Реакции синтеза органических веществ идут в клетке одновременно с процессами расщепления. Сложные специфические биополимеры (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты) синтезируются из простых веществ, образовавшихся в результате процессов диссимиляции.

Синтезируемые органические вещества используются для построения различных органоидов клетки, ферментов, секретов и запасных веществ, взамен израсходованных. Все эти процессы идут с поглощением энергии. Синтез веществ, идущий в клетке, называют биосинтезом или пластическим обменом.

На этом этапе на ряде промежуточных звеньев суммарно выделяется 2600 кДж энергии.

На образование 36 макроэргических связей при превращении АДФ в АТФ затрачивается 1440 кДж, или 54% освобождаемой энергии, которая переходит в потенциальную энергию АТФ. Следовательно, при кислородном расщеплении образуется в 13 раз больше энергии, чем при бескислородном, а клеткой в форме АТФ ее сберегается в 18 раз больше.

Суммарное уравнение полного расщепления глюкозы на двух этапах можно записать так:

По способу получения органических соединений все клетки делятся на автотрофные и гетеротрофные (см. раздел «Ботаника»).

Образовавшаяся при этом АТФ по каналам эндоплазматической сети направляется в другие участки клетки, где возникает в ней потребность. Таким образом, из образовавшейся энергии при расщеплении глюкозы для клетки суммарно сохраняется 80 кДж + 1440 кДж = 1520 кДж, или 55% энергии, которая переходит в потенциальную энергию и в дальнейшем используется клеткой. Поэтому реакция расщепления называется энергетическим обменом.

Фотосинтез (цв. табл. I) - это уникальный процесс образования органических соединений из неорганических веществ с использованием энергии света. Впервые процесс фотосинтеза и роль в нем хлорофилла растений описал выдающийся русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев (1843-1920). Фотосинтез - это сложный многоступенчатый процесс, протекающий в две фазы - световую и темновую.

Световая фаза начинается с освещения хлоропласта видимым светом. Под действием квантов света некоторые из подвижных электронов молекул хлорофилла переходят на более высокий энергетический уровень и приобретают потенциальную энергию. Часть таких «возбужденных» электронов возвращается на прежнее место, а выделяющаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. Другая их часть при участии переносчиков выступает в роли восстановителей и присоединяется к ионам водорода, постоянно образующимся в клетках при диссоциации молекул воды (Н 2 O =Н + +ОН —). Ионы водорода, присоединив электрон, превращаются в атомы водорода (Н + +е — = Н) и соединяются с молекулами веществ-переносчиков.

Ионы ОН — , оставшиеся без противоионов водорода, отдают свои электроны другим ионам и превращаются в радикалы ОН (ОН =е — +ОН). Взаимодействуя между собой, они образуют воду и молекулярный кислород (40Н= 2Н 2 O+O 2).

Процесс образования молекулярного кислорода при разложении воды под влиянием энергии света называется фотолизом воды. Его впервые изучил и описал советский ученый Александр Павлович Виноградов (1895 -1975), используя метод меченых атомов. По своему механизму фотолиз воды сходен с электролизом воды.

Кроме того, в световую фазу некоторые из «возбужденных» электронов хлорофилла и электронов, отделившихся от ионов ОН — , участвуют в образовании макроэргической фосфатной связи при синтезе АТФ из АДФ и неорганического фосфата (ф) (АДФ + Ф = АТФ).

Таким образом, в световую фазу фотосинтеза в результате поглощения хлорофиллом световой энергии за счет «возбужденных» электронов происходит фотолиз воды с выделением кислорода и синтез АТФ.

Темновая фаза фотосинтеза состоит из ряда последовательных ферментативных реакций по связыванию СO 2 , в результате которых образуется глюкоза, служащая исходным материалом для биосинтеза других органических веществ растения. Этот процесс идет за счет энергии АТФ при участии атомов водорода, образовавшихся в световую фазу (6СO 2 +24Н=С 6 Н 12 O 6 +6Н 2 O).

Суммарное уравнение фотосинтеза следующее:

6СO 2 +6Н 2 O = С 6 Н 12 O 6 + 6O 2

Мембранная структура хлоропласта осуществляет при этом разграничение реакционноспособных веществ.

Продуктивность фотосинтеза - 1 г органического вещества на 1 м 2 листьев в 1 ч. Ежегодно в результате фотосинтеза образуется около 400 млрд. т органического вещества. Годовая потребность одного человека в кислороде обеспечивается функционированием 10-12 деревьев среднего возраста в течение вегетации. Установлено, что продуктивность фотосинтеза возрастает с повышением, до определенного уровня, интенсивности освещения, содержания СO 2 , температуры и влажности окружающего воздуха. Эти закономерности широко используют при выращивании растений в защищенном грунте.

Хемосинтез был открыт в 1888 г. русским биологом С. Н. Виноградским, доказавшим способность некоторых бактерий ассимилировать углекислоту за счет химической энергии. Существует несколько групп хемосинтезирующих бактерий, из которых наибольшее значение имеют нитрофицирующие, серобактерии и железобактерии. Например, нитрофицирующие бактерии получают энергию для синтеза органических веществ, окисляя аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты; серобактерии - окисляя сероводород до сульфатов, а железобактерии - превращая закисные соли железа в окисные. Освобожденная энергия аккумулируется в клетках хемосинтезирующих бактерий в форме АТФ. Процесс хемосинтеза, при котором из СO 2 образуется органическое вещество, протекает аналогично темновой фазе фотосинтеза.

Благодаря жизнедеятельности бактерий - хемосинтетиков в природе накапливаются большие залежи селитры и болотной руды.

Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки, идущие на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.

Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, состоящий из нескольких сот нуклеотидов, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Одна макромолекула ДНК содержит несколько сот генов. В молекуле записан код о последовательности аминокислот в белке в виде Определенно сочетающихся нуклеотидов. Сущность кода ДНК состоит в том, что каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов - триплетов . Например, А - - Ц - А соответствует аминокислоте цистеину, А - А - Ц - лейцину, Т - Т - Т - лизину и т. д. Разных аминокислот 20, число возможных сочетаний из 4 нуклеотидов по 3 равно 64. Следовательно, триплетов с избытком хватит для всех аминокислот.

Биосинтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.

Суть реакций матричного синтеза состоит в том, что новые молекулы белка синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре существующих молекул ДНК. В этих реакциях обеспечивается точная специфическая последовательность мономеров в синтезируемых полимерах.

В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в различных частях клетки.

Синтез и-РНК (происходит в ядре). Информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптис» - переписывание).

При этом против каждого нуклеотида одной из цепей ДНК встает комплементарный ему нуклеотид и-РНК. Молекулы и-РНК индивидуальны, каждая из них несет информацию одного гена.

Соединение аминокислот с молекулами т-РНК (происходит в цитоплазме). Молекулы т-РНК состоят из 70-80 нуклеотидов. В цепочке т-РНК имеется ряд нуклеотидных звеньев, комплементарных друг другу. При сближении они слипаются, образуя структуру, напоминающую лист клевера (61). К «черешку» листа присоединяется определенная аминокислота, а на «верхушке» листа расположен кодовый триплет нуклеотидов, соответствующий определенной аминокислоте. Для каждой из 20 аминокислот существует своя т-РНК.

«Сборка белка» (происходит в рибосомах). К рибосомам направляются из ядра и-РНК. При этом на одной молекуле и-РНК одновременно располагаются несколько рибосом, образующих комплекс, называемый полирибосомой. Это обеспечивает одновременный синтез большого количества одинаковых молекул белка.

Из цитоплазмы т-РНК с «навешенными» на них аминокислотами подходят к рибосомам и своим кодовым концом дотрагиваются до триплета нуклеотидов и-РНК, проходящего в данный момент через рибосому. В это время противоположный конец т-РНК с аминокислотой попадает в место «сборки» белка и, если кодовый триплет т-РНК окажется комплементарным триплету и-РНК, находящемуся в данный момент в рибосоме, аминокислота отделяется от т-РНК и попадает в состав белка, а рибосома делает «шаг» на один триплет по и-РНК (триплеты и-РНК, соответствующие каждой из 20 аминокислот, см. в приложении).

Отдав аминокислоту, т-РНК покидает рибосому, ей на смену приходит другая, с иной аминокислотой, составляющей следующее звено в строящейся белковой молекуле (62). Так звено за звеном собирается полипептидная цепь белка, а информация о структуре белка, записанная в и-РНК в виде последовательности нуклеотидов, воспроизводится на полипептидной цепи белка в виде последовательности аминокислот. Этот процесс называется трансляцией (от лат. «трансляция» - перенос) (см. приложение, задачу 2 и таблицу). Когда синтез молекулы белка закончен, рибосома сходит с и-РНК. Образовавшийся белок поступает в эндоплазматическую сеть и по ее каналам в другие части клетки, а рибосома поступает на другую и-РНК и участвует в синтезе другого белка. Все реакции белкового синтеза катализируются специальными ферментами, а энергию доставляет АТФ.

Текущая страница: 7 (всего у книги 18 страниц) [доступный отрывок для чтения: 12 страниц]

4.1. Анаболизм

Совокупность реакций биологического синтеза называется пластическим обменом или анаболизмом (от греч. anabole – подъем). Название этого вида обмена отражает его сущность: из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки, т. е. происходит ассимиляция.

Все процессы метаболизма в клетке и целом организме протекают под контролем наследственного аппарата. Можно сказать, что все они являются результатом реализации генетической информации, имеющейся в клетке.

Рассмотрим один из важнейших процессов проявления наследственной информации в ходе пластического обмена – биосинтез белков.

Реализация наследственной информации – биосинтез белков

Как уже отмечалось, все многообразие свойств белковых молекул в конечном счете определяется первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот.

Для того чтобы синтезировался белок, информация о последовательности аминокислот в его первичной структуре должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа транскрипцию и трансляцию.

Рис. 4.1. Транскрипция

Транскрипция (от лат. transcriptio – переписывание) информации происходит путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК одноцепочечной молекулы РНК, последовательность нуклеотидов которой точно соответствует (комплементарна) последовательности нуклеотидов матрицы – полинуклеотидной цепи ДНК. Существуют специальные механизмы «узнавания» начальной точки синтеза, выбора цепи ДНК, с которой считывается информация, а также механизмы завершения процесса. Так образуется информационная РНК (рис. 4.1).

Трансляция (от лат. translatio – передача). Следующий этап биосинтеза – перевод информации, заключенной в последовательности нуклеотидов (последовательности кодонов) молекулы и-РНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи – трансляция.

У прокариот (бактерий и сине-зеленых), не имеющих оформленного ядра, рибосомы могут связываться с вновь синтезированной молекулой и-РНК сразу же после ее отделения от ДНК или даже до полного завершения ее синтеза. У эукариот и-РНК сначала должна быть доставлена через ядерную оболочку в цитоплазму. Перенос осуществляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой РНК. Кроме транспорта и-РНК к рибосомам эти белки защищают и-РНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов. В цитоплазме на один из концов и-РНК (именно на тот, с которого начинался синтез молекулы в ядре) вступает рибосома и начинает синтез полипептида.

Рибосома перемещается по молекуле и-РНК не плавно, а прерывисто, триплет за триплетом (рис. 4.2). По мере перемещения рибосомы по молекуле и-РНК к полипептидной цепочке одна за другой пристраиваются аминокислоты, соответствующие триплетам и-РНК. Точное соответствие аминокислоты коду триплета и-РНК обеспечивается т-РНК. Для каждой аминокислоты существует своя т-РНК, один из триплетов которой – антикодон – комплементарен строго определенному триплету и-РНК. Точно также каждой аминокислоте соответствует свой фермент, присоединяющий ее к т-РНК.

Рис. 4.2. Трансляция

Рис. 4.3. Схема передачи наследственной информации от ДНК к и-РНК и к белку

Общий принцип передачи наследственной информации о структуре белковых молекул в процессе биосинтеза полипептидной цепи представлен на рисунке 4.3.

После завершения синтеза полипептидная цепочка отделяется от матрицы – молекулы и-РНК, сворачивается в спираль, а затем приобретает третичную структуру, свойственную данному белку.

Молекула и-РНК может использоваться для синтеза полипептидов многократно, так же, как рибосома. Описание трансляции и транскрипции дано здесь очень упрощенно. Следует помнить, что биосинтез белков – процесс чрезвычайно сложный, связанный с участием многих ферментов и затратой большого количества энергии, значительно превышающего количество энергии образующихся пептидных связей. Поразительная сложность системы биосинтеза и ее высокая энергоемкость обеспечивают высокую точность и упорядоченность синтеза полипептидов.

Биологический синтез небелковых молекул в клетке осуществляется в три этапа. Вначале реализуется информация о структуре специфического белка-фермента, а затем при помощи этого фермента образуется молекула определенного углевода или липида. Сходным путем образуются и другие молекулы: витамины, гормоны и другие.

Опорные точки

1. Основной задачей процессов обмена веществ является поддержание постоянства внутренней среды организма (гомеостаза) в непрерывно меняющихся условиях существования.

2. Метаболизм складывается из двух взаимосвязанных процессов – ассимиляции и диссимиляции.

3. В клетке процессы метаболизма связаны с различными мембранными структурами цитоплазмы.

1. В чем заключается биологический синтез? Приведите примеры.

2. Дайте определение ассимиляции.

3. Что такое генетический код?

4. Сформулируйте основные свойства генетического кода.

5. Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты?

6. Где происходит синтез белка?

7. Расскажите, как осуществляется синтез белка.

4.2. Энергетический обмен – катаболизм

Процессом, противоположным синтезу, является диссимиляция – совокупность реакций расщепления. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют еще энергетическим обменом клетки или катаболизмом (от греч. katabole – разрушение).

Рис. 4.4. Схема строения АТФ и превращения ее в АДФ

Химическая энергия питательных веществ заключена в различных ковалентных связях между атомами в молекулах органических соединений. Например, при разрыве такой химической связи, как пептидная, освобождается около 12 кДж на 1 моль. В глюкозе количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О, составляет 2800 кДж на 1 моль (т. е. на 180 г глюкозы). При расщеплении глюкозы энергия выделяется поэтапно при участии ряда ферментов согласно итоговому уравнению:

С 6 Н 12 О 6 + 6O 2 → 6Н 2 О + 6СO 2 + 2800 кДж

Часть энергии, освобождаемой из питательных веществ, рассеивается в форме теплоты, а часть аккумулируется, т. е. накапливается в богатых энергией фосфатных связях АТФ.

Именно АТФ обеспечивает энергией все виды клеточных функций: биосинтез, механическую работу (деление клетки, сокращение мышц), активный перенос веществ через мембраны, поддержание мембранного потенциала в процессе проведения нервного импульса, выделение различных секретов.

Молекула АТФ состоит из азотистого основания аденина, сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 4.4). Аденин, рибоза и первый фосфат образуют аденозинмонофосфат (АМФ). Если к первому фосфату присоединяется второй, получается аденозиндифосфат (АДФ). Молекула с тремя остатками фосфорной кислоты (АТФ) наиболее энергоемка. Отщепление концевого фосфата АТФ сопровождается выделением 40 кДж вместо 12 кДж, выделяемых при разрыве обычных химических связей.

Благодаря богатым энергией связям в молекулах АТФ клетка может накапливать большое количество энергии в очень небольшом пространстве и расходовать ее по мере надобности. Синтез АТФ идет главным образом в митохондриях. Отсюда молекулы АТФ поступают в разные участки клетки, обеспечивая энергией процессы метаболизма.

Этапы энергетического обмена. Энергетический обмен обычно делят на три этапа. Первый этап – подготовительный. На этом этапе молекулы ди– и полисахаридов, жиров, белков распадаются на мелкие молекулы – глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты; крупные молекулы нуклеиновых кислот – на нуклеотиды. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.

Второй этап – бескислородный. Он называется также анаэробным дыханием (гликолизом) или брожением. Термин «брожение» обычно применяют по отношению к процессам, протекающим в клетках микроорганизмов или растений. Образующиеся на этом этапе в цитоплазме клеток вещества при участии ферментов подвергаются дальнейшему расщеплению. Например, в мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы пировиноградной кислоты (С 3 Н 4 О 3), которые затем восстанавливаются в молочную кислоту (С 3 Н 6 О 3). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ. В суммарном виде это выглядит так:

С 6 Н 12 О 6 + 2Н 3 РО 4 + 2АДФ → 2С 3 Н 6 О 3 + 2АТФ + 2Н 2 О

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение):

С 6 Н 12 О 6 + 2Н 3 РО 4 + 2АДФ → 2С 2 Н 5 ОН + 2СO 2 + 2АТФ + 2Н 2 О

У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и т. д.

Во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. В ходе бескислородного расщепления глюкозы в виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40 % энергии, а остальная рассеивается в виде теплоты.

Третий этап энергетического обмена – стадия аэробного дыхания, или кислородного расщепления. Реакции этой стадии энергетического обмена осуществляются в митохондриях. При доступе кислорода к клетке образовавшиеся во время предыдущего этапа вещества окисляются до конечных продуктов – Н 2 О и СО 2 . Кислородное дыхание сопровождается выделением большого количества энергии и аккумуляцией ее в молекулах АТФ. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так:

2С 3 Н 6 О 3 + 6O 2 + 36Н 3 РО 4 + 36АДФ → 6СO 2 + 42Н 2 O + 36АТФ

Таким образом, при окислении двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.

По способу получения энергии все организмы делятся на две группы – автотрофные и гетеротрофные.

4.3. Автотрофный тип обмена веществ

Автотрофы – это организмы, осуществляющие питание (т. е. получающие энергию) за счет неорганических соединений. К ним относятся некоторые бактерии и все зеленые растения. В зависимости от того, какой источник энергии используется автотрофными организмами для синтеза органических соединений, их делят на две группы: фототрофы и хемотрофы.

Рис. 4.5. Схема процесса фотосинтеза

Для фототрофов источником энергии служит свет, а хемотрофы используют энергию, освобождающуюся при окислительно-восстановительных реакциях. Зеленые растения являются фототрофами. При помощи содержащегося в хлоропластах хлорофилла они осуществляют фотосинтез – преобразование световой энергии в энергию химических связей.

Фотосинтез. Фотосинтезом называют образование органических (и неорганических) молекул из неорганических за счет использования энергии солнечного света. Этот процесс состоит из двух фаз – световой и темновой (рис. 4.5).

В световой фазе кванты света – фотоны – взаимодействуют с молекулами хлорофилла, в результате чего эти молекулы на очень короткое время переходят в более богатое энергией «возбужденное» состояние. Затем избыточная энергия части возбужденных молекул хлорофилла преобразуется в теплоту или испускается в виде света. Другая ее часть передается ионам водорода Н + , всегда имеющимся в водном растворе вследствие диссоциации воды.

H 2 O → H + + OH −

Образовавшиеся атомы водорода (Н 0) непрочно соединяются с органическими молекулами – переносчиками водорода. Ионы гидроксила ОН − отдают свои электроны другим молекулам и превращаются в свободные радикалы ОН 0 . Радикалы ОН 0 взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуются вода и молекулярный кислород:

4ОН → О 2 + 2Н 2 О

Таким образом, источником молекулярного кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза и выделяющегося в атмосферу, является вода, расщепляющаяся в результате фотолиза – разложения воды под влиянием света. Кроме фотолиза воды энергия света используется в световой фазе для синтеза АТФ из АДФ и фосфата без участия кислорода.

Это очень эффективный процесс: в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях тех же растений с участием кислорода. Таким путем накапливается энергия, необходимая для процессов, происходящих в темновой фазе фотосинтеза.

В комплексе химических реакций темновой фазы, для течения которых свет не обязателен, ключевое место занимает связывание СО 2 . В этих реакциях участвуют молекулы АТФ, синтезированные во время световой фазы, и атомы водорода, образовавшиеся в процессе фотолиза воды и связанные с молекулами-переносчиками:

6СО 2 + 24Н → С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О

Так энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических соединений.

Как уже отмечалось выше, побочным продуктом фотосинтеза зеленых растений является молекулярный кислород, выделяемый в атмосферу. Свободный кислород в атмосфере является мощным фактором преобразования веществ. Его появление послужило предпосылкой возникновения на нашей планете аэробного типа обмена веществ и выхода жизни на сушу.

Хемосинтез. Некоторые бактерии, лишенные хлорофилла, тоже способны к синтезу органических соединений, при этом они используют энергию химических реакций неорганических веществ. Преобразование энергии химических реакций в химическую энергию синтезируемых органических соединений называют хемосинтезом.

Хемосинтез был открыт видным русским микробиологом С. Н. Виноградским (1887).

К группе автотрофов-хемосинтетиков (хемотрофов) относятся нитрифицирующие бактерии. Некоторые из них используют энергию окисления аммиака в азотистую кислоту, другие – энергию окисления азотистой кислоты в азотную. Известны хемосинтетики, извлекающие энергию из окисления двухвалентного железа в трехвалентное («железные бактерии») или из окисления сероводорода до серной кислоты («серные бактерии»). Фиксируя атмосферный азот, переводя минералы в растворимую форму, усваиваемую растениями, хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в круговороте веществ в природе.

Гетеротрофный тип обмена веществ. Организмы, неспособные сами синтезировать органические соединения из неорганических, нуждаются в доставке их из окружающей среды. Такие организмы называют гетеротрофами. К ним относится большинство бактерий, грибы и все животные. Животные поедают других животных и растения и получают с пищей готовые углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты. В ходе жизнедеятельности происходит расщепление этих веществ. Из части освободившихся при этом молекул – глюкозы, аминокислот, нуклеотидов и др. синтезируются более сложные органические соединения, свойственные данному организму, – гликоген, жиры, белки, нуклеиновые кислоты. Другая часть молекул расщепляется, и освобождающаяся при этом энергия используется для жизнедеятельности.

Processes of biosynthesis continuously take place in the cells. With the help of enzymes rather simple organic substances are transformed into complicated high-molecular ones: proteins are formed from aminoacids, multimolecular carbohydrates – from simple carbohydrates, nucleotides – from nitrogenic bases and carbohydrates, DNA and RNA – from nucleotides. All the reactions of biosynthesis in the organism are called assimilation. The opposite process, that includes destruction of organic compounds, is dissimilation. The energy, derived from dissimilation reactions is necessary for the process of biosynthesis.

Опорные точки

1. Метаболизм складывается из двух тесно взаимосвязанных и противоположно направленных процессов: ассимиляции и диссимиляции.

2. Подавляющее большинство процессов жизнедеятельности, протекающих в клетке, требуют затрат энергии в виде АТФ.

3. Расщепление глюкозы у аэробных организмов, при котором за бескислородным этапом следует расщепление молочной кислоты с участием кислорода, в 18 раз более эффективно с энергетической точки зрения, чем анаэробный гликолиз.

4. Наиболее эффективной формой фотосинтеза является такая, при которой в качестве источника водорода используется вода.

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое диссимиляция? Охарактеризуйте этапы диссимиляции.

2. В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?

3. Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.

4. Какие типы питания организмов вам известны?

5. Какие организмы называют автотрофными?

6. Охарактеризуйте световую и темновую фазы фотосинтеза.

7. Почему в результате фотосинтеза у зеленых растений в атмосферу выделяется свободный кислород?

8. Что такое хемосинтез?

9. Какие организмы называют гетеротрофными? Приведите примеры.

Используя словарный запас рубрик «Терминология» и «Summary», переведите на английский язык пункты «Опорных точек».

Терминология

Вопросы для обсуждения

Какие организмы называют автотрофными? На какие группы подразделяют автотрофов?

Каков механизм образования свободного кислорода в результате фотосинтеза у зеленых растений? В чем биологическое и экологическое значение этого процесса?

Где, в результате каких преобразований молекул и в каком количестве образуется АТФ у живых организмов?

Обзор изученного материала главы 4

Основные положения

Сущность метаболизма заключается в преобразовании веществ и энергии.

Реакции обмена веществ складываются из взаимосвязанных, но разнонаправленных процессов ассимиляции и диссимиляции, согласованность которых обеспечивает гомеостаз организма.

Генетический код – это исторически сложившаяся организация молекул ДНК и РНК, при которой наследственная информация о признаках и свойствах организма оказывается заключенной в последовательности нуклеотидов.

Энергетический обмен организма или клетки включает три этапа: подготовительный – расщепление биополимеров пищи до мономеров, бескислородное расщепление – до промежуточных продуктов и кислородное расщепление – до конечных продуктов. Только два последних этапа сопровождаются образованием АТФ.

Проблемные области

Как реализуется наследственная информация о признаках и свойствах ДНК– и РНК-содержащих вирусов?

В чем заключается биологический смысл избыточности генетического кода?

Каким образом реализуется наследственная информация о структуре и функциях небелковых молекул, синтезируемых в клетке?

Как вы считаете, можно ли повысить эффективность фотосинтеза?

Прикладные аспекты

Как вы думаете, каким образом можно повысить эффективность фотосинтеза у зеленых растений?

Какие примеры, характеризующие использование особенностей метаболизма живых организмов в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях, вы можете привести?

Задания

Напишите уравнения реакций световой и темновой фаз фотосинтеза. Обозначьте пути переноса электронов и протонов.

Охарактеризуйте различные реакции бескислородного расщепления глюкозы у анаэробных и аэробных организмов.

Опишите процесс расщепления органических молекул при участии кислорода в клетках аэробных организмов.

Глава 5. Строение и функции клеток

Для разнообразнейших элементарных частей организмов существует общий принцип строения и развития, и этим принципом является образование клеток.

Т. Шванн

Биохимические превращения неразрывно связаны с теми структурами живой клетки, которые отвечают за выполнение той или иной функции. Такие структуры получили название органоидов, так как, подобно органам целого организма, выполняют специфическую функцию. Современные методы исследования позволили биологам установить, что по строению клетки все живые существа следует делить на организмы «безъядерные» – прокариоты (буквально – доядерные) и «ядерные» – эукариоты. В группу прокариот попали все бактерии и сине-зеленые (цианеи), а в группу эукариот – грибы, растения и животные.

В настоящее время выделяют два уровня клеточной организации: прокариотический и эукариотический. Прокариотические организмы сохраняют черты глубочайшей древности: они очень просто устроены. На этом основании их выделяют в самостоятельное царство. Эукариотические организмы содержат ограниченное оболочкой ядро, а также сложно устроенные «энергетические станции» – митохондрии. Иными словами, все клетки «ядерных» – эукариот – высоко организованы, приспособлены к потреблению кислорода и поэтому могут производить большое количество энергии.

5.1. Прокариотическая клетка

Бактерии представляют собой типичные прокариотические клетки. Они живут повсюду: в воде, в почве, в пищевых продуктах. Они обитают в самой глубокой котловине в океане и на высочайшей горной вершине Земли – Эвересте, их находят во льдах Арктики и Антарктиды, в подземных источниках горячих вод, верхних слоях атмосферы. Уже этот перечень условий обитания показывает, какой высокой степенью приспособленности обладают прокариотические организмы, несмотря на простоту своего строения. Бактерии представляют собой примитивные формы жизни, и можно предположить, что они относятся к тому типу живых существ, которые появились на самых ранних этапах развития жизни на Земле.

По-видимому, первоначально бактерии жили в морях; от них, вероятно, и произошли современные микроорганизмы. Человек познакомился с миром микробов сравнительно недавно, лишь после того, как научился изготовлять линзы (XVII в.), дающие достаточно сильное увеличение. Развитие техники в последующие века позволило подробно изучить бактерии и другие прокариотические организмы.

Остановимся на особенностях строения клетки бактерий (рис. 5.1). Размеры бактериальных клеток колеблются в широких пределах: от 1 до 10–15 мкм. По форме выделяют шаровидные клетки – кокки, вытянутые – палочки, или бациллы, и извитые – спириллы (рис. 5.2). В зависимости от того, к какому виду относятся микроорганизмы, они существуют или по отдельности, или образуют характерные скопления. Например, стрептококк, вызывающий воспалительные заболевания у человека и животных, образует цепочки из нескольких бактериальных клеток; стафилококк, поражающий дыхательные пути у детей, растет в виде образований, напоминающих кисть винограда. По характеру таких скоплений бактериальных клеток и по особенности их жизнедеятельности микробиологи могут определить, к какому виду относится выделенный микроорганизм.

Рис. 5.1. Схема строения прокариотических клеток

Рис. 5.2. Форма и взаимное расположение бактерий: 1 – палочки, 2–4 – кокки, 5 – спириллы

Основная особенность строения бактерий – отсутствие ядра, ограниченного оболочкой. Наследственная информация у них заключена в одной хромосоме. Бактериальная хромосома, состоящая из одной молекулы ДНК, имеет форму кольца и погружена в цитоплазму. ДНК у бактерий не образует комплексов с белками, и поэтому подавляющее большинство наследственных задатков – генов, входящих в состав хромосомы, «работает», т. е. с них непрерывно считывается наследственная информация. Бактериальная клетка окружена мембраной (см. рис. 5.1), отделяющей цитоплазму от клеточной стенки, образованной сложным гетерополимерным веществом. В цитоплазме мембран мало. В ней находятся рибосомы, осуществляющие синтез белков. Все ферменты, обеспечивающие процессы жизнедеятельности бактерий, диффузно рассеяны по цитоплазме или прикреплены к внутренней поверхности мембраны. У многих микроорганизмов внутри клетки откладываются запасные вещества – полисахариды, жиры, полифосфаты. Эти вещества, включаясь в обменные процессы, могут продлевать жизнь клетки в отсутствие внешних источников энергии.

Бактерии размножаются делением надвое. После редупликации кольцевой хромосомы и удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, а затем дочерние клетки расходятся или остаются связанными в характерные группы – цепочки, пакеты и т. д. Иногда размножению предшествует половой процесс, сущность которого заключается в обмене генетическим материалом и возникновении новых комбинаций генов в бактериальной хромосоме.

Рис. 5.3. Созревшая спора в бактериальной клетке

Многим бактериям свойственно спорообразование. Споры возникают, как правило, когда ощущается недостаток в питательных веществах или когда в среде в избытке накапливаются продукты обмена. Спорообразование начинается с отшнуровывания части цитоплазмы от материнской клетки. Отшнуровавшаяся часть содержит хромосому и окружена мембраной (рис. 5.3). Затем спора окружается клеточной стенкой, нередко многослойной. Процессы жизнедеятельности внутри спор практически прекращаются. Споры бактерий в сухом состоянии очень устойчивы и могут сохранять жизнеспособность многие сотни и даже тысячи лет, выдерживая резкие колебания температуры. Примером этого могут служить споры, обнаруженные в древних захоронениях (мумии древних египтян, запасы пищевых продуктов в различных пещерах), при стерильном бурении льдов, окружающих Южный полюс. Попадая в благоприятные условия, споры преобразуются в активную бактериальную клетку. Ученые-микробиологи вырастили колонии микроорганизмов из спор, оказавшихся в образце льда, возраст которого 10–12 тыс. лет.

Споры болезнетворных бактерий, в покоящемся состоянии пролежавшие многие годы в земле, попадая в воду (при различного рода ирригационных мероприятиях), могут служить причиной возникновения вспышек инфекционных заболеваний. Так, например, палочки сибирской язвы сохраняют жизнеспособность, оставаясь в виде спор более 30 лет.

Таким образом, спорообразование у прокариот является этапом жизненного цикла, обеспечивающим переживание неблагоприятных условий окружающей среды. Кроме этого в состоянии спор может происходить распространение микроорганизмов при помощи ветра и другими способами.

Recently two levels of cell organization are distinguished: procaryotic and eucaryotic ones. In procaryotic organisms many ancient features have remained, including the simplicity of their structure. Thus, they have no nuclei separated from protoplasm by a membrane, no special ability to reproduce organelles, and no skeleton like formations in cytoplasm. Because of these features, they are excluded to a separate Kingdom of procaryotic microorganisms. Eubacteriums and cianobacteriums are considered the most important representatives of this Kingdom, and archaeobacteriums have remained the most similar to ancient ancestors.

Опорные точки

1. У прокариот генетический материал клетки представлен одной кольцевой молекулой ДНК.

2. Все бактерии, сине-зеленые и микоплазмы гаплоидны, т. е. содержат одну копию генов.

3. В клетках прокариотических организмов практически нет внутренних мембран, поэтому большинство ферментов диффузно распространено по цитоплазме.

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое органоиды клетки?

2. На чем основано деление всех живых организмов на две группы – прокариот и эукариот?

3. Какие организмы относятся к прокариотам?

4. Опишите строение бактериальной клетки.

5. Как размножаются бактерии?

6. В чем сущность процесса спорообразования у бактерий?

Используя словарный запас рубрик «Терминология» и «Summary», переведите на английский язык пункты «Опорных точек».

Терминология

Каждому термину, указанному в левой колонке, подберите соответствующее ему определение, приведенное в правой колонке на русском и английском языках.

Select the correct definition for every term in the left column from English and Russian variants listed in the right column.

Вопросы для обсуждения

В чем заключается значение прокариот в биоценозах? Какова их экологическая роль?

Каким образом болезнетворные микроорганизмы влияют на состояние макроорганизма (хозяина)?

В чем заключается биологический синтез? Приведите примеры.

Биологический синтез - процесс образования биологических макромолекул, структура которых определяется последовательностью нуклеотидом в молекуле ДНК (синтез белка). Синтез небелковых биополимеров происходит так: вначале синтезируется белок -фермент, а с его помощью образуются молекулы углеводов, липидов, гормонов и витаминов.

Дайте определение ассимиляции.

Ассимиляция (анаболизм или пластический обмен) - совокупность реакций биологического синтеза, в ходе которых из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки.

Что такое генетический код?

Генетический код - единая система записи наследственной информации в молекулах ДНЕ и РНК в виде последовательности нуклеотидов в них. Несет информацию о порядке аминокислот в полипептидной цепи.

Сформулируйте основные свойства генетического кода.

1. Специфичность. Один и тот же триплет всегда соответствует только одной аминокислоте.

2. Избыточность. Существует 64 возможные комбинации четырех азотистых оснований (по 3 в триплете), а кодируют они 20 аминокислот. В результате некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами, что повышает надежность передачи наследственной информации.

З. Универсальность. Генетический код универсален для всех живых организмов. Например, он одинаков у кишечной палочки и человека.

4. Неперекрываемость. Триплеты, кодирующие аминокислоты, никогда не перекрываются, а считываются и передаются всегда целиком. Невозможно использование азотистого основания одного триплета в комбинации с азотистыми основаниями другого триплета.

Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты?

Информация о структуре всех видов РНК заключена в последовательности нуклеотидов ДНК и реализуется в один этап путем комплементарного синтеза молекулы РНК на одной из цепей молекул ДНК, т. е. в результате транскрипции.

Где происходит синтез белка?

Непосредственнаясборка белковой молекулы происходит в цитоплазме, на рибосомах.

Расскажите, как осуществляется синтез белка.

Процесс синтеза белка реализуется в два этапа:

Первый этап – транскрипция - перевод информации из последовательности триплетов ДНК в последовательность триплетов РНК. Осуществляется путем комплементарного синтеза информационной РНК на одной из цепей молекулы ДНК.

Второй этап - трансляция - передача информации из последовательности триплетов информационной РНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи. Осуществляется путем подборки антикодонов транспортной РНК к кодонам (триплетам) информационной РНК по принципу комплементарности. Если антикодон транспортной РНК комплементарен кодону информационной РНК, то между ними происходит соединение, и аминокислота включается в полипептидную цепь. Этот процесс идет в цитоплазме, на рибосомах, которые как бы нанизаны на один из концов информационной РНК и передвигаются по ней триплет за триплетом.

Что такое диссимиляция? Охарактеризуйте этапы диссимиляции.

Диссимиляция (катаболизм, энергетический обмен) - процесс, обратный реакциям ассимиляции. Сложные биополимеры распадаются, образуя простые вещества. При этом выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.

Выделяют три этапа энергетического обмена.

1. Подготовительный. На этом этапе молекулы полисахаридов, белков, жиров распадаются на более мелкие молекулы глюкозу, аминокислоты, жирные кислоты, глицерин. Вся выделяющаяся энергия рассеивается в виде тепла.

2. Бескислородный (анаэробное дыхание, или гликолиз). Этот этап неполного окисления также называют брожением. При анаэробном окислении 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. В АТФ запасается 40% выделяющейся энергии, остальное рассеивается в виде тепла.

3. Кислородное расщепление (аэробное дыхание). На этом этапе органические соединения окисляются до конечных продуктов СО2 и Н20. Кислородное расщепление сопровождается выделением большого количества энергии и запасанием 60% ее в 36 молекулах АТФ.

В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?

Энергия, высвобождаемая ври окислении питательных веществ в клетке, запасается в фосфатных связях молекулы АТФ. АТФ обеспечивает энергией все клеточные функции - биосинтез, деление клетки, мышечное сокращение, перенос вещёств через мембрану, поддержание мембранного потенциала и проведение нервного импульса.

Молекула АТФ состоит из азотистого основании аденина, сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.

Расскажите об энергетическом о6мене в клетке на примере расщепления глюкозы.

1. Подготовительный этап. Распад гликогена или крахмала на молекулы глюкозы:

(C6H10O5)n + nH2O > C6H12O6

2. Анаэробное окисление. Из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пировиноградной кислоты, 2 молекулы АТФ и 2 молекулы воды. Молекулы пировиноградной кислоты впоследствии восстанавливаются в молочную кислоту:

C 6H 12O 6 + 2H 3PO 4 + 2АДФ > 2C 3H 6O 3 +2АТФ +2H 2O

3. Кислородное окисление. Образовавшиеся молекулы молочной кислоты и присутствии кислорода окисляются до углекислого газа и воды с образованием 36 молекул АТФ:

2СЗНб03 + 60236АДФ + 36НЗРО.1 -

Э 6С02 + 42Н20 +36АТФ.

Какие типы питания организмов вам известны?

По типу питания все организмы делятся па автотрофных и гетеротрофных.

Какие организмы называются автотрофными?

Автотрофы - организмы, живущие за счет неорганического источника углерода - углекислого газа, использующие для осуществления процессов синтеза энергию солнечного светя - фототрофы или энергию химических связей - хемотрофы.

Охарактеризуйте световую и темновую фазы фотосинтеза.

Фотосинтез - процесс образования органических соединений из неорганических за счет энергии солнечного света. Выделяют световую и темновую фазы фотосинтеза.

Световая фаза фотосинтеза. Происходит поглощение квантов смета хлорофиллами и фотолиз (разложение) воды. В результате образуются молекулы АТФ, атомарный водород Н", которые используются далее в темновой фазе для синтеза глюкозы, и молекулярный кислород (как побочный продукт), выделяемый в окружающую среду.

Темновая фаза фотосинтеза. Происходит образование глюкозы из углекислого газа, поглощаемого извне, водорода Н , полученного в ходе световой фазы, с затратой энергии АТФ, синтезированной также в световую фазу.

Почему в результате фотосинтеза у зеленых растений в атмосферу выделяется свободный кислород?

В ходе реакций световой фазы фотосинтеза под действием квантов светя и при взаимодействии с хлорофиллом происходит разложение (фотолиз) волы на атомарный водород и свободные радикалы Он". Последние взаимодействуют между собой, образуя свободный кислород и воду.

Так как кислород не включается в дальнейший каскад реакций фотосинтеза, он выделяется во внешнюю среду.

Что такое хемосинтез?

Хемосинтез - процесс синтеза органических соединений с использованием углерода из углекислого газа за счет энергии химических связей неорганических веществ.

Какие организмы называются гетеротрофными? Приведите примеры.

Гетеротрофы – организмы, использующие органический источник углерода. К ним относятся все животные, грибы, большинство растений.

(Теги: молекулы, синтеза, фотосинтеза, происходит, кислоты, процесс, синтез, организмы, энергии, кислород, углекислого, результате, последовательности, Кислородное, световую, аминокислоты, Какие, путем, осуществляется, триплетов, углерода, образуются, энергия, клетке, аминокислот, комплементарного, нуклеотидов, использующие, организмов, солнечного, темновую, реализуется, органических, связей, квантов, разложение, анаэробное, тепла, Приведите, цитоплазме, Расскажите, обмен, также, транспортной, фотолиз, световой, свободный, вещества, рассеивается, C6H12O6, окисляются, азотистого, последовательность, атомарный, всегда, энергию, триплет, комбинации, расщепление, образования, наследственной, полипептидной, неорганических, диссимиляция, распадаются, этапе, этапа, светя, триплета, между, запасается, включается, извне, пировиноградной, окислении, заключается, называются, водород, среду, питания, дыхание, клетки, окисление, соединений, образуется, химических, хемосинтез, Охарактеризуйте, растений, записи, Например, человека, поступающих, небелковых, Неперекрываемость, генетического, единая, углеводов, передачи, Несет)

Обмен веществ и превращение энергии - основа жизнедеятельности клетки. Энергетический обмен в клетке и его сущность. Значение АТФ в энергетическом обмене.

Пластический обмен. Фотосинтез. Пути повышения продуктивности сельскохозяйственных растений. Биосинтез белков. Ген и его роль в биосинтезе. Код ДНК. Реакция матричного синтеза. Взаимосвязь процессов пластического и энергетического обмена.

Вопросы для самопроверки:

В чем заключается биологический синтез? Приведите примеры.

Дайте определение ассимиляции.

Что такое генетический код? Сформулируйте основное свойства генетического кода?

Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты?

Где происходит синтез белка? Расскажите, как осуществляется синтез 6eлкa.

Что такое диссимиляция? Охарактеризуйте этапы диссимиляции.

В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?

Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.

Какие типы питания организмов вам известны? Какие организмы называются автотрофными? На какие группы делятся автотрофные организмы?

Охарактеризуйте световую и темновую фазы фотосинтеза.

Почему в результате фотосинтеза у зеленых растений в атмосферу выделяется свободный кислород?

Что такое хемосинтез?

Приведите примеры фотосинтезирующих организмов.

Какие организмы называются гетеротрофными? Приведите примеры.

Раздел 4. Размножение живых организмов

Способность к размножению, или самовоспроизводство, - одна из важнейших характеристик органической природы. Размножение – свойство, присущее всем без исключения живым организмам – от бактерий до млекопитающих. Существование любого вида животных и растений, бактерий и грибов, преемственность между родительскими особями и их потомством поддерживаются только благодаря размножению.

Необходимое условие размножения - наследственность, т.е. способность воспроизводить свойства и признаки родителей.

Известны различные формы размножения, но все они могут быть объединены в два типа: половое и бесполое.

Половым размножением называют смену поколений и развитие организмов на основе специализированных - половых клеток, образующихся в половых железах. В эволюции размножения наиболее прогрессивным оказался способ, благодаря которому новый организм развивается в результате слияния двух половых клеток, образованных разными родителями. Однако у беспозвоночных животных нередко сперматозоиды и яйцеклетки формируются в теле одного организма. Такое явление - обоеполость - называют гермафродитизмом. Цветковые растения также бывают обоеполыми. Известны случаи, когда новый организм, не обязательно появляется в результате слияния половых клеток. У некоторых видов животных и растений наблюдается развитие из неоплодотворенной яйцеклетки. Такое размножение называют девственным, или партеногенетическим.

Бесполое размножение характеризуется тем, что новая особь развивается из неполовых (соматических) клеток.

Вопросы для самопроверки:

Какие способы размножения вам известны? Что такое половое размножение?

У каких организмов встречается бесполое размножение? Какие формы бесполого размножения вам известны? Приведите примеры.

Почему при бесполом размножении потомки генетически сходны между собой и с родительской особью?

Чем половое размножение отличается от бесполого? Укажите отличия мейоза от митоза.

В чем заключается биологический смысл мейоза? Почему зрелые половые клетки одного организма несут разные комбинации генов?

В нем состоят эволюционные преимущества полового размножения перед бесполым?

Биологический синтез белка является очень сложным многоступенчатым процессом. В настоящее время доказано, что биосинтез белка происходит не в ядре, а в цитоплазме. Непосредственного участия в синтезе белка ДНК не принимает. Роль посредника, функцией которого является перевод наследственной информации о химическом составе и структуре белков, хранящийся в ДНК, в полипептидную цепь определенного белка выполняют рибонуклеиновые кислоты (и-РНК, т-РНК). Большое значение в биосинтезе белка имеет информационная РНК. Она выполняет роль матрицы. Количество образующихся на ДНК молекул и-РНК определяется числом генов, контролирующих у определенного организма синтез специфических белков. Каждый белок требует для синтеза свой и-РНК, одна молекула которой «списывает» последовательность нуклеотидов с участка ДНК, равному одному гену, а затем, и-РНК переносит эту информацию на последовательность расположения аминокислот в полипептидной цепи белка. Информационная РНК из ядра проникает в цитоплазму и действует на рибосомах по отношению к белкам, как матрица.

Биосинтез белка начинается с процесса под названием транскрипция (от английского transcription - переписывание, копия). На участке определенного гена молекулы ДНК синтезируется м-РНК. Синтез м-РНК осуществляется с помощью многих ферментов, но главная роль принадлежит РНК-полимеразе, которая прикрепляется к начальной точке молекулы ДНК инициации транскрипции под названием промотор, расплетает двойную спираль и синтезирует м-РНК. Промотор расположен перед геном и у эукариотов включает около 80, а у вирусов и бактерий около 10 нуклеотидов.

РНК-полимераза движется вдоль гена и ведет синтез и-РНК. Синтезированная молекула м-РНК отделяется от ДНК, а участки гена на которых образовалась эта кислота, вновь соединяются. Окончание синтеза м-РНК определяет участок, который получил название - терминатор. Нуклеотиды промотора и терминатора узнают специфические белки, которые регулируют активность РНК-полимеразы.

В настоящее время доказано, что сначала синтезируется предшественни м-РНК так называемая про-м-РНК. Эта кислота имеет большие размеры, чем м-РНК и содержит фрагменты не кодирующие синтез пептидной цепи определенного белка. Связано это с тем, что в ДНК наряду с участками кодирующими р-РНК, т-РНК и полипептиды имеются фрагменты не несущие генетической информации. Эти фрагменты получили название интронов, а кодирующие фрагменты названы экзонами. После образования про-и-РНК, происходит процесс созревания м-РНК, который получил название процессинга. В процессе созревания м-РНК интроны удаляются специальными ферментами, а информативные участки (экзоны) соединяются между собой в строгом порядке с помощью ферментов лигаз. Этот процесс называется сплайсингом (от английского splice - сращивать). Биологическое значение и роль интронов остаются не ясными. Однако, установлено, что при считывании в ДНК только экзонов, зрелая м-РНК не образуется.

Следующим этапом биосинтеза является трансляция, которая происходит в цитоплазме на рибосомах. Суть ее в том, что последовательность расположения нуклеопептидов в м-РНК переводится в строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка. Этот процесс протекает при активном участии т-РНК и состоит из активирования аминокислот и непосредственного синтеза белковой молекулы. Свободные аминокислоты активируются и присоединяются к т-РНК при помощи фермента аминоацил-т-РНК-синтеталы. Активированные аминокислоты т-РНК доставляются на рибосомы. Эти органоиды цитоплазмы состоят из двух субчастиц, одна из которых имеет константу седиментации 30 S, вторая 50 S. Молекула м-РНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к малой субчастице рибосомы. Сигналом к трансляции служит стартовый кодон АУГ. Когда т-РНК доставляет к рибосоме активированную аминокислоту, ее антикодон соединяется с комплементарным кодоном м-РНК. Акцепторный конец т-РНК с соответствующей аминокислотой присоединяется к поверхности большой субъединицы рибосомы. Затем следующая т-РНК доставляет следующую аминокислоту и т. д. Молекула м-РНК работает на нескольких рибосомах, соединенных в полисомы. Начало синтеза полипептидной цепи называется элонгацией. Окончание синтеза полипептидной цепи называется терминацией. Терминация наступает когда на м-РНК появляется один из кодонов-терминаторов УАА, УАТ или УГА.

Смотрите также

Биогеохимия: история и современность
Введение Биогеохимия - наука, изучающая жизнедеятельность организмов в качестве ведущего фактора миграции и распределения масс химических элементов на Земле. Предметом изучения биогео...

Что такое жизнь с точки зрения физики
ВВЕДЕНИЕ К современному естествознанию относятся теоретические концепции, сформировавшиеся на протяжении ХХ века в рамках различных научных дисциплин. Важнейшей, естественной наукой...

Влияние биоритмов на организм человека
Введение биоритм медицинский работоспособность спортсмен О существовании биологических ритмов людям известно с древних времен. Уже в «Ветхом Завете» даны указания о правильном образе ж...