, bize, bir kişinin yalnızca 25-30 bin kadar gene sahip olduğu, ancak DNA'mızın büyük bir kısmından gelen bilgilerin olduğu anlayışını kazandırdı. çok sayıda anlamsız bölümler, tekrarlar ve insanlar için anlamını yitirmiş özellikleri kodlayan genler (kuyruk, vücut kılları vb.) içerdiğinden asla okunmaz. Ayrıca kalıtsal hastalıkların gelişiminden sorumlu olan birçok genin yanı sıra ilaç hedef genleri deşifre edildi. Ancak bu programın uygulanması sırasında elde edilen sonuçların pratik uygulaması, daha fazla insanın genomları çözülene ve bunların nasıl farklılaştığı netleşene kadar erteleniyor.

Protein, ribozomal veya transfer RNA'nın birincil yapısını kodlayan genlere denir. yapısal ve yapısal genlerden gelen okuma bilgilerinin aktivasyonunu veya baskılanmasını sağlayan genler - düzenleyici. Ancak yapısal genler bile düzenleyici bölgeler içerir.

Organizmaların kalıtsal bilgileri, DNA'da belirli nükleotid kombinasyonları ve bunların dizileri şeklinde şifrelenir. genetik Kod. Özellikleri şunlardır: üçlülük, özgüllük, evrensellik, fazlalık ve örtüşmeme. Ayrıca genetik kodda herhangi bir noktalama işareti yoktur.

Her amino asit, DNA'da üç nükleotid tarafından kodlanır: üçlü,örneğin metiyonin TAC üçlüsü tarafından kodlanır, yani kod üçlüdür. Öte yandan, her üçlü yalnızca bir amino asidi kodlar, bu da onun özgüllüğü veya belirsizliğidir. Genetik kod tüm canlı organizmalar için evrenseldir, yani insan proteinleri hakkındaki kalıtsal bilgiler bakteriler tarafından okunabilir ve bunun tersi de geçerlidir. Bu, organik dünyanın kökeninin birliğini gösterir. Bununla birlikte, üç nükleotidin 64 kombinasyonu yalnızca 20 amino asite karşılık gelir, bunun sonucunda bir amino asit 2-6 üçlü olarak kodlanabilir, yani genetik kod fazlalık veya dejenere olur. Üç üçlünün karşılık gelen amino asitleri yoktur, bunlara denir kodonları durdurmak, polipeptit zincirinin sentezinin sonunu gösterdikleri için.

DNA üçlülerindeki bazların dizilimi ve kodladıkları amino asitler

*Polipeptit zincirinin sentezinin sonunu belirten durdurma kodonu.

Amino asit isimlerinin kısaltmaları:

Ala - alanin

Arg - arginin

Asn - asparajin

Asp - aspartik asit

Val - valin

Onun - histidin

Gly - glisin

Gln - glutamin

Glu - glutamik asit

Ile - izolösin

Leu - lösin

Liz - lisin

Met - metiyonin

Pro - prolin

Ser - serin

Tyr - tirozin

Tre - treonin

Üç - triptofan

Fen - fenilalanin

Cis - sistein

Genetik bilgiyi üçlüdeki ilk nükleotidden değil de ikincisinden okumaya başlarsanız, o zaman yalnızca okuma çerçevesi değişmekle kalmayacak, aynı zamanda bu şekilde sentezlenen protein yalnızca nükleotid dizisinde değil, aynı zamanda yapısı ve özellikleri. Üçlüler arasında noktalama işareti bulunmadığından okuma çerçevesini kaydırmanın önünde hiçbir engel yoktur, bu da mutasyonların oluşması ve sürdürülmesi için alan açar.

Biyosentez reaksiyonlarının matris doğası

Bakteriyel hücreler her 20-30 dakikada bir ikiye katlanabilir ve ökaryotik hücreler her gün ve hatta daha sık çoğalabilir, bu da DNA replikasyonunun yüksek hızını ve doğruluğunu gerektirir. Ek olarak, her hücre birçok proteinin, özellikle de enzimlerin yüzlerce ve binlerce kopyasını içerir, bu nedenle bunların "parça parça" üretim yöntemi, üremeleri için kabul edilemez. Daha ilerici bir yöntem, ürünün çok sayıda tam kopyasını almanıza ve aynı zamanda maliyetini düşürmenize olanak tanıyan damgalamadır. Damgalama için izlenimin yapıldığı bir matris gereklidir.

Hücrelerde şablon sentezinin ilkesi, yeni protein ve nükleik asit moleküllerinin, aynı nükleik asitlerin (DNA veya RNA) önceden var olan moleküllerinin yapısına gömülü programa uygun olarak sentezlenmesidir.

Protein ve nükleik asitlerin biyosentezi

DNA kopyalama. DNA, monomerleri nükleotid olan çift sarmallı bir biyopolimerdir. DNA biyosentezi fotokopi prensibine göre gerçekleşmiş olsaydı, kalıtsal bilgilerde kaçınılmaz olarak çok sayıda çarpıklık ve hata ortaya çıkacak ve bu da sonuçta yeni organizmaların ölümüne yol açacaktı. Bu nedenle DNA'nın iki katına çıkma süreci farklı şekilde gerçekleşir. yarı muhafazakar bir şekilde: DNA molekülü çözülür ve tamamlayıcılık ilkesine göre zincirlerin her birinde yeni bir zincir sentezlenir. Kalıtsal bilgilerin doğru şekilde kopyalanmasını ve nesilden nesile aktarılmasını sağlayan bir DNA molekülünün kendi kendini çoğaltma sürecine denir. çoğaltma(lat. kopyalama- tekrarlama). Çoğaltma sonucunda, her biri ana DNA molekülünün bir kopyasını taşıyan, ana DNA molekülünün tamamen aynı iki kopyası oluşur.

Çoğaltma işlemi aslında son derece karmaşıktır çünkü bir dizi protein buna dahil olur. Bazıları DNA'nın çift sarmalını çözer, diğerleri tamamlayıcı zincirlerin nükleotidleri arasındaki hidrojen bağlarını kırar, diğerleri (örneğin, DNA polimeraz enzimi) tamamlayıcılık ilkesine dayalı olarak yeni nükleotidleri seçer, vb. İki DNA molekülü bir Bölünme sırasında çoğalma sonucu yeni oluşan yavru hücreler ikiye ayrılır.

Çoğaltma işleminde hatalar son derece nadir görülür, ancak meydana gelirse hem DNA polimerazlar hem de özel onarım enzimleri tarafından çok hızlı bir şekilde ortadan kaldırılır. Çünkü nükleotid dizisindeki herhangi bir hata, proteinin yapısında ve işlevlerinde geri dönüşü olmayan bir değişikliğe yol açabilir. ve sonuçta yeni bir hücrenin, hatta bir bireyin yaşayabilirliğini olumsuz yönde etkiler.

Protein biyosentezi. 19. yüzyılın seçkin filozofu F. Engels'in mecazi olarak ifade ettiği gibi: "Hayat, protein bedenlerinin bir varoluş biçimidir." Protein moleküllerinin yapısı ve özellikleri, birincil yapıları, yani DNA'da kodlanan amino asitlerin dizisi tarafından belirlenir. Sadece polipeptidin kendisinin varlığı değil, aynı zamanda hücrenin bir bütün olarak işleyişi de bu bilginin çoğaltılmasının doğruluğuna bağlıdır, dolayısıyla protein sentezi süreci büyük önem taşımaktadır. Üç yüze yakın farklı enzim ve diğer makromolekülleri içerdiğinden, hücredeki en karmaşık sentez süreci gibi görünmektedir. Ayrıca yüksek hızda akıyor ve bu da daha fazla hassasiyet gerektiriyor.

Protein biyosentezinde iki ana aşama vardır: transkripsiyon ve translasyon.

Transkripsiyon(lat. transkripsiyon- yeniden yazma), mRNA moleküllerinin bir DNA matrisi üzerindeki biyosentezidir.

DNA molekülü iki antiparalel zincir içerdiğinden, her iki zincirden gelen bilgilerin okunması tamamen farklı mRNA'ların oluşumuna yol açacaktır, bu nedenle bunların biyosentezi, ikincinin aksine kodlama veya kodojenik olarak adlandırılan zincirlerden yalnızca birinde mümkündür. kodlamayan veya kodojenik olmayan. Yeniden yazma işlemi, RNA nükleotidlerini tamamlayıcılık ilkesine göre seçen özel bir enzim olan RNA polimeraz tarafından sağlanır. Bu süreç hem çekirdekte hem de kendi DNA'sı olan mitokondri ve plastidlere sahip organellerde meydana gelebilir.

Transkripsiyon sırasında sentezlenen mRNA molekülleri, çeviri için karmaşık bir hazırlık sürecinden geçer (mitokondriyal ve plastid mRNA'lar, protein biyosentezinin ikinci aşamasının meydana geldiği organellerin içinde kalabilir). MRNA olgunlaşması sürecinde, ilk üç nükleotid (AUG) ve bir adenil nükleotid kuyruğu ona eklenir; bunun uzunluğu, belirli bir molekül üzerinde proteinin kaç kopyasının sentezlenebileceğini belirler. Ancak o zaman olgun mRNA'lar çekirdeği nükleer gözeneklerden terk eder.

Buna paralel olarak, amino asidin karşılık gelen serbest tRNA'ya katıldığı sitoplazmada amino asit aktivasyonu süreci meydana gelir. Bu işlem özel bir enzim tarafından katalize edilir ve ATP gerektirir.

Yayın(lat. yayın- transfer), genetik bilginin polipeptit zincirinin amino asit dizisine çevrildiği bir mRNA matrisi üzerindeki bir polipeptit zincirinin biyosentezidir.

Protein sentezinin ikinci aşaması çoğunlukla sitoplazmada, örneğin kaba ER'de meydana gelir. Bunun oluşması için ribozomların varlığı, karşılık gelen amino asitleri bağladıkları tRNA'nın aktivasyonu, Mg2+ iyonlarının varlığı ve ayrıca optimal çevre koşulları (sıcaklık, pH, basınç vb.) gereklidir.

Yayını başlatmak için ( başlatma) senteze hazır bir mRNA molekülüne küçük bir ribozomal alt birim eklenir ve ardından ilk kodona (AUG) tamamlayıcılık ilkesine göre, metiyonin amino asidini taşıyan bir tRNA seçilir. Ancak bundan sonra büyük ribozomal alt birim bağlanır. Birleştirilmiş ribozomun içinde iki mRNA kodonu vardır ve bunlardan ilki zaten doludur. Bitişik kodona yine bir amino asit taşıyan ikinci bir tRNA eklenir ve ardından enzimlerin yardımıyla amino asit kalıntıları arasında bir peptit bağı oluşturulur. Ribozom, mRNA'nın bir kodonunu hareket ettirir; Bir amino asitten serbest bırakılan ilk tRNA, bir sonraki amino asitten sonra sitoplazmaya geri döner ve gelecekteki polipeptit zincirinin bir parçası, olduğu gibi, kalan tRNA'ya asılır. Bir sonraki tRNA, ribozom içinde kendini bulan yeni kodona bağlanır, işlem tekrarlanır ve polipeptit zinciri adım adım uzar, yani. uzama.

Protein sentezinin sonu ( sonlandırma), mRNA molekülünde bir amino asidi kodlamayan (durdurma kodonu) spesifik bir nükleotid dizisiyle karşılaşıldığında meydana gelir. Daha sonra ribozom, mRNA ve polipeptit zinciri ayrılır ve yeni sentezlenen protein uygun yapıya kavuşarak hücrenin fonksiyonlarını yerine getireceği kısma taşınır.

Çeviri çok enerji yoğun bir işlemdir, çünkü bir ATP molekülünün enerjisi bir amino asidi tRNA'ya bağlamak için tüketilir ve birkaç tane daha ribozomu mRNA molekülü boyunca hareket ettirmek için kullanılır.

Belirli protein moleküllerinin sentezini hızlandırmak için, tek bir yapı oluşturan bir mRNA molekülüne birkaç ribozom art arda bağlanabilir. polisom.

Hücre, canlının genetik birimidir. Kromozomlar, yapıları (şekil ve büyüklükleri) ve işlevleri. Kromozom sayısı ve türlerinin sabitliği. Somatik ve germ hücreleri. Hücre yaşam döngüsü: fazlar arası ve mitoz. Mitoz somatik hücrelerin bölünmesidir. Mayoz. Mitoz ve mayoz bölünmenin aşamaları. Bitkilerde ve hayvanlarda germ hücrelerinin gelişimi. Hücre bölünmesi organizmaların büyümesi, gelişmesi ve çoğalmasının temelidir. Mayoz ve mitozun rolü

Hücre, canlının genetik birimidir.

Nükleik asitler genetik bilginin taşıyıcısı olmasına rağmen bu bilginin hücre dışında uygulanması imkansızdır ve bunu virüs örneğiyle kolayca kanıtlayabiliriz. Genellikle yalnızca DNA veya RNA içeren bu organizmalar bağımsız olarak çoğalamazlar; bunun için hücrenin kalıtsal aparatını kullanmaları gerekir. Membran taşıma mekanizmalarının kullanılması veya hücre hasarı nedeniyle olması dışında, hücrenin yardımı olmadan bir hücreye bile nüfuz edemezler. Virüslerin çoğu kararsızdır; açık havaya birkaç saat maruz kaldıktan sonra ölürler. Sonuç olarak hücre, kalıtsal bilgilerin korunması, değiştirilmesi ve uygulanmasının yanı sıra torunlara aktarılması için minimum sayıda bileşene sahip olan canlının genetik birimidir.

Ökaryotik bir hücrenin genetik bilgisinin çoğu çekirdekte bulunur. Organizasyonunun özelliği, prokaryotik bir hücrenin DNA'sından farklı olarak, ökaryotların DNA moleküllerinin kapalı olmaması ve proteinlerle - kromozomlarla karmaşık kompleksler oluşturmasıdır.

Kromozomlar, yapıları (şekli ve boyutu) ve işlevleri

Kromozom(Yunanca'dan krom- renk, renklendirme ve soma- vücut), genleri içeren ve organizmanın özellikleri ve özellikleri hakkında belirli kalıtsal bilgileri taşıyan hücre çekirdeğinin yapısıdır.

Bazen prokaryotların dairesel DNA moleküllerine kromozom da denir. Kromozomlar kendi kendini çoğaltma yeteneğine sahiptir; yapısal ve işlevsel bireyselliğe sahiptirler ve bunu nesiller boyunca korurlar. Her hücre vücudun tüm kalıtsal bilgilerini taşır, ancak yalnızca küçük bir kısmı çalışır.

Bir kromozomun temeli, proteinlerle dolu çift sarmallı bir DNA molekülüdür. Ökaryotlarda histon ve histon olmayan proteinler DNA ile etkileşime girerken prokaryotlarda histon proteinleri yoktur.

Kromozomlar en iyi hücre bölünmesi sırasında ışık mikroskobu altında görülür; sıkıştırmanın bir sonucu olarak, birincil bir daralmayla ayrılmış çubuk şeklindeki gövdelerin görünümünü alırlar. sentromer — omuzlarda. Bir kromozomda da olabilir ikincil daralma bazı durumlarda sözde olanı ayıran uydu. Kromozomların uçlarına denir telomerler. Telomerler, kromozomların uçlarının birbirine yapışmasını engeller ve bölünmeyen bir hücrede nükleer membrana bağlanmalarını sağlar. Bölünmenin başlangıcında kromozomlar iki katına çıkar ve iki yavru kromozomdan oluşur. kromatid, sentromerden sabitlenmiştir.

Kromozomlar şekillerine göre eşit kollu, eşit kollu ve çubuk şeklinde kromozomlara ayrılır. Kromozomların boyutları önemli ölçüde farklılık gösterir ancak ortalama kromozomun boyutları 5 $×$ 1,4 mikrondur.

Bazı durumlarda, çok sayıda DNA kopyalanması sonucu kromozomlar yüzlerce ve binlerce kromatit içerir: bu tür dev kromozomlara denir. politen. Drosophila larvalarının tükürük bezlerinde ve yuvarlak kurtların sindirim bezlerinde bulunurlar.

Kromozom sayısı ve türlerinin sabitliği. Somatik ve germ hücreleri

Hücresel teoriye göre hücre, bir organizmanın yapısının, hayati aktivitesinin ve gelişiminin bir birimidir. Böylece canlıların büyümesi, çoğalması ve organizmanın gelişmesi gibi önemli işlevleri hücresel düzeyde sağlanır. Çok hücreli organizmaların hücreleri somatik ve üreme hücrelerine ayrılabilir.

Somatik hücreler- bunların hepsi mitotik bölünme sonucu oluşan vücut hücreleridir.

Kromozomların incelenmesi, her biyolojik türün vücudundaki somatik hücrelerin sabit sayıda kromozomla karakterize edildiğini tespit etmeyi mümkün kılmıştır. Örneğin, bir insanda 46 tane vardır.Somatik hücrelerin kromozom setine denir. diploit(2n) veya çift.

Seks hücreleri, veya gametler, cinsel üreme için kullanılan özel hücrelerdir.

Gametler her zaman somatik hücrelerin yarısı kadar kromozom içerir (insanlarda - 23), bu nedenle germ hücrelerinin kromozom seti denir. haploit(n) veya tek. Oluşumu mayotik hücre bölünmesiyle ilişkilidir.

Somatik hücrelerdeki DNA miktarı 2c ve cinsiyet hücrelerinde - 1c olarak belirlenmiştir. Somatik hücrelerin genetik formülü 2n2c ve cinsel hücreler - 1n1c olarak yazılmıştır.

Bazı somatik hücrelerin çekirdeklerindeki kromozom sayısı, somatik hücrelerdeki sayıdan farklı olabilir. Bu fark bir, iki, üç vb. haploid kümelerden büyükse bu tür hücrelere denir. poliploid(sırasıyla tri-, tetra-, pentaploid). Bu tür hücrelerde metabolik süreçler genellikle çok yoğun bir şekilde ilerler.

Farklı organizmalar eşit sayıda kromozoma sahip olabileceğinden, kromozom sayısı kendi başına türe özgü bir özellik değildir, ancak akraba olanlar farklı sayıda kromozoma sahip olabilir. Örneğin, sıtma plazmodyumu ve at yuvarlak solucanının her biri iki kromozoma sahipken, insanlarda ve şempanzelerde sırasıyla 46 ve 48 kromozom bulunur.

İnsan kromozomları iki gruba ayrılır: otozomlar ve cinsiyet kromozomları (heterokromozomlar). otozomalİnsan somatik hücrelerinde 22 çift vardır, bunlar erkekler ve kadınlar için aynıdır ve cinsiyet kromozomları yalnızca bir çift, ancak bireyin cinsiyetini belirleyen de budur. İki tür cinsiyet kromozomu vardır: X ve Y. Kadınların vücut hücreleri iki X kromozomu, erkeklerin ise X ve Y kromozomlarını taşır.

Karyotip- bu, bir organizmanın kromozom setinin bir dizi özelliğidir (kromozom sayısı, şekli ve boyutu).

Bir karyotipin koşullu kaydı, toplam kromozom sayısını, cinsiyet kromozomlarını ve kromozom setindeki olası sapmaları içerir. Örneğin normal bir erkeğin karyotipi 46, XY, normal bir kadının karyotipi ise 46, XX olarak yazılır.

Hücre yaşam döngüsü: fazlar arası ve mitoz

Hücreler her seferinde yeniden oluşmazlar, ancak ana hücrelerin bölünmesi sonucu oluşurlar. Bölünme sonrasında yavru hücrelerin organelleri oluşturması ve belirli bir işlevin yerine getirilmesini sağlayacak uygun yapıyı kazanması biraz zamana ihtiyaç duyar. Bu süreye denir olgunlaşma.

Bir hücrenin bölünme sonucu ortaya çıkmasından bölünmesine veya ölümüne kadar geçen süreye denir. Bir hücrenin yaşam döngüsü.

Ökaryotik hücrelerde yaşam döngüsü iki ana aşamaya ayrılır: fazlar arası ve mitoz.

Fazlar arası- Bu, yaşam döngüsünde hücrenin bölünmediği ve normal şekilde çalıştığı bir dönemdir. Ara faz üç döneme ayrılır: G 1 -, S- ve G 2 -dönemleri.

G 1 -dönem(presentetik, postmitotik), yeni oluşan hücrenin tam yaşam desteği için gerekli olan RNA, proteinler ve diğer maddelerin aktif sentezinin meydana geldiği bir hücre büyümesi ve gelişimi dönemidir. Bu sürenin sonuna doğru hücre, DNA'sını kopyalamaya hazırlanmaya başlayabilir.

İÇİNDE S dönemi(sentetik) DNA replikasyonu sürecinin kendisi gerçekleşir. Kromozomun replikasyona uğramayan tek kısmı sentromerdir, dolayısıyla ortaya çıkan DNA molekülleri tamamen ayrılmaz, ancak içinde bir arada kalır ve bölünmenin başlangıcında kromozom X şeklinde bir görünüme sahiptir. DNA ikiye katlandıktan sonra bir hücrenin genetik formülü 2n4c'dir. Ayrıca S periyodunda hücre merkezinin sentriyolleri iki katına çıkar.

G 2 -dönem(postsentetik, premitotik), hücre bölünmesi süreci için gerekli olan RNA, proteinler ve ATP'nin yoğun sentezinin yanı sıra merkezcillerin, mitokondri ve plastidlerin ayrılması ile karakterize edilir. İnterfazın sonuna kadar kromatin ve nükleolus net bir şekilde ayırt edilebilir kalır, nükleer zarfın bütünlüğü bozulmaz ve organeller değişmez.

Vücut hücrelerinin bir kısmı, vücudun ömrü boyunca işlevlerini yerine getirebilir (beynimizin nöronları, kalpteki kas hücreleri), diğerleri ise kısa bir süre var olur ve daha sonra ölürler (bağırsak epitel hücreleri, bağırsakların epidermal hücreleri). cilt). Sonuç olarak, vücudun sürekli olarak hücre bölünmesi süreçlerinden geçmesi ve ölü hücrelerin yerini alacak yenilerinin oluşması gerekir. Bölünme yeteneğine sahip hücrelere denir kök. İnsan vücudunda kırmızı kemik iliğinde, derinin epidermisinin derin katmanlarında ve diğer yerlerde bulunurlar. Bu hücreleri kullanarak yeni bir organ büyütebilir, gençleşmeyi başarabilir ve ayrıca vücudu klonlayabilirsiniz. Kök hücrelerin kullanılmasına yönelik beklentiler kesinlikle açıktır, ancak çoğu durumda kürtaj sırasında öldürülen insan embriyolarından elde edilen embriyonik kök hücreler kullanıldığından bu sorunun ahlaki ve etik yönleri hala tartışılmaktadır.

Bitki ve hayvan hücrelerinde interfaz süresi ortalama 10-20 saat, mitoz bölünme ise 1-2 saat kadar sürer.

Çok hücreli organizmalarda birbirini izleyen bölünmeler sırasında yavru hücreler, artan sayıda genden bilgi okudukça giderek daha fazla çeşitlenir.

Bazı hücreler zamanla bölünmeyi durdurur ve ölürler. Bu durum epidermal cilt hücreleri ve kan hücrelerinde olduğu gibi belirli işlevlerin tamamlanmasından veya bu hücrelerin çevresel faktörlerin, özellikle de patojenlerin neden olduğu hasardan kaynaklanabilir. Genetik olarak programlanmış hücre ölümüne ne ad verilir? apoptoz kazara ölüm sırasında - nekroz.

Mitoz somatik hücrelerin bölünmesidir. Mitozun aşamaları

Mitoz- somatik hücrelerin dolaylı bölünmesine yönelik bir yöntem.

Mitoz sırasında hücre bir dizi ardışık aşamadan geçer ve bunun sonucunda her yavru hücre, ana hücredekiyle aynı kromozom setini alır.

Mitoz dört ana aşamaya ayrılır: profaz, metafaz, anafaz ve telofaz. Profaz- Kromatinin yoğunlaştığı, iki kromatitten (kız kromozomlar) oluşan X şeklindeki kromozomların görünür hale geldiği mitozun en uzun aşaması. Bu durumda nükleolus kaybolur, merkezciller hücrenin kutuplarına ayrılır ve mikrotübüllerden bir akromatin mili (bölünme mili) oluşmaya başlar. Profazın sonunda nükleer membran ayrı keseciklere ayrılır.

İÇİNDE metafaz Kromozomlar, tam oluşmuş milin mikrotübüllerinin bağlandığı sentromerleriyle birlikte hücrenin ekvatoru boyunca dizilir. Bölünmenin bu aşamasında, kromozomlar en sıkışık durumdadır ve karakteristik bir şekle sahiptir, bu da karyotipin incelenmesini mümkün kılar.

İÇİNDE anafaz Sentromerlerde hızlı DNA replikasyonu meydana gelir, bunun sonucunda kromozomlar bölünür ve kromatitler mikrotübüller tarafından gerilmiş hücrenin kutuplarına ayrılır. Kromatidlerin dağılımı kesinlikle eşit olmalıdır, çünkü vücut hücrelerinde sabit sayıda kromozomun korunmasını sağlayan bu işlemdir.

Sahnede telofazlar yavru kromozomlar kutuplarda toplanır, etraflarında veziküllerden despiral nükleer membranlar oluşur ve yeni oluşan çekirdeklerde nükleoller belirir.

Nükleer bölünmeden sonra sitoplazmik bölünme meydana gelir - sitokinez, bu sırada ana hücrenin tüm organellerinin az çok eşit bir dağılımı meydana gelir.

Böylece mitoz bölünme sonucunda bir ana hücreden, her biri ana hücrenin genetik kopyası olan iki yavru hücre oluşur (2n2c).

Vücudun hasta, hasarlı, yaşlanan hücrelerinde ve özel dokularında biraz farklı bir bölünme süreci meydana gelebilir: amitoz. Amitoz hücresel bileşenler eşit olmayan bir şekilde dağıldığından, genetik olarak eşdeğer hücrelerin oluşumunun gerçekleşmediği ökaryotik hücrelerin doğrudan bölünmesi denir. Bitkilerde endospermde ve hayvanlarda - karaciğerde, kıkırdakta ve gözün korneasında bulunur.

Mayoz. Mayoz bölünmenin aşamaları

Mayoz birincil germ hücrelerinin (2n2c) dolaylı olarak bölünmesine yönelik bir yöntemdir; bu, çoğunlukla germ hücreleri olmak üzere haploid hücrelerin (1n1c) oluşmasıyla sonuçlanır.

Mitozdan farklı olarak mayoz bölünme, her birinin önünde interfaz bulunan iki ardışık hücre bölünmesinden oluşur. Mayoz bölünmenin ilk bölümüne (mayoz I) denir. indirgemeci, çünkü bu durumda kromozom sayısı yarıya iner ve ikinci bölünme (mayoz II) - eşit, çünkü sürecinde kromozom sayısı korunur.

Aşama I Mitozun interfazı gibi ilerler. Mayoz I dört aşamaya ayrılır: profaz I, metafaz I, anafaz I ve telofaz I. B profaz Iİki önemli süreç meydana gelir: konjugasyon ve çaprazlama. Birleşme- Bu, homolog (eşleştirilmiş) kromozomların tüm uzunluk boyunca füzyonu işlemidir. Konjugasyon sırasında oluşan kromozom çiftleri metafaz I'in sonuna kadar korunur.

Karşıdan karşıya geçmek- homolog kromozomların homolog bölgelerinin karşılıklı değişimi. Çaprazlamanın bir sonucu olarak, her iki ebeveynden de vücuda alınan kromozomlar, genetik olarak çeşitli yavruların ortaya çıkmasına neden olan yeni gen kombinasyonları kazanır. Profaz I'in sonunda, mitozun profazında olduğu gibi, nükleolus kaybolur, sentrioller hücrenin kutuplarına ayrılır ve nükleer membran parçalanır.

İÇİNDE metafaz I Kromozom çiftleri hücrenin ekvatoru boyunca hizalanır ve iğ mikrotübülleri bunların sentromerlerine bağlanır.

İÇİNDE anafaz Iİki kromatitten oluşan bütün homolog kromozomlar kutuplara doğru ayrılır.

İÇİNDE telofaz I Hücrenin kutuplarındaki kromozom kümelerinin etrafında nükleer membranlar oluşur ve nükleoller oluşur.

Sitokinez I yavru hücrelerin sitoplazmalarının ayrılmasını sağlar.

Mayoz I sonucu oluşan yavru hücreler (1n2c), hücre kutuplarına rastgele dağılmış kromozomların farklı genler içermesi nedeniyle genetik olarak heterojendir.

Mitoz ve mayoz bölünmenin karşılaştırmalı özellikleri

İmza	Mitoz	Mayoz
Hangi hücreler bölünmeye başlar?	Somatik (2n)	Birincil germ hücreleri (2n)
Bölüm sayısı	1	2
Bölünme sırasında kaç adet ve ne tür hücre oluşur?	2 somatik (2n)	4 cinsel (n)
Fazlar arası		Hücreyi bölünmeye hazırlamak, DNA'nın ikiye katlanması	Çok kısa, DNA ikiye katlanması gerçekleşmez
Aşamalar		Mayoz I	Mayoz II
Profaz		Kromozom yoğunlaşması, nükleolusun kaybolması, nükleer membranın parçalanması, konjugasyon ve krosover meydana gelebilir.	Kromozom yoğunlaşması, nükleolusun kaybolması, nükleer membranın parçalanması
Metafaz		Ekvator boyunca kromozom çiftleri bulunur, bir iğ oluşur	Kromozomlar ekvator boyunca sıralanır ve bir iğ oluşur
Anafaz		İki kromatitteki homolog kromozomlar kutuplara doğru hareket eder	Kromatitler kutuplara doğru hareket eder
Telofaz		Kromozomlar bozulur, yeni nükleer membranlar ve nükleoller oluşur	Kromozomlar bozulur, yeni nükleer membranlar ve nükleoller oluşur

Aşama IIçok kısa, çünkü içinde DNA ikiye katlanması olmuyor, yani S dönemi yok.

Mayoz II ayrıca dört aşamaya ayrılır: faz II, metafaz II, anafaz II ve telofaz II. İÇİNDE profaz II Konjugasyon ve çaprazlama haricinde, profaz I'dekiyle aynı süreçler meydana gelir.

İÇİNDE metafaz II Kromozomlar hücrenin ekvatorunda bulunur.

İÇİNDE anafaz II Kromozomlar sentromerlerden bölünür ve kromatitler kutuplara doğru gerilir.

İÇİNDE telofaz II Kız kromozom kümelerinin etrafında nükleer membranlar ve nükleoller oluşur.

Sonrasında sitokinez II Dört yavru hücrenin hepsinin genetik formülü 1n1c'dir, ancak hepsi farklı bir gen setine sahiptir; bu, yavru hücrelerdeki anne ve baba organizmalarının kromozomlarının çaprazlanması ve rastgele kombinasyonunun sonucudur.

Bitkilerde ve hayvanlarda germ hücrelerinin gelişimi

Gametogenez(Yunanca'dan gamet- eş, gametler- kocası ve Yaratılış- kökeni, ortaya çıkışı) olgun germ hücrelerinin oluşum sürecidir.

Cinsel üreme çoğunlukla iki bireyi (bir kadın ve bir erkek, farklı cinsiyet hücreleri - yumurtalar ve sperm) gerektirdiğinden, bu gametlerin oluşum süreçleri farklı olmalıdır.

Sürecin doğası büyük ölçüde bunun bir bitki hücresinde mi yoksa hayvan hücresinde mi meydana geldiğine bağlıdır, çünkü bitkilerde gamet oluşumu sırasında yalnızca mitoz meydana gelir ve hayvanlarda hem mitoz hem de mayoz bölünme meydana gelir.

Bitkilerde germ hücrelerinin gelişimi. Kapalı tohumlularda, erkek ve dişi üreme hücrelerinin oluşumu çiçeğin farklı kısımlarında (sırasıyla organlarındaki ve pistillerinde) meydana gelir.

Erkek üreme hücrelerinin oluşumundan önce - mikrogametogenez(Yunanca'dan mikrolar- küçük) - olur mikrosporojenez yani stamenlerin anterlerinde mikrosporların oluşumu. Bu süreç, ana hücrenin mayotik bölünmesiyle ilişkilidir ve bu da dört haploid mikrosporla sonuçlanır. Mikrogametogenez, mikrosporun mitotik bölünmesiyle ilişkilidir ve iki hücreden bir erkek gametofit verir - büyük bir hücre. bitkisel(sifonojenik) ve sığ üretken. Bölünmeden sonra erkek gametofit yoğun zarlarla kaplanır ve bir polen tanesi oluşturur. Bazı durumlarda, hatta polenin olgunlaşması sürecinde ve bazen sadece pistilin tepeciğine transfer edildikten sonra, üretken hücre mitotik olarak bölünerek iki hareketsiz erkek germ hücresi oluşturur. sperm. Tozlaşmadan sonra, bitkisel hücreden, spermin döllenme için pistil yumurtalığına nüfuz ettiği bir polen tüpü oluşur.

Bitkilerde dişi üreme hücrelerinin gelişmesine ne ad verilir? megagametogenez(Yunanca'dan megalar- büyük). Önce pistilin yumurtalığında meydana gelir. megasporogenez Bunun sonucunda çekirdekte bulunan megasporun ana hücresinden mayotik bölünme yoluyla dört megaspor oluşur. Megasporlardan biri mitotik olarak üç kez bölünerek dişi gametofitini (sekiz çekirdekli bir embriyo kesesi) verir. Yavru hücrelerin sitoplazmalarının daha sonra ayrılmasıyla, ortaya çıkan hücrelerden biri, yanlarında sinerjidlerin bulunduğu bir yumurta haline gelir, embriyo kesesinin karşı ucunda üç antipod oluşur ve merkezde iki haploid çekirdeğin füzyonu sonucunda diploid bir merkezi hücre oluşur.

Hayvanlarda germ hücrelerinin gelişimi. Hayvanlarda germ hücrelerinin oluşumunda iki süreç vardır - spermatogenez ve oogenez.

spermatogenez(Yunanca'dan sperm, spermatozoa- tohum ve Yaratılış- kökeni, oluşumu) olgun erkek germ hücrelerinin - spermin oluşum sürecidir. İnsanlarda testislerde veya testislerde meydana gelir ve dört döneme ayrılır: üreme, büyüme, olgunlaşma ve oluşum.

İÇİNDE üreme sezonu Primordiyal germ hücreleri mitotik olarak bölünerek diploid oluşumuyla sonuçlanır. spermatogonia. İÇİNDE büyüme dönemi spermatogonia sitoplazmada besin biriktirir, büyür ve birincil spermatositler, veya 1. derece spermatositler. Ancak bundan sonra mayoz bölünmeye girerler ( olgunlaşma dönemi), bunun sonucunda ilk ikisi oluşur ikincil spermatosit, veya 2. derece spermatosit ve sonra hala büyük miktarda sitoplazmaya sahip dört haploid hücre - spermatidler. İÇİNDE oluşum dönemi sitoplazmalarının neredeyse tamamını kaybederler ve bir flagellum oluşturarak sperme dönüşürler.

Sperm, veya canlılar, - Başı, boynu ve kuyruğu olan çok küçük hareketli erkek üreme hücreleri.

İÇİNDE KAFAçekirdeğe ek olarak, akrozom- Döllenme sırasında yumurta zarlarının çözünmesini sağlayan değiştirilmiş bir Golgi kompleksi. İÇİNDE serviks, rahim ağzı hücre merkezinin sentriolleri ve tabanıdır at kuyruğu Sperm hareketini doğrudan destekleyen mikrotübüller oluşturur. Ayrıca sperme hareket için ATP enerjisi sağlayan mitokondriyi de içerir.

Oogenez(Yunanca'dan BM- yumurta ve Yaratılış- kökeni, oluşumu) olgun dişi germ hücrelerinin - yumurtaların oluşum sürecidir. İnsanlarda yumurtalıklarda meydana gelir ve üç dönemden oluşur: üreme, büyüme ve olgunlaşma. Rahim içi gelişim sırasında spermatogenezdekine benzer üreme ve büyüme dönemleri meydana gelir. Bu durumda primer germ hücrelerinden mitoz bölünme sonucu diploid hücreler oluşur. oogonia, daha sonra diploid birincil haline dönüşür oositler, veya 1. dereceden oositler. Mayoz ve ardından gelen sitokinez olgunlaşma dönemi, ana hücrenin sitoplazmasının eşit olmayan bölünmesi ile karakterize edilir, böylece sonuç olarak ilk önce bir tane elde edilir ikincil oosit, veya 2. derece yumurta, Ve ilk kutupsal cisim ve sonra ikincil oositten - tüm besin kaynağını koruyan yumurta ve ikinci kutup gövdesi, birinci kutup gövdesi ise ikiye ayrılır. Kutup cisimleri aşırı genetik materyali alır.

İnsanlarda yumurtalar 28-29 gün arayla üretilir. Yumurtaların olgunlaşması ve salınmasıyla ilgili döngüye adet denir.

Yumurta- yalnızca haploid bir kromozom seti değil, aynı zamanda embriyonun sonraki gelişimi için önemli bir besin kaynağı da taşıyan büyük bir dişi üreme hücresi.

Memelilerdeki yumurta, çeşitli faktörlerden zarar görme olasılığını azaltan dört zarla kaplıdır. İnsanlarda yumurtanın çapı 150-200 mikrona ulaşırken, devekuşunda birkaç santimetre olabilir.

Hücre bölünmesi organizmaların büyümesi, gelişmesi ve çoğalmasının temelidir. Mitoz ve mayozun rolü

Tek hücreli organizmalarda hücre bölünmesi birey sayısının artmasına, yani üremeye yol açıyorsa, çok hücreli organizmalarda bu sürecin farklı anlamları olabilir. Dolayısıyla, zigottan başlayarak embriyonik hücrelerin bölünmesi, birbirine bağlı büyüme ve gelişme süreçlerinin biyolojik temelidir. Hücre sayısının artmasının yanı sıra vücutta niteliksel bir değişikliğin de meydana geldiği ergenlik döneminde insanlarda da benzer değişiklikler gözlenir. Çok hücreli organizmaların üremesi de hücre bölünmesine dayanır, örneğin aseksüel üremede, bu süreç sayesinde organizmanın bir kısmı restore edilir ve cinsel üremede, gametogenez sürecinde cinsiyet hücreleri oluşur. daha sonra yeni bir organizmanın ortaya çıkmasına neden olur. Ökaryotik bir hücrenin ana bölünme yöntemlerinin (mitoz ve mayoz) organizmaların yaşam döngülerinde farklı anlamlara sahip olduğu unutulmamalıdır.

Mitozun bir sonucu olarak, kalıtsal materyalin, annenin tam kopyaları olan yavru hücreler arasında eşit bir dağılımı vardır. Mitoz bölünme olmasaydı, tek bir hücre olan zigottan gelişen çok hücreli organizmaların varlığı ve büyümesi mümkün olmazdı. Çünkü bu tür organizmaların tüm hücrelerinin aynı genetik bilgiyi içermesi gerekir.

Bölünme işlemi sırasında yavru hücreler, hücreler arası etkileşim nedeniyle içlerinde giderek daha fazla yeni gen grubunun aktivasyonuyla ilişkili olarak yapı ve işlevler açısından giderek daha çeşitli hale gelir. Bu nedenle organizmanın gelişimi için mitoz gereklidir.

Bu hücre bölünmesi yöntemi, aseksüel üreme ve hasarlı dokuların ve organların yenilenmesi (restorasyonu) süreçleri için gereklidir.

Mayoz, eşeyli üreme sırasında karyotipin sabitliğini sağlar, çünkü eşeyli üremeden önce kromozom setini yarıya indirir ve bu daha sonra döllenmenin bir sonucu olarak onarılır. Ayrıca mayoz bölünme, yavru hücrelerde kromozomların çaprazlanması ve rastgele birleşimi nedeniyle ebeveyn genlerinin yeni kombinasyonlarının ortaya çıkmasına yol açar. Bu sayede yavruların, doğal seçilim için materyal sağlayan ve evrimin maddi temeli olan genetik olarak çeşitli olduğu ortaya çıkıyor. Kromozomların sayısı, şekli ve boyutunda meydana gelen bir değişiklik, bir yandan organizmanın gelişiminde çeşitli sapmaların ortaya çıkmasına ve hatta ölümüne neden olabilirken, diğer yandan bireylerin ortaya çıkmasına neden olabilir. çevreye daha fazla uyum sağlar.

Dolayısıyla hücre, organizmaların büyüme, gelişme ve üreme birimidir.

§ 2. Ökaryotik bir hücrenin ana bileşenleri

Ökaryotik hücreler (Şekil 8 ve 9), prokaryotik hücrelerden çok daha karmaşık bir şekilde organize edilmiştir. Boyutları (birkaç mikrometreden birkaç santimetreye kadar), şekilleri ve yapısal özellikleri bakımından çok çeşitlidirler (Şekil 10).

Pirinç. 8. Ökaryotik bir hücrenin yapısı. Genelleştirilmiş şema

Pirinç. 9. Elektron mikroskobuna göre hücre yapısı

Pirinç. 10. Çeşitli ökaryotik hücreler: 1 – epitelyal; 2 – kan (e – eritroit, / – lösit); 3 – kıkırdak; 4 – kemikler; 5 – düz kas; 6 – bağ dokusu; 7 – sinir hücreleri; 8 – çizgili kas lifi

Ancak genel organizasyon ve temel bileşenlerin varlığı tüm ökaryotik hücrelerde aynıdır (Şekil 11).

Pirinç. 11. Ökaryotik hücre (diyagram)

Plazmalemma (dış hücre zarı). Hücrelerdeki diğer zarlar gibi (örneğin mitokondri, plastidler vb.) Plazma zarının temeli, iki sıra moleküle sahip bir lipit tabakasıdır (Şekil 12). Lipid molekülleri polar olduğundan (bir kutup hidrofiliktir, yani su tarafından çekilir, diğeri ise hidrofobiktir, yani su tarafından itilir), belirli bir sıraya göre düzenlenirler. Bir katmandaki moleküllerin hidrofilik uçları, sulu ortama - hücrenin sitoplazmasına ve diğer katmana - hücreden dışarıya - hücreler arası maddeye (çok hücreli organizmalarda) veya sulu ortama (tek hücreli organizmalarda) doğru yönlendirilir. ).

Pirinç. 12. Akışkan mozaik modeline göre hücre zarının yapısı. Protein ve glikoproteinler, hidrofilik uçları (daireler) dışarıya bakacak ve hidrofobik uçları (dalgalı çizgiler) zarın derinliklerine bakacak şekilde çift katmanlı bir lipit molekülüne batırılır.

Protein molekülleri, iki moleküllü bir lipit tabakasına mozaik olarak gömülür. Hayvan hücresinin dışında, polisakkarit molekülleri, plazmalemmanın lipitlerine ve protein moleküllerine bağlanarak glikolipitler ve glikoproteinler oluşturur.

Bu agrega bir katman oluşturur glikokaliks. Onunla ilişkili reseptör işlevi plazma membranları (aşağıya bakınız); aynı zamanda hücrenin kullandığı çeşitli maddeleri de biriktirebilir. Ek olarak glikokaliks, plazmalemmanın mekanik stabilitesini arttırır.

Bitki ve mantar hücrelerinde de destekleyici ve koruyucu rol oynayan hücre duvarı bulunur. Bitkilerde selülozdan, mantarlarda ise kitinden oluşur.

Dış hücre zarı aşağıdakiler de dahil olmak üzere bir dizi işlevi yerine getirir:

♦ mekanik(destekleme, form oluşturma);

♦ bariyer taşıma(farklı maddelere karşı seçici geçirgenlik: gerekli maddelerin hücreye girmesi ve gereksiz ve zararlı olanların uzaklaştırılması);

♦ reseptör(Hücrenin yakınında bulunan çeşitli kimyasalların belirlenmesi; hormon şeklindeki sinyallerin algılanması; “yabancı” proteinin bağışıklık sistemi hücreleri tarafından tanınması vb.).

Hücre ile çevre arasındaki madde değişimi pasif ve aktif olmak üzere farklı şekillerde gerçekleştirilir.

Su molekülleri ve çeşitli iyonlar pasif olarak (difüzyon, ozmoz nedeniyle), hücre enerji harcamadan özel gözeneklerden girerler - bunlar pasif ulaşım. Proteinler, polisakkaritler ve hatta tüm hücreler gibi makromoleküller, fagositoz Ve pinositoz enerji tüketimi ile – aktif taşımacılık.

Fagositoz yoluyla, tüm hücreler veya büyük parçacıklar yutulur (örneğin, amiplerde beslenmeyi veya bakterilerin koruyucu kan hücreleri tarafından fagositozu düşünün). Pinositoz sırasında sıvı maddenin küçük parçacıkları veya damlacıkları emilir. Her iki süreçte de ortak olan, emilen maddelerin, daha sonra hücrenin sitoplazmasının derinliklerine doğru hareket eden bir vakuol oluşturmak üzere istilacı bir dış zarla çevrelenmesidir.

Ekzositoz, fagositoz ve pinositozun tersi yönde bir süreçtir (aynı zamanda aktif taşımadır) (Şekil 13). Yardımı ile protozoadaki sindirilmemiş yiyecek kalıntıları veya salgı hücresinde oluşan biyolojik olarak aktif maddeler uzaklaştırılabilir.

Sitoplazma. Sitoplazma, çekirdek hariç, plazmalemma ile sınırlı olan hücrenin içeriğidir. Bu içerir temel madde (hyaloplazma), organeller Ve kapanımlar.

Hyaloplazma- her iki durumda da olabilen viskoz bir sıvı Zola(sıvı) veya jel(Jöle gibi).

Gerekirse sitoplazma, bir durumdan diğerine tersine çevrilebilir şekilde geçiş yapabilir. Örneğin, ameboid hareket sırasında (zooloji kursundaki "Protozoa" bölümünü hatırlayın), bir psödopod oluşumu sırasında, sitoplazmanın jelden sol'a ve tersi yönde hızlı geçişleri meydana gelir. Bunun nedeni çok sayıda filamentli protein molekülünün sitoplazmasında bulunmasıdır. aktina.Üç boyutlu bir ağ oluşturmak için birbirlerine bağlandıklarında sitoplazma jel halindedir ve ağ parçalandığında sol durumundadır.

Hyaloplazma çeşitli maddeler içerir - enzimler, proteinler, karbonhidratlar, yağlar ve diğerleri, organik ve mineral. Burada çeşitli kimyasal süreçler meydana gelir - maddelerin parçalanması, sentezleri ve modifikasyonları (değişiklikler).

Organoidler. Bunlar, hücrenin sitoplazmasında yer alan, belirli bir yapı ve fonksiyona sahip kalıcı bileşenleridir. Aşağıda bundan bahsedeceğiz genel amaçlı organoidler, tüm ökaryotların tüm hücre türlerinde doğaldır. İkincisinin hayati işlevlerinin sağlanmasıyla ilişkilidirler. Özel Amaçlı Organoidler yalnızca belirli (son derece uzmanlaşmış) tipteki hücrelerde bulunur - örneğin kas hücrelerindeki miyofibriller.

Genel amaçlı organeller hangi hücreye ve hangi organizmaya ait olursa olsun aynı yapıya sahiptirler. Ancak bunların arasında membranlı gruplar da var (endoplazmik retikulum, Golgi aygıtı, mitokondri, plastidler, lizozomlar, vakuoller), ve membran olmayan ( ribozomlar, hücre merkezi) yapı.

Endoplazmik retikulum (ER). EPS, zarlardan oluşur ve hücrenin tüm sitoplazmasına nüfuz eden karmaşık, dallanmış bir tübül ve sarnıç sistemidir (Şekil 14). İki tür EPS vardır - kaba Ve düz. Ribozomlar kaba zarlara (sitoplazmik taraftan) bağlanırken, pürüzsüz zarlarda bulunmazlar.

Pirinç. 14. Endoplazmik retikulum

Endoplazmik retikulum ökaryotik bir hücrede bir dizi önemli işlevi yerine getirir:

♦ sınırlayıcı(hücrenin iç hacminin çeşitli reaksiyon alanlarına bölünmesi);

♦ organik maddelerin sentezine katılım(ribozomlar kaba ER'nin zarlarında bulunur ve enzim kompleksleri pürüzsüz olanlarda bulunur ve lipitlerin, karbonhidratların vb. sentezini sağlar);

♦ Golgi aygıtının elemanlarının, lizozomların oluşumuna katılım;

♦ maddelerin taşınması.

Golgi aygıtı. Golgi aygıtı (AG) bir sistemdir. tanklar(düz vakuoller) ve kabarcıklar Küçük parçalarının ayrılması sonucu EPS nedeniyle oluşan hücre çekirdeğine yakın bir yerde bulunan (veziküller) (Şekil 15). Bu parçalar birleştiğinde, Golgi aygıtının yeni sarnıçları ortaya çıkarken, EPS'den çeşitli maddeler taşınır ve bunlar, karmaşık organik bileşiklerin (proteinler + karbonhidratlar, proteinler + lipitler, vb.) AG'nin hücre dışında yardımı. Bu biyolojik olarak aktif maddeler ya hücreden uzaklaştırılır (ekzositoz yoluyla salgı vakuolleri kullanılarak) ya da AG tarafından oluşturulan lizozomların bir parçasıdır (aşağıya bakınız).

Pirinç. 15. Golgi aygıtı:

Golgi aygıtı aşağıdaki işlevleri yerine getirir:

♦ sentez hücre tarafından üretilen biyolojik olarak aktif maddeler;

♦ çeşitli maddelerin salgılanması (hücreden uzaklaştırılması)(hormonlar, enzimler, hücre duvarının yapıldığı maddeler vb.);

♦ lizozom oluşumuna katılım.

Mitokondri. Tüm ökaryotik hücre türlerinde mitokondri bulunur (Şekil 16). Yuvarlak gövdelere veya çubuklara, daha az sıklıkla ipliklere benziyorlar. Boyutları 1 ila 7 mikron arasında değişmektedir. Bir hücredeki mitokondri sayısı birkaç yüz ile onbinler arasında (büyük protozoalarda) değişir.

Pirinç. 16. Mitokondri. Yukarıda - ışık mikroskobunda görülebilen idrar kanallarındaki mitokondri (a). Aşağıda mitokondriyal organizasyonun üç boyutlu bir modeli bulunmaktadır: 1 – cristae; 2 – dış zar; 3 – iç zar; 4 – matris

Mitokondri iki zardan oluşur: harici Ve dahili, arasında yer alan zarlar arası boşluk.İç zar, plakalar veya tüpler olan birçok girinti (krista) oluşturur. Bu organizasyon iç zarın geniş bir alanını sağlar. Organik maddelerde (karbonhidratlar, lipitler) bulunan enerjinin, hücrenin yaşamı için gerekli olan ATP enerjisine dönüştürülmesini sağlayan enzimler içerir. Bu nedenle mitokondrinin işlevi katılmaktır. enerji hücresel süreçler. Bu nedenle, örneğin çok fazla iş yapan kas hücrelerinde çok sayıda mitokondri bulunur.

Plastidler. Bitki hücrelerinde özel organeller bulunur - genellikle iğ şeklinde veya yuvarlak bir şekle sahip olan, bazen daha karmaşık olan plastidler. Üç tip plastid vardır - kloroplastlar (Şekil 17), kromoplastlar ve lökoplastlar.

Kloroplastlar pigment nedeniyle yeşil renkte farklılık gösterir - klorofil, sürecin sağlanması fotosentez, yani güneş ışığının enerjisini kullanarak sudan (H2O) ve karbondioksitten (CO2) organik maddelerin sentezi. Kloroplastlar esas olarak yaprak hücrelerinde (yüksek bitkilerde) bulunur. Kloroplast içeriğini çevreleyen, birbirine paralel yerleştirilmiş iki zardan oluşurlar - stroma.İç zar çok sayıda düzleştirilmiş kese oluşturur. tilakoidler, istiflenmiş olanlar (bir madeni para yığını gibi) – taneler - ve stromada yat. Klorofil içeren tilakoidlerdir.

Kromoplastlar hücrelerinde bol miktarda bulunan birçok çiçek ve meyvenin sarı, turuncu ve kırmızı rengini belirler. Bileşimlerindeki ana pigmentler şunlardır: karotenler. Kromoplastların işlevsel amacı renkli hayvanları çekmek, çiçeklerin tozlaşmasını ve tohumların yayılmasını sağlamaktır.

Pirinç. 17. Plastidler: a – Elodea yaprağı hücrelerindeki kloroplastlar, ışık mikroskobunda görülebilir; b - kloroplastın yüzeyine dik olarak yerleştirilmiş düz kese yığınları olan grana ile kloroplastın iç yapısının diyagramı; c - bireysel fan odacıklarını birbirine bağlayan anastomoz tüplerini gösteren daha ayrıntılı bir diyagram

Lökoplastlar Bitkilerin yeraltı kısımlarındaki hücrelerde (örneğin patates yumrularında), tohumlarda ve sapların çekirdeğinde bulunan renksiz plastidlerdir. Lökoplastlarda nişasta esas olarak glikozdan oluşur ve bitkilerin depolama organlarında birikir.

Bir türden plastidler diğerine dönüşebilir. Örneğin sonbaharda yapraklar renk değiştirdiğinde kloroplastlar kromoplastlara dönüşür.

Lizozomlar. Bu organeller, çapı 2 mikrona kadar olan bir zarla çevrelenmiş keseciklere benzer. Proteinleri, nükleik asitleri, polisakkaritleri ve lipitleri parçalayan birkaç düzine enzim içerirler. Lizozomların işlevi, karmaşık organik bileşiklerin (örneğin, besinler veya "harcanmış" hücresel bileşenlerin maddeleri) hücre içi parçalanma süreçlerine katılmaktır. Lizozomlar fagositik (veya pinositik) vakuollerle birleşerek bir sindirim vakuolü oluşturur.

Lizozom oluşumu Golgi aygıtının sarnıçlarından tomurcuklanma nedeniyle meydana gelir.

Ribozomlar. Ribozomlar (Şekil 18), hem ökaryotların hem de prokaryotların hücrelerinde bulunur, çünkü onlar önemli bir işlevi yerine getirirler. protein biyosentezi(bkz. bölüm 5). Her hücre, bu küçük yuvarlak organellerden on, yüz binlerce (birkaç milyona kadar) içerir.

Pirinç. 18. Endoplazmik retikulumun zarı üzerinde oturan bir ribozomun yapısının şeması: 1 - küçük alt birim; 2 – tRNA; 3 - aminoasil-tRNA; 4 – amino asit; 5 – büyük alt birim; 6 - endoplazmik retikulum zarı; 7 – sentezlenmiş polipeptit zinciri

Ribozom iki eşit olmayan alt birimden (parçadan) oluşur. Ayrı olarak oluşturulurlar ve bir protein molekülünün sentezi sırasında haberci RNA'yı "kapsayarak" birleşirler. Ribozomlar çeşitli proteinler ve ribozomal RNA'lar içerir.

Hücresel kapanımlar. Sitoplazmanın ana maddesinde tane, granül veya damlacık şeklinde bulunan, hücrede kalıcı olmayan bileşenlere verilen addır. Kapanımlar bir zarla çevrelenmiş olabilir veya olmayabilir.

İşlevsel olarak üç tür ekleme vardır: besin rezervi(nişasta, glikojen, yağlar, proteinler), salgı kapanımları(onlar tarafından üretilen glandüler hücrelerin karakteristik maddeleri - endokrin bezlerinin hormonları vb.) ve özel amacın dahil edilmesi(son derece uzmanlaşmış hücrelerde, örneğin kırmızı kan hücrelerindeki hemoglobin).

§ 3. Hücre çekirdeğinin organizasyonu. Kromozomlar

Hücre çekirdeği (bkz. Şekil 8 ve 9), kromozomlarda bulunan kalıtsal bilgilerin deposu olarak hizmet ettiğinden (aşağıya bakın) hücrenin yaşamında son derece önemlidir.

Çekirdek, içeriğini ayıran bir nükleer zarfla sınırlanmıştır. (karyoplazma) sitoplazmadan. Kabuk, bir boşlukla ayrılmış iki zardan oluşur. Her ikisine de çok sayıda gözenek nüfuz eder, bu sayede çekirdek ile sitoplazma arasında madde alışverişi mümkün olur. Çoğu ökaryotun hücre çekirdeğinde 1'den 7'ye kadar bulunur. nükleol. RNA ve tRNA sentezi süreçleri bunlarla ilişkilidir.

Ana Çekirdek Bileşenleri – kromozomlar, bir DNA molekülü ve çeşitli proteinlerden oluşur. Işık mikroskobunda yalnızca hücre bölünmesi döneminde açıkça görülebilirler. (mitoz, mayoz). Bölünmeyen bir hücrede kromozomlar, çekirdeğin tüm hacmine dağılmış uzun ince ipliklere benzer.

Hücre bölünmesi sırasında, kromozomal şeritler yoğun spiraller oluşturur ve bunun sonucunda (geleneksel bir mikroskop kullanılarak) çubuklar, "saç tokaları" şeklinde görünür hale gelirler. Genetik bilginin tamamı çekirdeğin kromozomları arasında dağıtılır. Bunları inceleme sürecinde aşağıdaki modeller belirlendi:

♦ somatik hücrelerin (yani cinsel olmayan vücut hücrelerinin) çekirdeklerinde, aynı türün tüm bireyleri aynı sayıda kromozom içerir. kromozom seti(Şekil 19);

Pirinç. 19. Aynı ölçekte gösterilen farklı bitki ve hayvan türlerinin kromozomları: 1,2 – amip; 3,4 – diatomlar; 5–8, 18,19 – yeşil algler; 9 – sinek mantarı; 10 – ıhlamur; 11–12 - Drosophila; 13 – somon balığı; 14 – skerda (Asteraceae familyası); 15 – aroid ailesinden bir bitki; 16 – corydalis kelebeği; 17 – keçiboynuzu ailesinden bir böcek; 20 – su gezgini böceği; 21 – çiçek böceği; 22 – amfibi Ambistoması; 23 – aloe (zambak ailesi)

♦ her tür, sayılarına göre kendi kromozom seti ile karakterize edilir (örneğin, bir kişinin 46 kromozomu vardır, bir Drosophila sineğinin 8, bir yuvarlak solucanın 4, bir kerevitin 196, bir atın 66 ve mısırın 104 kromozomu vardır);

♦ Somatik hücrelerin çekirdeklerindeki kromozomlar çiftler halinde gruplandırılabilir. homolog kromozomlar benzerliklerine göre (yapı ve işlev açısından);

♦ germ hücrelerinin (gametlerin) çekirdeklerinde, her bir homolog kromozom çifti yalnızca bir tane içerir, yani toplam kromozom seti somatik hücrelerin yarısı kadardır;

♦ Germ hücrelerinde bulunan tek bir kromozom setine ne ad verilir? haploit ve n harfiyle gösterilir ve somatik olarak - diploit(2n).

Yukarıdakilerden, her bir homolog kromozom çiftinin, döllenme sırasında baba ve anne kromozomlarının birleşmesi, yani cinsiyet hücrelerinin (gametler) füzyonu ile oluştuğu açıktır. Tersine, germ hücrelerinin oluşumu sırasında, her bir homolog kromozom çiftinden yalnızca bir tanesi gamete girer.

Kromozomlar farklı homolog çiftlerin boyutu ve şekli farklılık gösterir (Şekil 20 ve 21).

Pirinç. 20. Kromozomların yapısı ve türleri: a – görünüm 1 – sentromer; 2 – kısa omuz; 3 – uzun omuz); aynı kromozomun iç yapısı (1 – sentromer; – DNA molekülleri); c – kromozom türleri (1 – tek kollu; farklı kollu; 3 – eşit kollu: X – kol, V – sentromer)

Pirinç. 21. Kromozom DNA ve proteinlerden oluşur. DNA molekülü kopyalanır. Sentromer bölgesinde iki özdeş DNA çift sarmalı bağlı kalır. Bu kopyalar daha sonra hücre bölünmesi sırasında ayrı kromozomlar haline gelir.

Kromozomların gövdesinde bulunur birincil daralma (sentromer olarak adlandırılır), ipliklerin bağlı olduğu yer fisyon iğleri. Kromozomu ikiye böler omuz Kromozomlar eşit kollu, eşit olmayan kollu veya tek kollu olabilir.

Bölüm 5. Metabolizma

§ 1. Asimilasyon ve disimilasyonun birliği olarak metabolizma

Tüm hücreler ve canlı organizmalar açık sistemlerdir, yani çevreyle sürekli enerji ve madde alışverişi halindedirler. Cansız doğada açık sistemler vardır ancak bunların varlığı niteliksel olarak canlı organizmalardan farklıdır. Şu örneği düşünün: Yanan bir doğal kükürt parçası çevreyle değişim halindedir. Yandığında O2 emilir ve SO2 ve enerji (ısı formunda) açığa çıkar. Ancak bu durumda fiziksel bir cisim olarak kükürt parçası yok olur ve birincil yapısını kaybeder.

Canlı organizmalar için çevreyle alışveriş, kendilerini oluşturan tüm madde ve bileşenlerin kendini yenilemesi yoluyla yapısal organizasyonlarını korumanın ve sürdürmenin bir koşulu haline gelir.

Metabolizma (metabolizma), canlı organizmalarda meydana gelen (maddelerin ve enerjinin tüketimi, dönüşümü, birikmesi ve salınması) hayati aktivitelerini, gelişmelerini, büyümelerini, üremelerini sağlayan bir dizi süreçtir. Metabolik süreçte hücreleri oluşturan moleküller parçalanıp sentezlenir; hücresel yapıların ve hücreler arası maddenin yenilenmesi.

Metabolizma birbirine bağlı süreçlere dayanır asimilasyon(anabolizma) ve benzeşme(katabolizma). Asimilasyon (plastik değişim) sırasında basit maddelerden karmaşık maddeler sentezlenir. Bu sayede hücrenin yapısal bileşenlerinin, enzim sistemlerinin vb. yapımı için gerekli olan tüm organik maddeler yaratılır. Asimilasyon her zaman enerji harcanarak gerçekleştirilir.

Disimilasyon (enerji metabolizması) sırasında karmaşık organik maddeler daha basit veya inorganik maddelere ayrılır. Bu durumda, hücre tarafından hayati aktivitesini sağlayan çeşitli işlemleri (maddelerin sentezi ve taşınması, mekanik iş vb.) Gerçekleştirmek için harcanan enerji açığa çıkar.

Tüm canlı organizmalar iki gruba ayrılabilir: ototroflar Ve heterotroflar, Yaşamsal işlevlerini sağlamak için enerji kaynakları ve gerekli maddeler bakımından farklılık gösterenler.

Ototroflar– Güneş ışığının enerjisini kullanarak inorganik maddelerden organik bileşikler sentezleyen organizmalar (örneğin, fototroflar– bitkiler, siyanobakteriler) veya mineral (inorganik) maddelerin (örn. kemotroflar– kükürt bakterileri, demir bakterileri vb.). Sonuç olarak, yaşam aktiviteleri için gerekli maddeleri bağımsız olarak oluşturabilirler.

§ 2. Anaerobik ve aerobik organizmalarda disimilasyon

Organizmalar iki gruba ayrılabilir ve ayrışmanın doğasına göre - aeroblar Ve anaeroblar. Aeroblar (Yunanca'dan. iblis– hava) yaşam için serbest oksijene ihtiyaç duyar. Anaeroblarda (Yunanca. AC– negatif parçacık) gerekli değildir. İçlerinde disimilasyon, fermantasyon - organik maddenin oksijensiz, enzimatik parçalanması, daha basit organik maddelerin oluşumu ve enerjinin salınması ile gerçekleştirilir. Örneğin:

♦ laktik asit fermantasyonu:

C6H1206 + 2H3PO4 + 2ADP → 2PH + 2ATP + 2H20;

♦ alkolik fermantasyon:

C 6 H 12 Ö 6 + 2PH + 2ADP → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 2ATP + 2H 2 O.

Fermantasyon sırasında oluşan maddeler organiktir ve bu nedenle hala çok fazla enerji içerir.

Pirinç. 22. Ototrofik ve heterotrofik organizmalarda asimilasyon ve disimilasyon arasındaki ilişkiler

Aerobik organizmalarda, mitokondride solunum işlemi sırasında, organik maddelerin (O2 kullanılarak) enerji açısından zayıf son ürünler CO2 ve H20'ya tamamen parçalanması meydana gelir ve önemli ölçüde daha fazla miktarda enerji açığa çıkar:

C 6 H 12 0 6 (glikoz) + 0 2 > 6C0 2 + 6H 2 0 + enerji (bundan dolayı 38 ATP molekülü sentezlenir).

Ototrofik ve heterotrofik aerobik organizmaların metabolizmasını genelleştirilmiş şemalar şeklinde ele alalım (Şekil 22).

Asimilasyon. En önemli süreçleri şunlardır: fotosentez Ve protein biyosentezi.

Hücreye giren veya hücre tarafından dışarıya salınan maddelerin değişimi ve ayrıca mikro ve makro çevre ile çeşitli sinyallerin alışverişi, hücrenin dış zarı aracılığıyla gerçekleşir. Bilindiği gibi, hücre zarı, içine özel reseptörler, iyon kanalları, çeşitli kimyasalları aktif olarak taşıyan veya uzaklaştıran cihazlar, hücreler arası temaslar vb. olarak görev yapan çeşitli protein moleküllerinin gömülü olduğu bir lipit çift katmanıdır. Sağlıklı ökaryotik hücrelerde, fosfolipitler şu şekilde dağıtılır: membran asimetriktir: dış yüzey sfingomiyelin ve fosfatidilkolin, iç yüzey ise fosfatidilserin ve fosfatidiletanolaminden oluşur. Bu asimetriyi korumak enerji harcamasını gerektirir. Bu nedenle, hücre hasarı, enfeksiyon veya enerji açlığı durumunda, zarın dış yüzeyi kendisi için alışılmadık fosfolipitlerle zenginleştirilir ve bu, buna karşılık gelen bir reaksiyonla diğer hücreler ve enzimler için hücre hasarı hakkında bir sinyal haline gelir. En önemli rol, araşidonik asidi parçalayan ve yukarıda bahsedilen fosfolipidlerden lisoformlar oluşturan fosfolipaz A2'nin çözünür formu tarafından oynanır. Araşidonik asit, eikosanoidler gibi inflamatuar aracıların oluşturulmasında sınırlayıcı bağlantıdır ve koruyucu moleküller - pentraksinler (C-reaktif protein (CRP), amiloid proteinlerin öncüleri) - membrandaki lisoformlara bağlanır ve bunu kompleman aktivasyonu izler. klasik yol boyunca sistem ve hücre yıkımı.

Membranın yapısı, hücrenin iç ortamının özelliklerini, dış ortamdan farklılıklarını korumaya yardımcı olur. Bu, hücre zarının seçici geçirgenliği ve içindeki aktif taşıma mekanizmalarının varlığı ile sağlanır. Örneğin tetrodotoksin, ouabain, tetraetilamonyum gibi doğrudan hasarın bir sonucu olarak veya ilgili "pompalara" yetersiz enerji beslemesi durumunda bunların bozulması, hücrenin elektrolit bileşiminin bozulmasına, metabolizmasında değişikliklere, bozulmaya yol açar. spesifik fonksiyonların - kasılma, uyarma dürtülerinin iletilmesi vb. İnsanlarda hücresel iyon kanallarının (kalsiyum, sodyum, potasyum ve klorür) bozulması, bu kanalların yapısından sorumlu genlerin mutasyonu ile de genetik olarak belirlenebilir. Kanalopatiler olarak adlandırılan hastalıklar sinir, kas ve sindirim sistemlerinde kalıtsal hastalıklara neden olur. Hücreye aşırı su girişi, kompleman aktive edildiğinde membranın delinmesi veya sitotoksik lenfositlerin ve doğal öldürücü hücrelerin saldırısına bağlı olarak hücrenin yırtılmasına - sitolize - yol açabilir.

Hücre zarının içinde çok sayıda yerleşik reseptör bulunur; bunlar karşılık gelen spesifik sinyal molekülleri (ligandlar) ile birleştirildiğinde hücrenin içine bir sinyal ileten yapılardır. Bu, sırayla etkinleştirilen ve sonuçta büyüme ve çoğalma, farklılaşma, hareketlilik, yaşlanma ve hücre ölümü gibi çeşitli hücresel programların uygulanmasına katkıda bulunan, enzimatik olarak aktif moleküllerden oluşan çeşitli düzenleyici basamaklar aracılığıyla gerçekleşir. Düzenleyici basamaklar oldukça fazladır, ancak sayıları henüz tam olarak belirlenmemiştir. Reseptör sistemi ve bunlarla ilişkili düzenleyici basamaklar hücrenin içinde de mevcuttur; hücrenin fonksiyonel durumuna, gelişim aşamasına ve diğer reseptörlerden gelen sinyallerin eşzamanlı etkisine bağlı olarak konsantrasyon noktaları, dağıtım ve diğer sinyal yolunun seçimi ile spesifik bir düzenleyici ağ oluştururlar. Bunun sonucu, sinyalin farklı bir düzenleyici yol boyunca yönlendirilmesi yoluyla engellenmesi veya güçlendirilmesi olabilir. Hem reseptör aparatı hem de düzenleyici basamaklar yoluyla, örneğin çekirdeğe giden sinyal iletim yolları, organizma düzeyinde konjenital bir kusur olarak veya belirli bir hücre tipindeki somatik bir mutasyon nedeniyle ortaya çıkan bir genetik kusurun sonucu olarak bozulabilir. Bu mekanizmalar enfeksiyöz ajanlar ve toksinler tarafından zarar görebilir ve ayrıca yaşlanma süreci sırasında da değişebilir. Bunun son aşaması, hücrenin fonksiyonlarının, çoğalma ve farklılaşma süreçlerinin bozulması olabilir.

Hücrelerin yüzeyinde hücreler arası etkileşim süreçlerinde önemli rol oynayan moleküller de vardır. Bunlar arasında hücre yapışma proteinleri, doku uyumluluk antijenleri, dokuya özgü, farklılaştırıcı antijenler vb. yer alabilir. Bu moleküllerin bileşimindeki değişiklikler, hücreler arası etkileşimlerin bozulmasına neden olur ve bu tür hücrelerin ortadan kaldırılması için uygun mekanizmaların aktivasyonuna neden olabilir, çünkü bunlar Özellikle viral enfeksiyon rezervuarı olarak veya tümör büyümesinin potansiyel başlatıcıları olarak vücudun bütünlüğüne yönelik belirli bir tehlike.

Hücrenin enerji arzının ihlali

Hücredeki enerji kaynağı, enerjinin nihai maddelere dönüşmesinin ardından besindir. Enerji üretiminin ana yeri, maddelerin solunum zincirindeki enzimlerin yardımıyla oksitlendiği mitokondridir. Oksidasyon ana enerji tedarikçisidir, çünkü glikolizin bir sonucu olarak, oksidasyona kıyasla aynı miktarda oksidasyon substratından (glikoz)% 5'ten fazla enerji salınmaz. Oksidasyon sırasında açığa çıkan enerjinin yaklaşık %60'ı oksidatif fosforilasyon yoluyla yüksek enerjili fosfatlarda (ATP, kreatin fosfat) birikir, geri kalanı ısı olarak dağılır. Daha sonra yüksek enerjili fosfatlar hücre tarafından pompalama, sentez, bölünme, hareket, salgılama vb. işlemler için kullanılır. Hasarı hücrenin enerji tedarikinde bozulmaya neden olabilecek üç mekanizma vardır: Birincisi, enerji metabolizması enzimlerinin sentez mekanizması, ikincisi oksidatif fosforilasyon mekanizması, üçüncüsü enerji kullanım mekanizmasıdır.

Mitokondriyal solunum zincirinde elektron taşınmasının bozulması veya ADP oksidasyonu ve fosforilasyonunun ayrılması ve ATP üretiminin itici gücü olan proton potansiyelinin kaybı, oksidatif fosforilasyonun zayıflamasına yol açar, böylece enerjinin çoğu ısı olarak dağılır ve yüksek enerjili bileşiklerin sayısı azalır. Adrenalinin etkisi altında oksidasyon ve fosforilasyonun ayrılması, homeotermik organizmaların hücreleri tarafından, soğutma sırasında sabit bir vücut ısısını korurken veya ateş sırasında arttırırken ısı üretimini arttırmak için kullanılır. Tirotoksikozda mitokondriyal yapıda ve enerji metabolizmasında önemli değişiklikler görülür. Bu değişiklikler başlangıçta geri dönüşümlüdür, ancak bir noktadan sonra geri döndürülemez hale gelir: mitokondri parçalanır, parçalanır veya şişer, kristaları kaybeder, vakuollere dönüşür ve sonunda hiyalin, ferritin, kalsiyum, lipofusin gibi maddeler birikir. İskorbüt hastalarında mitokondri, muhtemelen peroksit bileşiklerinin membran hasarına bağlı olarak kondriosferleri oluşturmak üzere birleşir. Normal bir hücrenin kötü huylu bir hücreye dönüşümü sırasında iyonlaştırıcı radyasyonun etkisi altında mitokondride önemli hasar meydana gelir.

Mitokondri, konsantrasyonunun sitoplazmadakinden birkaç kat daha yüksek olduğu güçlü bir kalsiyum iyonu deposudur. Mitokondri hasar gördüğünde, kalsiyum sitoplazmaya girerek proteinazların aktivasyonuna neden olarak hücre içi yapılara zarar verir ve karşılık gelen hücrenin fonksiyonlarının bozulmasına neden olur, örneğin kalsiyum kontraktürleri ve hatta nöronlarda "kalsiyum ölümü". Mitokondrinin fonksiyonel kapasitesinin bozulmasının bir sonucu olarak, çok yüksek reaktiviteye sahip olan ve dolayısıyla hücrenin önemli bileşenlerine (nükleik asitler, proteinler ve lipitler) zarar veren serbest radikal peroksit bileşiklerinin oluşumu keskin bir şekilde artar. Bu olay oksidatif stres olarak adlandırılan durumlarda gözlenir ve hücrenin varlığı açısından olumsuz sonuçlara yol açabilir. Bu nedenle, mitokondrinin dış zarındaki hasara, programlanmış hücre ölümü - apoptoza neden olan zincir reaksiyonlarını tetikleyen, başta sitokrom C ve diğer bazı biyolojik olarak aktif maddeler olmak üzere, zarlar arası boşlukta bulunan maddelerin sitoplazmasına salınması eşlik eder. Serbest radikal reaksiyonları, mitokondriyal DNA'ya zarar vererek, özellikle mitokondride üretilen belirli solunum zinciri enzimlerinin oluşumu için gerekli olan genetik bilgiyi bozar. Bu, oksidatif süreçlerin daha da fazla bozulmasına yol açar. Genel olarak mitokondrinin kendi genetik aygıtı, çekirdeğin genetik aygıtıyla karşılaştırıldığında, içinde kodlanan genetik bilgiyi değiştirebilecek zararlı etkilerden daha az korunur. Sonuç olarak, mitokondri fonksiyon bozukluğu yaşam boyunca, örneğin yaşlanma sürecinde, hücrenin malign dönüşümü sırasında ve ayrıca yumurtadaki mitokondriyal DNA'nın mutasyonuyla ilişkili kalıtsal mitokondriyal hastalıkların arka planında meydana gelir. Şu anda sinir ve kas sistemlerinde kalıtsal dejeneratif hastalıklara neden olan 50'den fazla mitokondriyal mutasyon tanımlanmıştır. Spermin mitokondrileri zigotun ve dolayısıyla yeni organizmanın bir parçası olmadığı için çocuğa yalnızca anneden bulaşırlar.

Genetik bilginin korunması ve aktarımının ihlali

Hücre çekirdeği genetik bilginin çoğunu içerir ve bu sayede normal işleyişini sağlar. Seçici gen ekspresyonu yoluyla, interfaz sırasında hücre aktivitesini koordine eder, genetik bilgiyi depolar ve hücre bölünmesi sırasında genetik materyali yeniden oluşturur ve iletir. DNA replikasyonu ve RNA transkripsiyonu çekirdekte meydana gelir. Ultraviyole ve iyonlaştırıcı radyasyon, serbest radikal oksidasyonu, kimyasallar, virüsler gibi çeşitli patojenik faktörler DNA'ya zarar verebilir. Sıcakkanlı bir hayvanın her hücresinin 1 gün sürdüğü tahmin edilmektedir. 10.000'den fazla baz kaybeder. Bölme sırasında kopyalama sırasında meydana gelen ihlalleri buraya eklemeliyiz. Bu hasarlar devam ederse hücrenin hayatta kalması mümkün olmazdı. Koruma, DNA hasarının yerini alan ultraviyole endonükleaz, onarım replikasyonu ve rekombinasyon onarım sistemleri gibi güçlü onarım sistemlerinin varlığında yatmaktadır. Onarım sistemlerindeki genetik bozukluklar, DNA'ya zarar veren faktörlere karşı artan duyarlılığın neden olduğu hastalıkların gelişmesine neden olur. Bu, kseroderma pigmentozumun yanı sıra, bazı hızlandırılmış yaşlanma sendromlarının yanı sıra, kötü huylu tümörler geliştirme eğiliminin artmasıdır.

DNA replikasyonu, haberci RNA'nın (mRNA) transkripsiyonu ve genetik bilginin nükleik asitlerden protein yapısına çevrilmesi süreçlerini düzenleyen sistem oldukça karmaşık ve çok seviyelidir. Belirli genleri aktive eden toplam sayısı 3000'in üzerinde olan transkripsiyon faktörlerinin etkisini tetikleyen düzenleyici basamaklara ek olarak, küçük RNA moleküllerinin (müdahale eden RNA; RNAi) aracılık ettiği çok seviyeli bir düzenleyici sistem de vardır. Yaklaşık 3 milyar pürin ve pirimidin bazından oluşan insan genomu, protein sentezinden sorumlu yapısal genlerin yalnızca %2'sini içerir. Geri kalanı, transkripsiyon faktörleriyle eşzamanlı olarak kromozomlardaki DNA düzeyinde yapısal genlerin çalışmasını aktive eden veya bloke eden veya bir polipeptit molekülünün oluşumu sırasında haberci RNA'nın (mRNA) translasyon işlemlerini etkileyen düzenleyici RNA'ların sentezini sağlar. sitoplazma. Genetik bilginin ihlali, hem yapısal genler düzeyinde hem de DNA'nın düzenleyici kısmında, çeşitli kalıtsal hastalıklar şeklinde karşılık gelen belirtilerle ortaya çıkabilir.

Son zamanlarda, bir organizmanın bireysel gelişimi sırasında meydana gelen ve DNA'nın ve kromozomların belirli bölümlerinin metilasyonu, asetilasyonu ve fosforilasyonu nedeniyle inhibisyonu veya aktivasyonu ile ilişkili olan genetik materyalde meydana gelen değişikliklere çok fazla dikkat çekilmiştir. Bu değişiklikler uzun bir süre, bazen organizmanın embriyogenezden yaşlılığa kadar tüm yaşamı boyunca devam eder ve epigenomik kalıtım olarak adlandırılır.

Genetik bilgisi değiştirilmiş hücrelerin çoğalması da mitotik döngüyü kontrol eden sistemler (faktörler) tarafından engellenir. Sikline bağımlı protein kinazlarla ve bunların katalitik alt birimleriyle (siklinler) etkileşime girerler ve hücrenin tam mitotik döngüden geçmesini engellerler, DNA onarımı tamamlanana kadar presentetik ve sentetik fazlar arasındaki sınırda (G1/S bloğu) bölünmeyi durdururlar. eğer bu mümkün değilse programlanmış ölüm hücrelerini başlatırlar. Bu faktörler arasında, mutasyonu, dönüştürülmüş hücrelerin çoğalması üzerinde kontrol kaybına neden olan p53 geni; insan kanserlerinin neredeyse %50'sinde görülür. Mitotik döngünün ikinci kontrol noktası G2/M sınırındadır. Burada, mitoz veya mayozda yavru hücreler arasındaki kromozomal materyalin doğru dağılımı, hücre milini, merkezini ve sentromerlerini (kinetokorlar) kontrol eden bir dizi mekanizma kullanılarak kontrol edilir. Bu mekanizmaların etkisizliği, kromozomların veya parçalarının dağılımının bozulmasına yol açar; bu durum, yavru hücrelerden birinde herhangi bir kromozomun bulunmaması (anöploidi), fazladan bir kromozomun varlığı (poliploidi), bir kromozomun ayrılmasıyla kendini gösterir. Bir kromozomun bir kısmının (delesyon) başka bir kromozoma aktarılması (translokasyon). Bu tür işlemler, malign olarak dejenere edilmiş ve dönüştürülmüş hücrelerin çoğalması sırasında sıklıkla gözlenir. Eğer bu durum germ hücreleri ile mayoz sırasında meydana gelirse, ya embriyonik gelişimin erken bir aşamasında fetüsün ölümüne ya da kromozomal hastalığı olan bir organizmanın doğmasına yol açar.

Tümör büyümesi sırasında kontrolsüz hücre çoğalması, hücre çoğalmasını kontrol eden ve onkogen adı verilen genlerdeki mutasyonlar sonucu ortaya çıkar. Şu anda bilinen 70'ten fazla onkogen arasında, çoğu hücre büyümesi düzenlemesinin bileşenlerine aittir; bazıları, gen aktivitesini düzenleyen transkripsiyon faktörlerinin yanı sıra hücre bölünmesini ve büyümesini engelleyen faktörlerle temsil edilir. Çoğalan hücrelerin aşırı genişlemesini (yayılmasını) sınırlayan bir başka faktör, tamamen sterik etkileşimin bir sonucu olarak tam olarak kopyalanamayan kromozomların - telomerlerin uçlarının kısalmasıdır, bu nedenle, her hücre bölünmesinden sonra telomerler kısalır. üslerin belirli bir kısmı. Bu nedenle, yetişkin bir organizmanın çoğalan hücreleri belirli sayıda bölünmeden sonra (organizmanın türüne ve yaşına bağlı olarak genellikle 20'den 100'e kadar) telomer uzunluğunu tüketir ve daha fazla kromozom replikasyonu durur. Bu fenomen, her bölünmeden sonra telomer uzunluğunu eski haline getiren telomeraz enziminin varlığı nedeniyle sperm epitelinde, enterositlerde ve embriyonik hücrelerde meydana gelmez. Yetişkin organizmaların çoğu hücresinde telomeraz bloke edilir, ancak ne yazık ki tümör hücrelerinde aktive edilir.

Çekirdek ile sitoplazma arasındaki bağlantı ve maddelerin her iki yönde taşınması, enerji tüketen özel taşıma sistemlerinin katılımıyla nükleer membrandaki gözenekler aracılığıyla gerçekleştirilir. Bu sayede enerji ve plastik maddeler, sinyal molekülleri (transkripsiyon faktörleri) çekirdeğe taşınır. Ters akış, hücrede protein sentezi için gerekli olan ribozomlar olan mRNA ve transfer RNA'nın (tRNA) sitoplazma moleküllerine taşınır. Maddelerin aynı taşınma yolu virüslerin, özellikle de HIV'in doğasında vardır. Genetik materyallerini, konakçı genomuna daha fazla dahil edilmesi ve yeni viral parçacıkların proteinlerinin daha fazla sentezi için yeni oluşan viral RNA'nın sitoplazmaya aktarılmasıyla konakçı hücrenin çekirdeğine aktarırlar.

Sentez süreçlerinin ihlali

Protein sentezi süreçleri, ribozomların, tRNA'nın ve mRNA'nın endoplazmik retikuluma girdiği nükleer membrandaki gözeneklerle yakından bağlantılı olan endoplazmik retikulumun sarnıçlarında meydana gelir. Burada, daha sonra agranüler endoplazmik retikulum ve lamel kompleksinde (Golgi kompleksi) son şeklini alan, translasyon sonrası modifikasyona uğradıkları ve karbonhidrat ve lipit molekülleri ile birleştikleri polipeptit zincirlerinin sentezi gerçekleştirilir. Yeni oluşan protein molekülleri sentez yerinde kalmaz, ancak adı verilen karmaşık düzenlenmiş bir işlemle kalır. proteinkinezi, amaçlanan işlevini yerine getirecekleri hücrenin izole edilmiş kısmına aktif olarak aktarılırlar. Bu durumda çok önemli bir adım, aktarılan molekülün, doğal işlevini yerine getirebilecek uygun bir uzaysal konfigürasyonda yapılandırılmasıdır. Bu yapılanma, özel enzimlerin yardımıyla veya yeni oluşan veya dış etki nedeniyle değişen protein molekülünün doğru üç boyutlu yapıyı elde etmesine yardımcı olan özel protein molekülleri - şaperonlardan oluşan bir matris üzerinde meydana gelir. Hücre üzerinde olumsuz bir etki olması durumunda, protein moleküllerinin yapısının bozulma olasılığı olduğunda (örneğin, vücut ısısında bir artış, bulaşıcı bir süreç, zehirlenme ile), hücredeki şaperon konsantrasyonu artar. keskin bir şekilde. Bu nedenle bu tür moleküllere aynı zamanda denir. stres proteinleri, veya ısı şoku proteinleri. Bir protein molekülünün yapılanmasının ihlali, amiloidoz, Alzheimer hastalığı vb. Sırasında hücre içinde veya dışında biriken kimyasal olarak inert konglomeraların oluşumuna yol açar. Bazen önceden yapılandırılmış benzer bir molekül bir matris görevi görebilir ve bu durumda Bu durumda, eğer birincil yapılanma hatalı gerçekleşirse, sonraki tüm moleküller de hatalı olacaktır. Bu durum, prion hastalıklarında (koyunlarda scrapie, kuduz inekler, kuru, insanlarda Creutzfeldt-Jakob hastalığı) meydana gelir; sinir hücresinin membran proteinlerinden birindeki bir kusur, hücre içinde inert kütlelerin daha sonra birikmesine neden olur. ve hayati fonksiyonlarının bozulması.

Bir hücrede sentez süreçlerinin bozulması çeşitli aşamalarında meydana gelebilir: çekirdekte RNA transkripsiyonu, ribozomlarda polipeptitlerin translasyonu, translasyon sonrası modifikasyon, bej molekülün hipermetilasyonu ve glikosilasyonu, proteinlerin hücre içinde taşınması ve dağıtımı ve bunların uzaklaştırılması. dışarıya. Bu durumda ribozom sayısında bir artış veya azalma, poliribozomların parçalanması, granüler endoplazmik retikulum sarnıçlarının genişlemesi, ribozom kaybı, vezikül ve vakuol oluşumu gözlemlenebilir. Böylece soluk bir batağan tarafından zehirlendiğinde RNA polimeraz enzimi hasar görür ve bu da transkripsiyonu bozar. Difteri toksini, uzama faktörünü etkisiz hale getirerek çeviri süreçlerini bozarak miyokardiyal hasara neden olur. Bazı spesifik protein moleküllerinin sentezinin bozulmasının nedeni enfeksiyöz ajanlar olabilir. Örneğin, herpes virüsleri, MHC antijen moleküllerinin sentezini ve ekspresyonunu inhibe eder, bu da bağışıklık kontrolünden kısmen kaçınmalarına olanak tanır; veba basili - akut inflamasyon aracılarının sentezi. Olağandışı proteinlerin ortaya çıkması, bunların daha fazla parçalanmasını durdurabilir ve inert ve hatta toksik maddelerin birikmesine yol açabilir. Bu, bir dereceye kadar, çürüme süreçlerinin bozulmasıyla kolaylaştırılabilir.

Çürüme süreçlerinin bozulması

Hücrede protein sentezi ile eş zamanlı olarak sürekli olarak parçalanması da meydana gelir. Normal koşullar altında bunun, örneğin enzimlerin, protein hormonlarının ve mitotik döngü proteinlerinin aktif olmayan formlarının aktivasyonu sırasında önemli düzenleyici ve biçimlendirici önemi vardır. Normal hücre büyümesi ve gelişimi, proteinlerin ve organellerin sentezi ve bozulması arasında hassas bir şekilde kontrol edilen bir denge gerektirir. Bununla birlikte, protein sentezi sürecinde, sentezleme aparatının çalışmasındaki hatalar, protein molekülünün anormal yapılanması ve kimyasal ve bakteriyel ajanların zarar görmesi nedeniyle sürekli olarak oldukça fazla sayıda kusurlu molekül oluşur. Bazı tahminlere göre bunların payı, sentezlenen tüm proteinlerin yaklaşık üçte biri kadardır.

Memeli hücrelerinin birkaç ana yapısı vardır. Protein yıkımının yolları: lizozomal proteazlar (pentid hidrolazlar), kalsiyuma bağımlı proteinazlar (endopeptidazlar) ve proteazom sistemi yoluyla. Ayrıca kaspazlar gibi özelleşmiş proteinazlar da vardır. Ökaryotik hücrelerde maddelerin parçalanmasının gerçekleştiği ana organel, çok sayıda hidrolitik enzim içeren lizozomdur. Lizozomlarda ve fagolizozomlarda endositoz ve çeşitli otofaji türleri nedeniyle, hem kusurlu protein molekülleri hem de tüm organeller yok edilir: hasarlı mitokondri, plazma zarının bölümleri, bazı hücre dışı proteinler ve salgı granüllerinin içeriği.

Protein parçalanmasının önemli bir mekanizması, sitozol, çekirdek, endoplazmik retikulum ve hücre zarı üzerinde lokalize olan karmaşık yapıya sahip multikatalitik bir proteinaz yapısı olan proteozomdur. Bu enzim sistemi, normal hücre fonksiyonu için çıkarılması gereken sağlıklı proteinlerin yanı sıra hasarlı proteinlerin de parçalanmasından sorumludur. Bu durumda, yok edilecek proteinler öncelikle spesifik bir polipeptit olan ubikuitin ile birleştirilir. Bununla birlikte, her yerde bulunamayan proteinler de proteozomlarda kısmen yok edilebilir. Proteozomlardaki protein moleküllerinin kısa polipeptitlere parçalanması (işleme) ve bunların daha sonra tip I MHC molekülleri ile birlikte sunulması, vücuttaki antijenik homeostazın immün kontrolünde önemli bir bağlantıdır. Proteazom fonksiyonu zayıfladığında, hasar görür ve gereksiz proteinler birikerek hücre yaşlanmasına eşlik eder. Sikline bağımlı proteinlerin bozulmasının ihlali, hücre bölünmesinin bozulmasına, salgı proteinlerinin bozulmasına - sistofibroz gelişimine yol açar. Tersine, proteazom fonksiyonundaki artış vücudun tükenmesine (AIDS, kanser) eşlik eder.

Genetik olarak belirlenmiş protein bozulması bozukluklarında organizma yaşayamaz ve embriyogenezin erken aşamalarında ölür. Yağların veya karbonhidratların parçalanması bozulursa depo hastalıkları (thesaurismosis) ortaya çıkar. Bu durumda, hücrenin içinde aşırı miktarda belirli madde veya bunların eksik parçalanmasının ürünleri - lipitler, polisakkaritler - birikir ve bu da hücrenin işlevine önemli ölçüde zarar verir. Çoğu zaman bu, karaciğer epitel hücrelerinde (hepatositler), nöronlarda, fibroblastlarda ve makrofagositlerde görülür.

Maddelerin parçalanma süreçlerindeki edinilmiş bozukluklar, patolojik süreçlerin (örneğin protein, yağ, karbonhidrat ve pigment dejenerasyonu) bir sonucu olarak ortaya çıkabilir ve buna olağandışı maddelerin oluşumu eşlik eder. Lizozomal proteoliz sistemindeki bozukluklar, açlık sırasında adaptasyonun azalmasına veya stresin artmasına ve bazı endokrin fonksiyon bozukluklarının (insülin, tiroglobulin, sitokinler ve bunların reseptörlerinin azalmış seviyeleri) ortaya çıkmasına neden olur. Bozulmuş protein yıkımı yara iyileşme hızını yavaşlatır, ateroskleroz gelişimine neden olur ve bağışıklık tepkisini etkiler. Hipoksi ile, hücre içi pH'taki değişiklikler, membran lipitlerinin peroksidasyonunun artması ve ayrıca lizozomotropik maddelerin etkisi altında - bakteriyel endotoksinler, toksik mantarların metabolitleri (sporofusarin), silikon oksit kristalleri - lizozom membranının stabilitesi ile karakterize edilen radyasyon hasarı. değişiklikler, aktive edilmiş lizozomal enzimler sitoplazmaya salınır, bu da hücre yapılarının tahrip olmasına ve ölümüne neden olur.

Organizmanın çevre ile bağlantısı fizikokimyasal açıdan açık bir sistemdir, yani biyokimyasal süreçlerin devam ettiği bir sistemdir. Başlangıç ​​maddeleri çevreden gelir ve sürekli olarak oluşan maddeler de dışarıya taşınır. Vücuttaki çok yönlü reaksiyonların ürünlerinin hızı ve konsantrasyonu arasındaki denge koşulludur, hayalidir, çünkü maddelerin alımı ve uzaklaştırılması durmaz. Çevreyle sürekli bağlantı, canlı bir organizmayı açık bir sistem olarak düşünmemizi sağlar.

Tüm canlı hücrelerin enerji kaynağı Güneş'tir. Bitki hücreleri, klorofil yardımıyla güneş ışığından enerji yakalar ve bunu fotosentez işlemi sırasında asimilasyon reaksiyonları için kullanır. Hayvan hücreleri, mantarlar ve bakteriler, topraktaki bitkilerin sentezlediği organik maddelerin parçalanması sırasında güneş enerjisini dolaylı olarak kullanırlar.

Hücrenin besin maddelerinin bir kısmı hücresel solunum sırasında parçalanır, böylece çeşitli hücresel aktivite türleri için gerekli enerji sağlanır. Bu işlem mitokondri adı verilen organellerde gerçekleşir. Mitokondri iki zardan oluşur: organelleri sitoplazmadan ayıran dış zar ve çok sayıda kıvrım oluşturan iç zar. Solunumun ana ürünü ATP'dir. Mitokondriden ayrılır ve sitoplazma ve hücre zarındaki birçok kimyasal reaksiyon için enerji kaynağı olarak kullanılır. Hücresel solunum için oksijen gerekiyorsa, o zaman solunum aerobik olarak adlandırılır, ancak oksijen yokluğunda reaksiyonlar meydana gelirse anaerobik solunumdan bahsederiz.

Bir hücrede gerçekleştirilen her türlü iş için enerji, tek bir biçimde, ATP'nin fosfat bağlarından gelen enerji biçiminde kullanılır. ATP kolayca hareket edebilen bir bileşiktir. ATP oluşumu mitokondrinin iç zarında meydana gelir. ATP, karbonhidratların, yağların ve diğer organik maddelerin oksidasyon enerjisi nedeniyle solunum sırasında tüm hücrelerde sentezlenir. Yeşil bitki hücrelerinde ATP'nin büyük kısmı güneş enerjisi nedeniyle kloroplastlarda sentezlenir. Fotosentez sırasında mitokondriden kat kat daha fazla ATP üretirler. ATP, fosfor-oksijen bağlarının kopması ve enerjinin açığa çıkmasıyla ayrışır. Bu, ATP'nin hidrolizi sırasında ATPaz enziminin etkisi altında meydana gelir - bir fosforik asit molekülünün ortadan kaldırılmasıyla suyun eklenmesi. Sonuç olarak ATP, ADP'ye dönüştürülür ve iki molekül fosforik asit bölünürse AMP'ye dönüştürülür. Her bir gram asit molekülünün eliminasyon reaksiyonuna 40 kJ salınımı eşlik eder. Bu çok büyük bir enerji çıkışıdır, bu nedenle ATP'nin fosfor-oksijen bağlarına genellikle makroerjistik (yüksek enerji) adı verilir.

ATP'nin plastik değişim reaksiyonlarında kullanımı, bunların ATP hidrolizi ile birleştirilmesiyle gerçekleştirilir. Hidroliz sırasında açığa çıkan fosfor grubunun ATP molekülüne bağlanmasıyla, yani fosforilasyonla çeşitli maddelerin molekülleri enerji ile yüklenir.

Fosfat türevlerinin özelliği, "boşaltılan" formlarının zardan serbestçe geçmesine rağmen hücreyi terk edememeleridir. Bu sayede fosforile olmuş moleküller uygun reaksiyonlarda kullanılıncaya kadar hücrede kalır.

ADP'nin ATP'ye dönüştürülmesinin ters süreci, ADP'ye bir fosforik asit molekülünün eklenmesi, suyun serbest bırakılması ve büyük miktarda enerjinin emilmesiyle gerçekleşir.

Dolayısıyla ATP, hücre aktivitesi için evrensel ve doğrudan bir enerji kaynağıdır. Bu, tek bir hücresel enerji havuzu oluşturur ve onu hücrenin bir bölgesinden diğerine yeniden dağıtmayı ve taşımayı mümkün kılar.

Fosfat grubunun transferi, monomerlerden makromoleküllerin birleştirilmesi gibi kimyasal reaksiyonlarda önemli bir rol oynar. Örneğin amino asitler ancak önceden fosforile edildikten sonra peptitler halinde birleştirilebilir. Büzülme veya hareket gibi mekanik süreçler, çözünmüş bir maddenin konsantrasyon gradyanına karşı taşınması ve diğer süreçler, ATP'de depolanan enerjinin tüketimini içerir.

Enerji metabolizması süreci aşağıdaki gibi temsil edilebilir. Sitoplazmadaki yüksek moleküler organik maddeler, hidroliz yoluyla enzimatik olarak içerdikleri daha basit maddelere dönüştürülür: proteinler - amino asitlere, poli ve disakkaritler - monosakaritlere (+ glikoz), yağlar gliserol ve yağ asitlerine. Oksidatif süreçler yoktur, kullanılmayan ve termal forma giren çok az enerji açığa çıkar. Çoğu hücre ilk önce karbonhidratları kullanır. Polisakkaritler (bitkilerde nişasta ve hayvanlarda glikojen) glikoza hidrolize edilir. Glikoz oksidasyonu üç aşamada meydana gelir: glikoliz, oksidatif dekarboksilasyon (Krebs döngüsü - sitrik asit döngüsü) ve oksidatif fosforilasyon (solunum zinciri). Sitoplazmada, bir molekül glikozun iki molekül pirüvik asite bölünmesi ve iki ATP molekülünün salınması sonucu glikoliz meydana gelir. Oksijenin yokluğunda piruvik asit ya etanole (fermantasyon) ya da laktik asite (anaerobik solunum) dönüştürülür.

Hayvan hücrelerinde glikoliz meydana geldiğinde, altı karbonlu glikoz molekülü iki molekül laktik asite parçalanır. Bu süreç çok aşamalıdır. 13 enzim tarafından sırayla gerçekleştirilir. Alkol fermantasyonu sırasında bir glikoz molekülünden iki molekül etanol ve iki molekül CO2 oluşur.

Glikoliz, anaerobik ve aerobik solunumda ortak bir aşamadır; diğer ikisi yalnızca aerobik koşullar altında meydana gelir. Metabolitlerin enerjisinin yalnızca bir kısmının salındığı ve kullanıldığı oksijensiz oksidasyon süreci, anaerobik organizmalar için nihaidir. Oksijen varlığında, piruvik asit mitokondriye geçer, burada bir dizi sıralı reaksiyonun sonucu olarak, ADP'nin ATP'ye eşzamanlı fosforilasyonuyla birlikte aerobik olarak H2O ve CO2'ye tamamen oksitlenir. Bu durumda glikoliz ile iki ATP molekülü, Krebs döngüsü ile iki ve solunum zinciri ile 34 ATP molekülü üretilir. Bir glikoz molekülünün H2O ve CO2'ye tamamen oksidasyonunun net verimi 38 moleküldür.

Böylece, aerobik organizmalarda, organik maddelerin nihai ayrışması, bunların atmosferik oksijenle basit inorganik maddelere (CO2 ve H2O) oksitlenmesiyle gerçekleştirilir. Bu işlem mitokondrinin kristalarında gerçekleşir. Bu durumda, önemli bir kısmı ATP moleküllerinde saklanan maksimum miktarda serbest enerji açığa çıkar. Aerobik oksidasyonun hücreye büyük ölçüde serbest enerji sağladığını görmek kolaydır.

Katabolizma sonucunda enerji açısından zengin ATP molekülleri hücrede birikir ve CO2 ve fazla su dış ortama salınır.

Solunum için gerekli olmayan şeker molekülleri hücrede depolanabilir. Fazla lipitler ya parçalanır, daha sonra bunların parçalanma ürünleri solunum için bir substrat olarak mitokondriye girer ya da yağ damlacıkları şeklinde sitoplazmada rezerv olarak biriktirilir. Proteinler hücreye giren amino asitlerden oluşur. Protein sentezi ribozom adı verilen organellerde gerçekleşir. Her ribozom, büyük ve küçük olmak üzere iki alt parçacıktan oluşur: her iki alt parçacık da protein moleküllerini ve RNA moleküllerini içerir.

Ribozomlar genellikle endoplazmik retikulum (ER) adı verilen sarnıçlar ve keseciklerden oluşan özel bir zar sistemine bağlanır; Çok fazla protein üreten hücrelerde endoplazmik retikulum genellikle çok iyi gelişmiştir ve ribozomlarla kaplıdır. Bazı enzimler ancak bir zara bağlandıklarında etkilidirler. Lipid sentezinde görev alan enzimlerin çoğu burada bulunur. Dolayısıyla endoplazmik retikulum bir nevi hücre tezgahı gibidir.

Ek olarak ER, sitoplazmayı ayrı bölmelere böler, yani sitoplazmada aynı anda meydana gelen çeşitli kimyasal işlemleri ayırır ve böylece bu işlemlerin birbirine müdahale etme olasılığını azaltır.

Belirli bir hücre tarafından üretilen ürünler genellikle hücre dışında kullanılır. Bu gibi durumlarda, ribozomlarda sentezlenen proteinler, endoplazmik retikulumun zarlarından geçer ve etraflarında oluşan zar kesecikleri içinde paketlenir ve bunlar daha sonra ER'den ayrılır. Üst üste dizilmiş krepler gibi düzleştirilmiş ve üst üste dizilmiş bu kesecikler, Golgi kompleksi veya Golgi aygıtı adı verilen karakteristik bir yapı oluşturur. Golgi aygıtında kaldıkları süre boyunca proteinler bazı değişikliklere uğrar. Hücreyi terk etme zamanı geldiğinde, zar kesecikleri hücre zarı ile birleşerek boşalır, içerikleri dışarı dökülür, yani ekzositozla salgı meydana gelir.

Golgi aygıtı ayrıca sindirim enzimlerini içeren zar keseleri olan lizozomları da üretir. Bir hücrenin belirli proteinleri nasıl ürettiğini, paketlediğini ve ihraç ettiğini ve hangi proteinleri kendisine saklaması gerektiğini nasıl "bildiğini" öğrenmek, modern sitolojinin en büyüleyici dallarından biridir.

Herhangi bir hücrenin zarları sürekli hareket eder ve değişir. ER membranları hücre boyunca yavaş hareket eder. Bu zarların ayrı bölümleri ayrılır ve veziküller oluşturur; bunlar geçici olarak Golgi aygıtının bir parçası haline gelir ve daha sonra ekzositoz süreci yoluyla hücre zarı ile birleşir.

Daha sonra membran malzemesi tekrar kullanıldığı sitoplazmaya geri gönderilir.