Практическое занятие № 15.

Задание к занятию № 15.

Тема: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН.

Актуальность темы.

Биологическое окисление – совокупность протекающих в каждой клетке ферментативных процессов, в результате которых молекулы углеводов, жиров и аминокислот расщепляются, в конечном счете, до углекислоты и воды, а освобождающаяся энергия запасается клеткой в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и затем используется в жизнедеятельности организма (биосинтез молекул, процесс деления клеток, сокращение мышц, активный транспорт, продукция тепла и др.). Врач должен знать о существовании гипоэнергетических состояний, при которых снижается синтез АТФ. При этом страдают все процессы жизнедеятельности, которые протекают с использованием энергии, запасенной в виде макроэргических связей АТФ. Наиболее распространенная причина гипоэнергетических состояний – гипоксия тканей , связанная со снижением концентрации кислорода в воздухе, нарушением работы сердечно-сосудистой и дыхательной систем, анемиями различного происхождения. Кроме того, причиной гипоэнергетических состояний могут быть гиповитаминозы , связанные с нарушением структурного и функционального состояния ферментных систем, участвующих в процессе биологического окисления, а также голодание , которое приводит к отсутствию субстратов тканевого дыхания. Кроме того, в процессе биологического окисления образуются активные формы кислорода, запускающие процессы перекисного окисления липидов биологических мембран. Необходимо знать механизмы защиты организма от данных форм (ферменты, лекарственные препараты, оказывающие мембраностабилизирующее действие – антиоксиданты).

Учебные и воспитательные цели:

Общая цель занятия: привить знания о протекании биологического окисления, в результате которого образуется до 70-8- % энергии в виде АТФ, а также об образовании активных форм кислорода и их повреждающего действия на организм.

Частные цели: уметь определять пероксидазу в хрене, картофеле; активность сукцинатдегидрогеназы мышц.

1. Входной контроль знаний:

1.1. Тесты.

1.2. Устный опрос.

2. Основные вопросы темы:

2.1. Понятие об обмене веществ. Анаболические и катаболические процессы и их взаимосвязь.

2.2. Макроэргические соединения. АТФ – универсальный аккумулятор и источник энергии в организме. Цикл АТФ-АДФ. Энергетический заряд клетки.

2.3. Этапы обмена веществ. Биологическое окисление (тканевое дыхание). Особенности биологического окисления.

2.4. Первичные акцепторы протонов водорода и электронов.

2.5. Организация дыхательной цепи. Переносчики в дыхательной цепи (ЦПЭ).

2.6. Окислительное фосфорилирование АДФ. Механизм сопряжения окисления и фосфорилирования. Коэффициент окислительного фосфорилирования (Р/О).

2.7. Дыхательный контроль. Разобщение дыхания (окисления) и фосфорилирования (свободное окисление).

2.8. Образование токсичных форм кислорода в ЦПЭ и обезвреживание перекиси водорода ферментом пероксидазой.

Лабораторно-практические работы.

3.1. Методика определения пероксидазы в хрене.

3.2. Методика определения пероксидазы в картофеле.

3.3. Определение активности сукцинатдегидрогеназы мышц и конкурентное торможение её активности.

Выходной контроль.

4.1. Тесты.

4.2. Ситуационные задачи.

5. Литература:

5.1. Материалы лекций.

5.2. Николаев А.Я. Биологическая химия.-М.: Высшая школа, 1989., С 199-212, 223-228.

5.3. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. - М.: Медицина, 1990.С.224-225.

5.4. Кушманова О.Д., Ивченко Г.М. Руководство к практическим занятиям по биохимии.- М.: Медицина, 1983, раб. 38.

2. Основные вопросы темы.

2.1. Понятие об обмене веществ. Анаболические и катаболические процессы и их взаимосвязь .

Живые организмы находятся в постоянной и неразрывной связи с окружающей средой.

Эта связь осуществляется в процессе обмена веществ.

Обмен веществ (метаболизм)– совокупность всех реакций в организме.

Промежуточный обмен (внутриклеточный метаболизм) – включает 2 типа реакций: катаболизм и анаболизм.

Катаболизм – процесс расщепления органических веществ до конечных продуктов (СО 2 , Н 2 О и мочевины). В этот процесс включаются метаболиты, образующиеся как при пищеварении, так и при распаде структурно-функциональных компонентов клеток.

Процессы катаболизма в клетках организма сопровождаются потреблением кислорода, который необходим для реакций окисления. В результате реакций катаболизма происходит выделение энергии (экзергонические реакции), которая необходима организму для его жизнедеятельности.

Анаболизм – синтез сложных веществ из простых. В анаболических процессах используется энергия, освобождающаяся при катаболизме (эндергонические реакции).

Источниками энергии для организма являются белки, жиры и углеводы. Энергия, заключенная в химических связях этих соединений, в процессе фотосинтеза трансформировалась из солнечной энергии.

Макроэргические соединения. АТФ – универсальный аккумулятор и источник энергии в организме. Цикл АТФ-АДФ. Энергетический заряд клетки.

АТФ – является макроэргическим соединением, содержащим макроэргические связи; при гидролизе концевой фосфатной связи выделяется около 20 кдж/моль энергии.

К макроэргическим соединениям относятся ГТФ, ЦТФ, УТФ, креатинфосфат, карбамоилфосфат и др. Они используются в организме для синтеза АТФ. Например, ГТФ + АДФ à ГДФ + АТФ

Этот процесс называется субстратное фосфорилирование – экзоргонические реакции. В свою очередь все эти макроэргические соединения образуются при использовании свободной энергии концевой фосфатной группы АТФ. Наконец, энергия АТФ используется для совершения различных видов работ в организме:

Механической (мышечное сокращение);

Электрической (проведение нервного импульса);

Химической (синтез веществ);

Осмотической (активный транспорт веществ через мембрану) – эндергонические реакции.

Таким образом, АТФ- главный, непосредственно используемый донор энергии в организме. АТФ занимает центральное место между эндергоническими и экзергоническими реакциями.

В организме человека образуется количество АТФ, равное массе тела и за каждые 24 часа вся эта энергия разрушается. 1 молекула АТФ «живет» в клетке около минуты.

Использование АТФ как источника энергии возможно только при условии непрерывного синтеза АТФ из АДФ за счет энергии окисления органических соединений. Цикл АТФ-АДФ – основной механизм обмена энергии в биологических системах, а АТФ – универсальная «энергетическая валюта».

Каждая клетка обладает электрическим зарядом, который равен

[АТФ] + ½[АДФ]

[АТФ] + [АДФ] + [АМФ]

Если заряд клетки равен 0,8-0,9, то в клетке весь адениловый фонд представлен в виде АТФ (клетка насыщена энергией и процесс синтеза АТФ не происходит).

По мере использования энергии, АТФ превращается в АДФ, заряд клетки становится равным 0, автоматически начинается синтез АТФ.

ОТВЕТ: Клетка является системой, т.к. состоит из множества взаимосвязанных и взаимодействующих частей – органоидов и др. структур. Эта система является открытой, т.к. в нее поступают из окружающей среды вещества и энергия, в ней осуществляется обмен веществ. В клетке поддерживается относительно постоянный состав благодаря саморегуляции, осуществляемой на генетическом уровне. Клетка способна реагировать на раздражители.

9. Что такое метод исследования? Приведите примеры биологических методов исследования и ситуации, в которых они применяются.

ОТВЕТ: Метод – это способ научного познания действительности. Различают биологические методы исследования: описание, наблюдение, сравнение, эксперимент, микроскопия, центрифугирование, гибридологический, близнецовый метод, биохимический метод и др. Методы исследования применяются только в определенных случаях и для достижения определенных целей. Например, гибридологический – для изучения наследственности применяется в животноводстве и растениеводстве, но не применяется для человека. Центрифугирование позволяет выделять органоиды клетки для их изучения.

10. Какова роль ядра в клетке?

ОТВЕТ: Ядро клетки содержит хромосомы, несущие наследственную информацию и контролирует процессы обмена веществ и размножения клетки.

11. Как в настоящее время формулируется клеточная теория?

ОТВЕТ: Клетка является элементарной структурной, функциональной и генетической единицей живого. Клетка – элементарная единица развития живого. Клетка способна к саморегуляции, самообновлению и самовоспроизведению.

12. Общая масса митохондрий по отношению к массе клеток различных органов крысы составляет: в поджелудочной железе – 7,9%, в печени – 18,4%, в сердце – 35,8%. Почему в клетках этих органов различное содержание митохондрий?

ОТВЕТ: Митохондрии являются энергетическими станциями клетки - в них синтезируются молекулы АТФ. Для работы сердечной мышцы нужно много энергии, поэтому в ее клетках наибольшее количество митохондрий. В печени больше, чем в поджелудочной железе, потому что в ней более интенсивный обмен веществ.

13. Как используется аккумулированная в АТФ энергия?

ОТВЕТ : АТФ является универсальным источником энергии в клетках всех живых организмов. Энергия АТФ тратится на синтез и транспорт веществ, на размножение клетки, на сокращение мышц, на проведение импульсов, т.е. на жизнедеятельность клеток, тканей, органов и всего организма.

14. Какие свойства ДНК подтверждают, что она является носителем генетической информации?

ОТВЕТ : Способность к репликации (самоудвоению), комплементарность двух цепей, способность к транскрипции.

Поступающая в организм человека пища претерпевает сложные химические превращения, т.е. частично подвергается окислению или анаэробному распаду. При анаэробном распаде освобождается химическая энергия, необходимая для движения, а также для синтеза необходимых для организма веществ.

Обмен веществ (метаболизм) в живых организмах состоит из двух связанных между собой процессов:

• анаболизма
• катаболизма

Анаболизм или ассимиляция – синтез из простых более сложных соединений на основе поступающих в организм из внешней среды веществ.

Например, органические вещества в зеленых растениях образуются в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды.

Катаболизм или диссимиляция – процесс, обратный анаболизму. При катаболизме происходит разложение сложных соединений на более простые, которые затем выделяются как конечные продукты в окружающую среду.

При катаболизме основным источником углеводов являются углеводы, которые расщепляются гидролитическими ферментами. Если у растений при прорастании семян крахмал подвергается гидролизу ферментом амилазой, с образованием дисахарида мальтозы, то у животных под действием амилазы слюны и поджелудочной железы, образуя мальтозу. Далее мальтоза под действием фермента мальтазы переходит в глюкозу, которая в результате брожения, гликолиза и дыхания в конечном итоге расщепляется до углекислоты и воды. Энергия, выделяемая при этих процессах, аккумулируется в организме. Установлено, что при сгорании одного грамма углеводов выделяется 4,1 ккал (17,22 кДж).

Катаболизм жиров и белков также начинается с их гидролитического расщепления под влиянием специфических ферментов, с образованием в первом случае свободных жирных кислот и глицерина, во втором – низкомолекулярных пептидов и аминокислот.

Метаболизм или обмен веществ можно разделить на три этапа:

• Первый- это пищеварение, который заключается в механической и химической обработке пищи в пищеварительных органах и всасывание питательных веществ.
• Второй этап это – промежуточный обмен, который включает процессы распада и синтеза веществ. Этот процесс сопровождается образованием промежуточных и конечных продуктов обмена. Например, глюкоза прежде чем превратиться в конечные продукты обмена СО2 и Н2О, претерпевает ряд промежуточных превращений.
• Третий этап – выделение продуктов метаболизма из организма с выдыхаемым воздухом, мочой и т.д. Вещества, влияющие на течение реакции обмена веществ называют метаболитами. К ним относятся аминокислоты, жирные кислоты, сахара, азотистые основания и другие соединения.

Метаболизм или обмен веществ неразрывно связан с превращением энергии. Живой организм постоянно нуждается в поступлении энергии из внешней среды. Было установлено, что при фотосинтезе, т.е. преобразовании энергии солнечного света, последняя запасается в виде потенциальной химической энергии в органических веществах. Потенциальная химическая энергия, которая образуется в результате распада углеводов, жиров и других высокомолекулярных соединений накапливается или аккумулируется в макроэргических соединениях.

В процессах обмена энергия выделяется следующим образом. Вначале высокомолекулярные вещества гидролитически распадаются на низкомолекулярные; например, полисахариды – до моносахаридов; белки – до аминокислот; жиры – до жирных кислот и глицерина. При этом энергия, выделяющаяся при гидролитическом распаде этих веществ очень незначительна. Далее происходит выделение большого количества энергии в процессе гликолиза, окисления жирных кислот, аминокислот. Из продуктов гидролиза основное энергетическое значение имеют три: ацетилкоэнзим А, В -кетоглутаровая кислота и щавелево-уксусная кислота. Эти вещества подвергаются окислению через цикл ди-трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Около 2/3 энергии освобождается в цикле Кребса.

АТФ улавливает и накапливает энергию, освобождающуюся при распаде высокомолекулярных органических соединений в организме. Одновременно в клетке идет синтез АТФ и аккумуляция энергии в ее фосфорных связях. При синтезе белков, а также при функционировании органов и мышц сопряжено идет распад АТФ по месту макроэргических связей с выделением энергии. Образовавшаяся энергия служит источником для синтеза, а также для двигательных процессов.

Из вышесказанного следует, что АТФ является связующим звеном между двумя противоположными процессами, где она при распаде веществ аккумулирует энергию, а при ассимиляции ее отдает.

Биологическую роль АТФ в энергетике обмена можно представить на примере работающего сердца. При взаимодействии с сократительными белками мышц АТФ обеспечивает энергию, необходимую для сокращения сердца и проталкивания крови в кровеносную систему. При этом для бесперебойной работы сердца необходимо постоянное пополнение количества АТФ. Если сердце не получит необходимого количества питательного материала и «горючего» (углеводы и продукты их распада), а также кислорода, необходимого для образования АТФ, то в этом случае наступает нарушение работы сердца.

Необходимое количество АТФ для функционирования различных органов вырабатывается в клеточных организмах – метохондриях в процессе окислительного фосфорилирования.

Источником энергии в клетках является вещество аденозинтрифосфат (АТФ), которое при необходимости распадается до аденозинфосфата (АДФ):

АТФ → АДФ + энергия.

При интенсивной нагрузке имеющийся запас АТФ расходуется всего за 2 секунды. Однако АТФ непрерывно восстанавливается из АДФ, что позволяет мышцам продолжать работать. Существует три основные системы восстановления АТФ: фосфатная, кислородная и лактатная.

Фосфатная система

Фосфатная система выделяет энергию максимально быстро, поэтому она важна там, где требуется стремительное усилие, например, для спринтеров, футболистов, прыгунов в высоту и длину, боксеров и теннисистов.

В фосфатной системе восстановление АТФ происходит за счет креатинфосфата (КрФ), запасы которого имеются непосредственно в мышцах:

КрФ + АДФ → АТФ + креатин.

При работе фосфатной системы не используется кислород и не образуется молочная кислота.

Фосфатная система работает только в течение короткого времени — при максимальной нагрузке совокупный запас АТФ и КрФ истощается за 10 секунд. После завершения нагрузки запасы АТФ и КрФ в мышцах восстанавливаются на 70% через 30 секунд и полностью — через 3-5 минут. Это нужно иметь в виду при выполнении скоростных и силовых упражнений. Если усилие длится дольше 10 секунд или перерывы между усилиями слишком короткие, то включается лактатная система.

Кислородная система

Кислородная, или аэробная, система важна для спортсменов на выносливость, так как она может поддерживать длительную физическую работу.

Производительность кислородной системы зависит от способности организма транспортировать кислород в мышцы. За счет тренировок она может вырасти на 50%.

В кислородной системе энергия образуется, главным образом, в результате окисления углеводов и жиров. Углеводы расходуются в первую очередь, так как для них требуется меньше кислорода, а скорость выделения энергии выше. Однако запасы углеводов в организме ограничены. После их исчерпания подключаются жиры — интенсивность работы при этом снижается.

Соотношение используемых жиров и углеводов зависит от интенсивности упражнения: чем выше интенсивность, тем больше доля углеводов. Тренированные спортсмены используют больше жиров и меньше углеводов по сравнению с неподготовленным человеком, то есть более экономично расходуют имеющиеся запасы энергии.

Окисление жиров происходит по уравнению:

Жиры + кислород + АДФ → АТФ + углекислый газ + вода.

Распад углеводов протекает в два шага:

Глюкоза + АДФ → АТФ + молочная кислота.

Молочная кислота + кислород + АДФ → АТФ + углекислый газ + вода.

Кислород требуется только на втором шаге: если его достаточно, молочная кислота не накапливается в мышцах.

Лактатная система

При высокой интенсивности нагрузки поступающего в мышцы кислорода не хватает для полного окисления углеводов. Образующаяся молочная кислота не успевает расходоваться и накапливается в работающих мышцах. Это приводит к ощущению усталости и болезненности в работающих мышцах, а способность выдерживать нагрузку снижается.

В начале любого упражнения (при максимальном усилии — в течение первых 2 минут) и при резком увеличении нагрузки (при рывках, финишных бросках, на подъемах) возникает дефицит кислорода в мышцах, так как сердце, легкие и сосуды не успевают полностью включиться в работу. В этот период энергия обеспечивается за счет лактатной системы, с выработкой молочной кислоты. Чтобы избежать накопления большого количества молочной кислоты в начале тренировки, нужно выполнить легкую разогревающую разминку.

При превышении определенного порога интенсивности организм переходит на полностью анаэробное энергообеспечение, в котором используются только углеводы. Из-за нарастающей мышечной усталости способность выдерживать нагрузку истощается в течение нескольких секунд или минут, в зависимости от интенсивности и уровня подготовки.

Влияние молочной кислоты на работоспособность

Рост концентрации молочной кислоты в мышцах имеет несколько последствий, которые нужно учитывать при тренировках:

• Нарушается координация движений, что делает тренировки на технику неэффективными.
• В мышечной ткани возникают микроразрывы, что повышает риск травм.
• Замедляется образование креатинфосфата, что снижает эффективность спринтерских тренировок (тренировок фосфатной системы).
• Снижается способность клеток окислять жир, что сильно затрудняет энергообеспечение мышц после истощения запасов углеводов.

В условиях покоя на нейтрализацию половины молочной кислоты, накопившейся в результате усилия максимальной мощности, организму требуется около 25 минут; за 75 минут нейтрализуется 95% молочной кислоты. Если вместо пассивного отдыха выполняется легкая заминка, например, пробежка трусцой, то молочная кислота выводится из крови и мышц намного быстрее.

Высокая концентрация молочной кислоты может вызвать повреждение стенок мышечных клеток, что приводит к изменениям в составе крови. Для нормализации показателей крови может потребоваться от 24 до 96 часов. В этот период тренировки должны быть легкими; интенсивные тренировки сильно замедлят восстановительные процессы.

Слишком высокая частота интенсивных нагрузок, без достаточных перерывов на отдых, приводит к снижению работоспособности, а в дальнейшем — к перетренированности.

Запасы энергии

Энергетические фосфаты (АТФ и КрФ) расходуются за 8-10 секунд максимальной работы. Углеводы (сахар и крахмалы) откладываются в печени и мышцах в виде гликогена. Как правило, их хватает на 60-90 минут интенсивной работы.

Запасы жиров в организме практически неисчерпаемы. Доля жировой массы у мужчин составляет 10-20%; у женщин — 20-30%. У хорошо тренированных спортсменов на выносливость процент жира может находиться в диапазоне от максимально низкого до относительно высокого (4-13%).

Запасы энергии человека

* Высвобождаемая энергия при переходе в АДФ
Источник	Запас (при весе 70 кг)		Длительность Дли- тель- ность интенсивной работы	Энергети- ческая система	Особенности
	Граммы	Ккал
Фосфаты (фосфатная система энергообеспечения )
Фосфаты	230	8*	8—10 секунд	Фосфатная	Обеспечивают «взрывную» силу. Кислород не требуется
Гликоген (кислородная и лактатная системы энергообеспечения )
Гликоген	300— 400	1200— 1600	60—90 минут	Кислородная и лактатная	При нехватке кислорода образуется молочная кислота
Жиры (кислородная система энергообеспечения )
Жиры	Больше 3000	Больше 27000	Больше 40 часов	Кислородная	Требуют больше кислорода; интенсивность работы снижается

По книге Петера Янсена «ЧСС, лактат и тренировки на выносливость».

Какую функцию выполняют липиды в клеточных мембранах?

4.2. Обмен веществ и энергии

1. 
   В каких реакциях обмена исходным веществом для синтеза углеводов является вода?

ОТВЕТ: Фотосинтеза.

1. 
   Энергию какого типа потребляют гетеротрофные живые организмы?

ОТВЕТ: Энергию окисления органических веществ.

1. 
   Энергию какого типа потребляют автотрофные организмы?

ОТВЕТ: Фототрофы – энергию света, хемотрофы – энергию окисления неорганических веществ.

1. 
   В какую фазу фотосинтеза происходит синтез АТФ?

ОТВЕТ: Всветовой фазе.

1. 
   Какое вещество служит источником кислорода во время фотосинтеза?

ОТВЕТ: Вода (в результате фотолиза – распада под действием света в световой фазе, происходит выделение кислорода).

1. 
   ^ Почему гетеротрофные организмы сами не могут создавать органические вещества?

ОТВЕТ: В их клетках нет хлоропластов и хлорофилла.

1. 
   Почему жиры являются наиболее энергетическими веществами?

ОТВЕТ: При их окислении выделяется два раза больше энергии, чем при окислении углеводов и белков.

1. 
   Что служит матрицей для синтеза и-РНК?

ОТВЕТ: Участокодной из полинуклеотидных цепей ДНК.

1. 
   В каких реакциях обмена углекислый газ является исходным веществом для синтеза углеводов?

ОТВЕТ: В реакциях фотосинтеза.

1. 
   В чем проявляется сходство фотосинтеза и энергетического обмена веществ?

ОТВЕТ: В обоих процессах происходит синтез АТФ.

1. 
   ^ В чем сходство и различие процессов фотосинтеза и хемосинтеза?

ОТВЕТ: Сходство: в результате этих процессов синтезируется глюкоза. Различия: фотосинтез происходит в клетках растений, в хлоропластах, а хемосинтез – в клетках хемосинтезирующих бактерий (азото-, серо_, железобактерий) на мембранных структурах. В результате фотосинтеза выделяется кислород, а в результате хемосинтеза – нет.

1. 
   ^ В каких реакциях обмена веществ вода является конечным продуктом?

ОТВЕТ: В реакциях окисления органических веществ в процессе энергетического обмена.

1. 
   В каких реакциях обмена веществ осуществляется связь между ядром, ЭПС, рибосомами, митохондриями?

ОТВЕТ: В реакциях биосинтеза белка.

1. 
   В чем сходство биосинтеза белка и фотосинтеза?

ОТВЕТ: В образовании органических веществ с затратой энергии АТФ.

1. 
   Что происходит в световую фазу фотосинтеза?

ОТВЕТ: Синтез АТФ и высокоэнергетических атомов водорода, фотолиз (распад воды под действием света приводящий к выделению кислорода).

1. 
   ^ Какие основные процессы происходят в темновую фазу фотосинтеза?

ОТВЕТ: Поступление из атмосферы углекислого газа и его восстановление водородом за счет НАДФ. 2Н; синтез глюкозы и крахмала с использованием АТФ.

1. 
   ^ Какова роль нуклеиновых кислот в биосинтезе белка?

ОТВЕТ: В ДНК содержится информация о первичной структуре молекул белка. Эта информация переписывается на молекулу и-РНК, которая переносит ее из ядра к рибосоме, т.е. и-РНК служит матрицей для сборки молекул белка. Т-РНК присоединяют аминокислоты и доставляют их к месту синтеза белка – к рибосоме.

1. 
   

ОТВЕТ: Одна т-РНК транспортирует одну аминокислоту. Так как в синтезе белка участвовало 30 т-РНК, белок состоит из 30 аминокислот. Одну аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов, значит, 30 аминокислот кодирует 30 триплетов. Триплет состоит из 3 нуклеотидов, значит количество нуклеотидов в гене, кодирующем белок из 30 аминокислот, равно 30х3= 90.

1. 
   ^ В чем заключается биологический смысл окислительного фосфорилирования?

ОТВЕТ: В результате реакции окислительного фосфорилирования из АДФ и остатка фосфорной кислоты образуется молекула АТФ, которая является источником энергии для всех процессов жизнедеятельности клетки.

1. 
   ^ В чем заключается сходство и различие автотрофного питания у фото- и хемосинтезирующих бактерий?

ОТВЕТ : Сходство: в результате фототрофного и хемотрофного питания образуется углевод – глюкоза.

Различие: фототрофные бактерии для синтеза глюкозы используют энергию света, а хемотрофные – энергию окисления неорганических веществ.

1. 
   ^ Какова взаимосвязь между пластическим и энергетическим обменом веществ? Аргументируйте свой ответ.

ОТВЕТ : Для реакций пластического обмена (для синтеза веществ) нужна энергия АТФ, которая образуется в результате энергетического обмена. А для реакций энергетического обмена (для распада веществ) нужны вещества, которые синтезируются в результате пластического обмена. В результате пластического обмена (биосинтеза белков) образуются ферменты, которые участвуют в реакциях энергетического обмена.

1. 
   ^ Почему реакции биосинтеза белка называют матричными?

ОТВЕТ : Матрица, это объект, с которого снимается копия. Участок молекулы ДНК является матрицей для синтеза и -РНК, а молекула и-РНК является матрицей для сборки молекулы белка в рибосомах.

1. 
   ^ В чем проявляется взаимосвязь энергетического обмена и биосинтеза белка?

ОТВЕТ : В процессе биосинтеза белка используется энергия молекул АТФ, синтезируемых в процессе энергетического обмена. В реакциях энергетического обмена участвуют ферменты, образованные в результате биосинтеза белка. Процесс распада белков до аминокислот является промежуточным этапом энергетического обмена.

1. 
   Определите последовательность нуклеотидов на и-РНК, антикодоны т-РНК и аминокислотную последовательность соответствующего фрагмента молекулы белка (используя таблицу генетического кода), если фрагмент цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ГТГЦЦГТЦАААА.

ОТВЕТ : Последовательность на и-РНК: ЦАЦГГЦАГУУУУ; антикодоны на т-РНК: ГУГ,ЦЦГ,УЦА,ААА; аминокислотная последовательность: Гис-гли-сер-фен.

1. 
   ^ К каким последствиям приведет снижение активности ферментов, участвующих в кислородном этапе энергетического обмена животных?

ОТВЕТ : Реакции полного биологического окисления будут идти слабо, и в клетке будет преобладать процесс бескислородного окисления – гликолиз. Молекул АТФ синтезируется меньше, что приведет к недостатку энергии в клетке и организме. В клетке и организме будут накапливаться продукты неполного окисления, которые могут привести к их гибели. Из-за недостатка молекул АТФ замедлятся процессы пластического обмена.

1. 
   Одна из цепей ДНК имеет последовательность нуклеотидов: ЦАТ- ГГЦ- ТГТ – ТЦЦ – ГТЦ… Объясните, как изменится структура молекулы белка, если произойдет удвоение четвертого триплета нуклеотидов в цепи ДНК?

ОТВЕТ: Новая цепь ДНК будет: ЦАТ- ГГЦ- ТГТ – ТЦЦ - ТЦЦ – ГТЦ. Структура и-РНК будет: ГУА – ЦЦГ – АЦА – АГГ – АГГ – ЦАГ. Произойдет удлинение молекулы белка на одну аминокислоту. Молекула белка будет состоять из аминокислот: вал – про – тре – арг – арг – гли.

1. 
   В биосинтезе полипептида участвуют молекулы т-РНК с антикодонами УГА, АУГ, АГУ, ГГЦ, ААУ. Определите нуклеотидную последовательность участка каждой цепи молекулы ДНК, который несет информацию о синтезируемом полипептиде, и число нуклеотидов, содержащих аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц) в двухцепочечной молекуле ДНК. Ответ поясните.

^ ОТВЕТ: 1)и-РНК: АЦУ – УАЦ – УЦА – ЦЦГ – УУА.

2) ДНК: 1-ая цепь: ТГА – АТГ – АГТ – ГГЦ – ААТ

2-ая цепь: АЦТ – ТАЦ –ТЦА –ЦЦГ - ТТА

3) количество нуклеотидов: А – 9 (30%), Т – 9 (30%), так как А=Т; Г -6 (20%), Ц – 6 (20%), так как Г=Ц.

1. 
   ^ В каких случаях изменение последовательности нуклеотидов ДНК не влияет на структуру и функции соответствующего белка?

ОТВЕТ: Если при замене нуклеотида, новый кодон соответствует той же аминокислоте или аминокислоте со сходным химическим составом, который не меняет структуру белка; если изменения произойдут на участках между генами или неактивных участках ДНК.

1. 
   В биосинтезе белка участвовали т-РНК с антикодонами: УУА, ГГЦ, ЦГЦ, АУУ, ЦГУ. Определите нуклеотидную последовательность участка каждой цепи молекулы ДНК, который несет информацию о синтезируемом полипептиде, и число нуклеотидов, содержащих аденин, гуанин, тимин, цитозин в двухцепочечной молекуле ДНК.

ОТВЕТ : Антикодоны т-РНК комплементарны кодонам и-РНК, а последовательность нуклеотидов и-РНК комплементарна одной из цепей ДНК.

т-РНК: УУА, ГГЦ, ЦГЦ, АУУ, ЦГУ

и-РНК: ААУ-ЦЦГ-ГЦГ-УАА-ГЦА

1 цепь ДНК: ТТА-ГГЦ-ЦГЦ-АТТ-ЦГТ

2 цепь ДНК: ААТ-ЦЦГ-ГЦГ-ТАА-ГЦА.

В молекуле ДНК А=Т= 7, число Г=Ц= 8.

1. 
   Общая масса всех молекул ДНК в 46 соматических хромосомах одной соматической клетки человека составляет 6х10 -9 мг. Определите, чему равна масса всех молекул ДНК в сперматозоиде и в соматической клетке перед началом деления и после его окончания. Ответ поясните.

^ ОТВЕТ : В половых клетках 23 хромосомы, т.е. в два раза меньше, чем в соматических, поэтому масса ДНК в сперматозоиде в два раза меньше и составляет 6х 10 -9 : 2= 3х 10 -9 мг. Перед началом деления (в интерфазе) количество ДНК удваивается и масса ДНК равна 6х 10 -9 х2 = 12 х 10 -9 мг. После митотического деления в соматической клетке число хромосом не меняется и масса ДНК равна 6х 10 -9 мг.

1. 
   В пробирку поместили рибосомы из разных клеток, весь набор аминокислот и одинаковые молекулы и-РНК и т-РНК, создали все условия для синтеза белка. Почему в пробирке будет синтезироваться один вид белка на разных рибосомах?

ОТВЕТ: Первичная структура белка определяется последовательностью аминокислот, зашифрованных на участке молекулы ДНК. ДНК является матрицей для молекулы и-РНК. Матрицей для синтеза белка является молекула и-РНК, а они в пробирке одинаковые. К месту синтеза белка т-РНК транспортируют аминокислоты в соответствии с кодонами и-РНК.

1. 
   В процессе трансляции участвовало 30 молекул т-РНК. Определите число аминокислот, входящих в состав синтезируемого белка, а также число триплетов и нуклеотидов в гене, который кодирует этот белок.

ОТВЕТ: одна т-РНК транспортирует одну аминокислоту, следовательно, 30 т-РНК соответствуют 30 аминокислотам, и белок состоит из 30 аминокислот;одну аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов, значит, 30 аминокислот кодируют 30 триплетов;количество нуклеотидов в гене, кодирующем белок из 30 аминокислот, 30 х 3 = 90.

1. 
   В одной молекуле ДНК нуклеотиды с тимином (Т) составляют 24% от общего числа нуклеотидов. Определите количество (в %) нуклеотидов с гуанином (Г), аденином (А), цитозином (Ц) в молекуле ДНК и объясните полученные результаты.

ОТВЕТ: аденин (А) комплементарен тимину (Т), а гуанин (Г) – цитозину (Ц), поэтому количество комплементарных нуклеотидов одинаково; количество нуклеотидов с аденином составляет 24%;количество гуанина (Г) и цитозина (Ц) вместе составляют 52%, а каждого из них – 26%.

1. 
   ^ Дана цепь ДНК: ЦТААТГТААЦЦА. Определите:

А) Первичную структуру закодированного белка.

Б) Количество (в%) различных видов нуклеотидов в этом гене (в двух цепях)

В) Длину этого гена

Г) Длину белка

ОТВЕТ: А) 1-ая цепь ДНК: ЦТА-АТГ-ТАА-ЦЦА-

2-ая цепь ДНК: ГАТ-ТАЦ-АТТ- ГГТ-

^ И-РНК: ЦУА-АУГ-УАА-ЦЦА

По таблице генетического кода определяем аминокислоты:

Аминокислоты: лей- мет- тир - про

Б) Количество А=8; Т=8; Г=4; Ц=4. Все количество = 24 = 100%.

А=Т= 8 (8х100%) : 24 = 33, 3%

Г=Ц=4 (4х100%) : 24= 16,6%

В) Длина гена: 12х 0,34 = 4,04 нм (0,34нм – длина 1 нуклеотида)

Г) Длина белка: 4 кодона х 0,3нм = 1,2 нм (0,3нм – длина 1 ам/к-ты.)

1. 
   Определите:последовательность нуклеотидов на и-РНК, антикодоны соответствующих т-РНК и аминокислотную последовательность соответствующего фрагмента молекулы белка (используя таблицу генетического кода),

если фрагмент цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ГТГТАТГГААГТ.

^ ОТВЕТ: ГТГ-ТАТ-ГГА-АГТ - ДНК

ЦАЦ-АУА-ЦЦУ-УЦА – и-РНК

ГУГ; УАУ; ГГА; АГУ - антикодоны т-РНК

Аминокислоты: Гис-иле-про-сер

4.3. Размножение и развитие организмов

1. 
   Общая масса всех молекул ДНК в 46 хромосомах одной соматической клетки человека составляет около 6х10 -9 мг. Определите, чему равна масса всех молекул ДНК в сперматозоиде и в соматической клетке перед началом деления и после его окончания. Ответ поясните.

^ ОТВЕТ: В половых клетках 23 хромосомы, т.е. в 2 раза меньше, чем в соматических, соответственно масса ДНК в них равна 6х10 -9:2 = 3х 10 -9 мг. Перед началом деления ДНК удваивается, соответственно ее масса равна 2х6х10 -9 мг =12х10 -9 мг. После окончания деления в соматической клетке количество ДНК остается таким же, как в исходной клетке и равна 6х10 -9 мг.

1. 
   ^ В чем заключается биологический смысл митоза?

ОТВЕТ : Митоз обеспечивает точную передачу наследственной информации от материнской клетки к дочерним, лежит в основе роста тканей, органов.

1. 
   ^ В чем заключается биологический смысл мейоза?

ОТВЕТ: Уменьшение вдвое набора хромосом в гаметах позволяет при оплодотворении восстановить двойной набор хромосом, характерный для вида. Перекрест и обмен участками гомологичных хромосом увеличивает разнообразие потомства.

1. 
   ^ Что называется зиготой?

ОТВЕТ : Зигота – это оплодотворенная яйцеклетка.

1. 
   В чем заключается сходства и различия яйцеклеток лягушки и человека?

ОТВЕТ : Сходства: содержат одинарный набор хромосом, вырабатываются в яичниках, самостоятельно не способны к передвижению, имеют округлую форму. Различия: в размерах (у человека невидимая простым глазом), в кариотипе (разное количество, размеры, формы хромосом), в содержании питательных веществ, в расположении (у лягушки – в откладываемых в воду икринках, у человека – внутри организма).

1. 
   ^ Каково значение интерфазы в жизни клетки?

ОТВЕТ : Интерфаза это период между двумя делениями клетки. В ней происходит усиленный синтез веществ и их накопление, увеличение количества органоидов, накопление АТФ и в конце происходит удвоение молекул ДНК.

1. 
   ^ Каково значение двойного оплодотворения у цветковых растений?

ОТВЕТ : В процессе двойного оплодотворения происходит два слияния клеток: один спермий сливается с яйцеклеткой и образуется зигота, другой – с крупной диплоидной центральной клеткой и образуется триплоидный эндосперм – питательная ткань для зародыша. Таким образом, в результате двойного оплодотворения образуется семя, состоящее из зародыша, обеспеченного питательными веществами и защищенного семенной кожурой.

1. 
   ^ В чем заключаются преимущества и недостатки бесполого и полового размножений?

ОТВЕТ : Преимущества бесполого размножения: позволяет быстро увеличить численность особей при благоприятных условиях и распространяться. Недостатки бесполого размножения: так как потомство одинаково, при неблагоприятных условиях все особи могут погибнуть, неэффективно происходит процесс естественного отбора. Преимущества полового размножения: более эффективно происходит естественный отбор из-за разнообразия потомства, быстрее происходит приобретение приспособлений, усложнение организации, больше шансов для сохранения вида. Недостатки: требуется время для достижения половозрелости, нужны определенные условия (наличие воды для споровых растений, наличие пищевых ресурсов для выкармливания потомства и т.д.), требуется дополнительные энергозатраты для перемещения на места размножений, для создания пар, для построения гнезд, нор и т.д.

1. 
   ^ Чем отличаются клетки печени осла от клеток печени лошади?

ОТВЕТ : Кариотипом (количеством, размерами, формами хромосом).

1. 
   Почему для сохранения ценных гетерозиготных особей используют вегетативное размножение?

ОТВЕТ : Вегетативное размножение – это способ бесполого размножения, при котором в потомстве сохраняются все признаки материнского организма и не происходит расщепления признака, как при половом размножении.

1. 
   ^ Опишите строение и функции яйцеклеток животных.

ОТВЕТ : Яйцеклетки - женские гаметы, вырабатываются яичниками в процессе мейоза, содержат гаплоидный набор хромосом, не способны самостоятельно двигаться, содержат все органоиды и запас питательных веществ. Функции: обеспечивают передачу наследственной информации от материнского организма потомству, и зародыш обеспечивают питательными веществами. У разных видов отличаются размерами и формами.

1. 
   ^ Назовите зародышевый листок зародыша позвоночного живот­ного, обозначенный на рисунке цифрой 1. Какие типы тканей, органы или части органов формируются из него?

ОТВЕТ: 1)Цифрой 1 на рисунке обозначена эктодерма.2)Из эктодермы образуются нервная система и органы чувств, кожные покровы (и в том числе перья, волосы, чешуя, когти, железы), передний и задний отделы пищеварительной системы (ротовая полость и первая треть пищевода, конечный отдел прямой кишки), наружные жабры.

1. 
   ^ Какие процессы происходят в ядре клетки в интерфазе?

ОТВЕТ: Происходит удвоение ДНК, идет усиленный синтез белков, углеводов, РНК, АТФ, увеличивается количество органоидов.

1. 
   ^ Раскройте механизмы, обеспечивающие постоянство числа и формы хромосом в клетках организмов из поколения в поколение?

ОТВЕТ: Митоз обеспечивает постоянство числа хромосом в соматических клетках и за счет него он растет. Мейоз образует гаметы с гаплоидным набором хромосом, а при оплодотворении диплоидный набор хромосом, характерный для вида, восстанавливается.

1. 
   ^ Объясните, почему при половом размножении появляется более разнообразное потомство, чем при вегетативном .

ОТВЕТ: у потомства при половом размножении комбинируются признаки обоих родителей; причина комбинативной изменчивости – кроссинговер, митоз и случайное сочетание гамет при оплодотворении; при вегетативном размножении потомки сходны друг с другом, имеют большое сходство с родительским организмом, из соматических клеток которого они формируются

^ 4.4. Основы селекции

1. 
   Чем характеризуется явление полиплоидии?

ОТВЕТ: Кратным увеличением числа хромосом.

1. 
   Чем характеризуется явление гетерозиса?

ОТВЕТ: Ярким проявлением признака у гибридов первого поколения и их высокой жизнеспособностью, которые исчезают во втором поколении.

1. 
   Каково значение закона гомологических рядов в наследственной изменчивости Н.И.Вавилова?

ОТВЕТ: Закон позволяет прогнозировать наличие сходных мутаций у родственных видов.

1. 
   ^ С какой целью в селекции растений применяют скрещивание особей разных сортов?

ОТВЕТ: Для получения комбинированных сортов, сочетающих в себе полезные признаки обоих сортов, т.е. для получения комбинативной изменчивости и для получения эффекта гетерозиса.

1. 
   ^ Как можно сохранить у растений сочетания полезных признаков, полученные от скрещивания двух сортов?

ОТВЕТ: Размножая их вегетативным путем, так как при дальнейшем скрещивании из-за перекомбинирования родительских генов сочетания полезных признаков в потомстве могут исчезнуть.

1. 
   ^ С какой целью проводят в селекции близкородственное скрещивание. Какие отрицательные последствия оно имеет?

ОТВЕТ: При близкородственном скрещивании происходит увеличение гомозиготности. Близкородственное скрещивание (самоопыление у растений) проводят с целью создания чистых линий, для закрепления признака. Но при этом в гомозиготное состояние могут перейти и вредные рецессивные гены, что приводит к снижению жизнеспособности потомства или к гибели.

1. 
   ^ Для чего проводят межлинейную гибридизацию в селекции растений?

ОТВЕТ : Для получения эффекта гетерозиса.

1. 
   Почему эффект гетерозиса проявляется только в первом поколении?

ОТВЕТ : По мнению ученых, причиной гетерозиса считается гетерозиготность потомства. Во втором поколении половина генов переходит в гомозиготное состояние и эффект теряется.

1. 
   ^ Почему методы полиплоидии и искусственного мутагенеза, применяемые в селекции растений, не применимы в селекции животных?

ОТВЕТ : Это объясняется особенностями животных: сложное строение (наличие систем органов), сложная взаимосвязь с окружающей средой (нервная система, органы чувств), малая плодовитость по сравнению с растениями, длительное половое созревание и др.

1. 
   ^ Что такое искусственный мутагенез и для чего его применяют?

ОТВЕТ: Это процесс и искусственного получения мутаций путем воздействия мутагенных факторов (облучение ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами и др.) с целью получения у потомства полезных мутаций. Особи с полезными мутациями в дальнейшем участвуют при создании новых штаммов микроорганизмов или сортов растений.

^ 4.5. Основы экологии

1. 
   Почему у разных животных разная плодовитость?

ОТВЕТ: Чем больше выражена забота о потомстве, тем меньше плодовитость.

1. 
   Для всех организмов действует закономерность: чем больше вероятность гибели потомства, тем больше плодовитость.
2. 
   ^ Каковы основные факторы-ограничители для растений, для животных, микроорганизмов?

ОТВЕТ: Для растений: нехватка света, воды, минеральных солей, углекислого газа.

Для микроорганизмов: нехватка пищевых ресурсов, неблагоприятные условия (температурный, водный, газовый режим, химические вещества (антибиотики для паразитов)

1. 
   ^ В каких отраслях народного хозяйства используются бактерии?

ОТВЕТ: В пищевой промышленности: для получения напитков, молочно-кислых продуктов, при квашении, солении, виноделии, сыроделии; в фармацевтике: для создания лекарств, вакцин; в сельском хозяйстве: для приготовления силоса, сенажа (кормов для животных), в коммунальном хозяйстве, в природоохранных мероприятиях: для очистки сточных вод, ликвидации нефтяных пятен, в генной инженерии, микробиологии: с помощью них получают витамины, гормоны, лекарства, кормовые белки и т.д.

1. 
   ^ Почему существуют редкие и исчезающие виды, если любой организм способен к беспредельному росту численности?

ОТВЕТ: Действуют факторы- ограничители, которые не позволяют восстановить их численность. Особенно хозяйственная деятельность человека ставит под угрозу существование многих видов.

1. 
   ^ В чем сущность закона ограничивающего фактора?

ОТВЕТ: Из всех факторов, действующих на организм, наиболее важен тот, значение которого больше всего отклоняется от оптимального (т.е. наиболее угнетающий фактор).

1. 
   ^ Школьники для озеленения территории взяли молодые ели из леса, а не из просеки. Посадили все правильно, но потом хвоя побурела и осыпалась. Почему?

ОТВЕТ: Теневые и световые листья имеют отличия в строении, приспособлены к определенной освещенности. После пересадки хвоинки не смогли быстро перестроиться к яркой освещенности и погибли.

1. 
   ^ Почему на поверхности водоемов обитают растения с зеленой окраской, а на морских глубинах – красной?

ОТВЕТ: На большие глубины морей проникают не все лучи светового спектра, а только синие и фиолетовые, которые поглощаются красными и желтыми пигментами, поэтому водоросли приобретают красную окраску. На поверхности поглощают зеленые пигменты-хлорофиллы.

1. 
   ^ Какие приспособления для экономного расходования воды имеют животные суши?

ОТВЕТ: Перемещение в тень, рытье нор, роговые покровы пресмыкающихся, раковины улиток, хитиновый покров насекомых, накопление жира- источника внутренней воды (верблюды), уменьшение потоотделения, экономия воды при выделении мочи и кала, спячка в период жаркого сезона.

1. 
   ^ Можно ли назвать почвой смесь песка, воды, неорганических и органических веществ?

ОТВЕТ: Нет, так как в ней нет живых организмов и почва имеет определенную структуру.

1. 
   ^ Почему наземные млекопитающие имеют ушные раковины, а у водных и почвенных- их нет или редуцированы?