Примерное время на чтение статьи: 101 минуты

Обмен веществ и энергии   в клетке.

Постоянный обмен веществ с окружающей средой — одно из свойств живых систем. В клетках постоянно идут как процессы синтеза, так и процессы расщепления. Клетку можно сравнить с миниатюрной химической фабрикой, на которой происходят сотни и тысячи химических реакций. Благодаря этим процессам сохраняется относительное постоянство состава клетки. Обмен веществ — совокупность химических превращений, направленных на сохранение и самовоспроизведение биологических систем. Он включает в себя:

• поступление веществ в организм в процессе питания и дыхания,
• внутриклеточный обмен веществ, или метаболизм,
• выделение конечных продуктов обмена.

В процессе питания организмы получают энергию, а высвобождают и переводят её в доступную форму в процессе дыхания. Метаболизм складывается из двух одновременно протекающих в клетке процессов: пластического и энергетического обменов. Это противоположные стороны единого процесса обмена веществ.

Пластический обмен (анаболизм, ассимиляция) представляет собой совокупность реакций синтеза, которые идут с затратой энергии АТФ. В процессе пластического обмена синтезируются органические вещества, необходимые клетке. Примерами реакций пласти-ческого обмена являются фотосинтез, биосинтез белка и репликация (самоудвоение) ДНК. Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — это совокупность реакций расщепления сложных веществ до более простых. В результате энергетического обмена выделяется энергия, запасаемая в виде АТФ. Наиболее важными процессами энергетического обмена являются дыхание и брожение.

Для реакций обмена характерна высокая организованность и упорядоченность. Каждая реакция протекает с участием специфи-ческих белков-ферментов. Ферменты располагаются на мембранах органоидов и в гиалоплазме клеток в строго определённом по-рядке, что и обеспечивает строгую последовательность реакций. Ферменты — это природные катализаторы, вещества, ускоряющие реакции при температуре тела и нормальном давлении.

Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны , т.к. в процессе пластического обмена органические вещества синте-зируются, а для этого требуется энергия АТФ, а в процессе энергетического обмена органические вещества расщепляются и при этом энергия высвобождается и именно она будет израсходована на процессы синтеза. Для реакций энергетического обмена необходим синтез ферментов и структур органоидов, которые постепенно разрушаются.

Но не всегда процессы ассимиляции и диссимиляции находятся в равновесии. В растущем организме преобладают процессы асси-миляции, в результате которого происходит накопление веществ и рост организма. В старости преобладают процессы диссимиля-ции, приводящие к постепенному истощению и гибели организма.

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) .

Энергетический обмен — это совокупность реакций ферментативного расщепления сложных органических соединений, сопровож-дающихся выделением энергии.

Часть энергии рассеивается в виде тепла, а другая часть аккумулируется в макроэргических (высокоэнергетических) связях АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты или аденозинтрифосфата). Именно энергия АТФ используется для осуществления биохимических реакций, проведения нервных импульсов, сокращения мышц, выделения секретов, для поступления веществ в клетку.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ, аденозинтрифосфат).

Это обязательное органическое вещество любой живой клетки.

АТФ — мононуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, пятиуглеродного моносахарида рибозы. и трёх остатков фосфор-ной кислоты, которые соединяются друг с другом макроэргическими связями. АТФ расщепляется под действием особых ферментов в процессе гидролиза — присоединения воды. При отщеплении одной молекулы воды АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфорная кислота или аденозиндифосфат), а при последующем отщеплении фосфорной кислоты — в АМФ (аденозинмонофосфат). при разрыве макроэргической связи высвобождается 40 кДж энергии. Возможен и обратный процесс, т.е. АМФ может превратиться в АДФ, а АДФ в АТФ. Но эти процессы , требующие большего затрата энергии (более 40 кДж на этап) происходят в митохондриях с выделением воды. Реакции присоединения одного остатка фосфорной кислоты к молекуле АДФ (аденозиндифосфата) называются реакциями фосфорили-рования: АДФ + H₃PO₄+ 40 кДж = АТФ + H₂O. Энергия для синтеза АТФ из АДФ  выделяется в процессе диссимиляции.

Этапы энергетического обмена.

В зависимости от среды обитания организма, диссимиляция может проходить в два или в три этапа. Процессы расщепления органичес-ких соединений у аэробных организмов происходят в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный.  В результате этого органические вещества распадаются до простейших неорганических соединений.

 У анаэробных организмов, обитающих в бескислородной среде и не нуждающихся в кислороде (а также у аэробных организмов при недостатке кислорода), ассимиляция происходит в два этапа: подготовительный и бескислородный.  В двухэтапном энергетическом обмене энергии запасается гораздо меньше, чем в трёхэтапном.

Подготовительный этап.

Протекает в пищеварительном тракте животных и человека или в цитоплазме клеток всех живых существ. Этот процесс называется пи-щеварением. У многоклеточных организмов он осуществляется в желудочно-кишечном тракте с помощью пищеварительных фермен-тов. У одноклеточных организмов — происходит под действием ферментов лизосом. На этом этапе энергии выделяется мало, она рас-сеивается в виде тепла и АТФ  не образуется, а крупные органические молекулы под действием ферментов расщепляются до более простых: полисахариды до моносахаридов, липиды до глицерина и жирных кислот, белки до аминокислот, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов.

Бескислородный этап (анаэробный)

Протекает в цитоплазме клетки. Мономеры, образовавшиеся на подготовительном этапе подвергаются дальнейшему многоступенча-тому расщеплению без участия кислорода. Этот этап можно рассмотреть на примере дальнейшем расщеплении глюкозы в животных клетках, образовавшейся при распаде гликогена. Процесс бескислородного расщепления глюкозы называется гликолиз. Гликолиз  происходит в цитоплазме клеток. Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы C₆H₁₂O₆ в две молекулы пировиноградной кислоты — ПВК C₃H₄O₃ и две молекулы АТФ (в виде которой запасается примерно 40 % энергии, выделив-шейся при гликолизе). Остальная энергия (около 60 %) рассеивается в виде тепла. В результате гликолиза одной молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80 кДж запасается в связях АТФ.

Получившаяся пировиноградная кислота при недостатке кислорода в клетках животных, а также клетках многих грибов и микроорга-низмов, превращается в молочную кислоту C₃H₆O₃: C₆H₁₂O₆ + H₃PO₄+ 2АДФ = C₃H₄O₃+2АТФ +2H₂O.  
В мышцах человека при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота, которая затем включается в кислород-ный этап энергетического обмена) и появляется боль. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных. При недостатке кислорода в клетках растений, а также в клетках некоторых грибов (например, дрожжей), вместо гликолиза происхо-дит спиртовое брожение: пировиноградная кислота распадается на этиловый спирт C₂H₅OH и углекислый газ CO₂:  

C₆H₁₂O₆+2H₃PO₄+2АДФ=2C₂H₅OH+2CO₂+2АТФ+2H₂O.

Но сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:

С₃Н₄О₃ → СО₂ + СН₃СОН,

СН₃СОН + НАД·Н₂ → С₂Н₅ОН + НАД⁺.

У животных и некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочно-кислое брожение с образованием молочной кислоты:

С₃Н₄О₃ + НАД·Н₂ → С₃Н₆О₃ + НАД⁺.

Реакции гликолиза относительно неэффективны, потому что конечные продукты содержат в себе большое количество энергии.

Кислородный (аэробный) этап.

Третий этап — кислородный.

В результате гликолиза глюкоза распадается не до конечных продуктов (CO₂ и H₂O), а до богатых энергией соединений (молочная кислота, этиловый спирт) которые, окисляясь дальше, могут дать её в больших количествах. Поэтому у аэробных организмов после гликолиза (или спиртового брожения) следует третий, завершающий этап энергетического обмена — полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание.  Этот этап происходит на кристах митохондрий с участием ферментов и кислорода. Именно здесь происходит дальнейшее окисление молочной (или пировиноградной) кислоты до углекислого газа и воды (CO₂ и H₂O), Пировиноградная кислота транспортируется в митохондрии. Здесь происходит дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) ПВК с образованием двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса. Идет дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием. В результате на каждую разрушенную молекулу ПВК из митохондрии удаляется три молекулы СО₂; образуется пять пар атомов водорода, связанных с пере-носчиками (4НАД·Н₂, ФАД·Н₂), а также одна молекула АТФ.

На первых стадиях кислородного этапа от молочной кислоты постепенно отщепляются протоны и электроны, накапливающиеся по разные стороны внутренней мембраны митохондрий и создающие разность потенциалов. Когда она достигает критического значения, протоны, проходя по специальным каналам мембраны, в которых находятся ферменты, синтезирующие АТФ, отдают свою энергию для присоединения остатка фосфорной кислоты к АМФ или АДФ. Этот процесс сопровождается выделением энергии, достаточной для синтеза 36 молекул АТФ (1140 кДж). Этот этап можно представить в следующем виде: 2C₃H₄O₃+6O₂+36H₃PO₄+36АДФ=6CO₂+42H₂O+36АТФ Третий этап, так же как и гликолиз, является многостадийным и состоит из двух последовательных процессов — цикла Кребса и окисли-тельного фосфорилирования. Биологическая значимость кислородного этапа  заключается в том, что при кислородном дыхании ПВК окисляется до окончательных продуктов — углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде  36 молекул АТФ  (2 молекулы в цикле Кребса и 34 молекулы в ходе окислительного фосфорилирования).

Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием кислорода до воды с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Водород передается трем большим ферментным комплексам (флавопротеины, коферменты Q, цитохромы) дыхательной цепи, расположенным во внутренней мембране митохондрий. У водорода отбираются электроны, которые в матриксе митохондрий в конечном итоге соединяются с кислородом: О₂ + ē → О^2-.

Протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода, с одной стороны она заряжается отрицательно (за счет О^2-), с другой — положительно(за счет Н⁺). Когда разность потенциалов на внутренней мембране достигает 200 мВ, протоны проходят через канал фермента АТФ-синтетазы, образуется АТФ, а цитохромоксидаза катализирует восстановление кислорода до воды. Так в результате окисления двенадцати пар атомов водорода образуется 34 молекулы АТФ. При перфорации (нарушении целостности) внутренних митохондриальных мембран окисление НАД·Н₂ продолжается, но АТФ-синтетаза не работает и образования АТФ в дыхательной цепи не происходит, энергия рассеивается в форме тепла (клетки «бурого жира» млекопитающих).

Таким образом, в ходе второго и третьего этапов энергетического обмена при расщеплении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ, на это расходуется 1520 кДж энергии. 55% энергии, высвобождаемой при расщеплении глюкозы, аккумулируется в виде АТФ, а 45% рассеивается в виде тепла.

Суммарная реакция энергетического обмена:   C₆H₁₂O₆+6O₂=6CO₂+6H₂O+38АТФ.
Для получения энергии в клетках, кроме глюкозы, могут быть использованы и другие вещества: липиды, белки. Однако ведущая роль в энергетическом обмене у большинства организмов принадлежит сахарам.При расщеплении аминокислот, кроме углекислого газа и воды, образуются азотсодержащие вещества: аммиак, мочевина, которые выводятся из организма через выделительную систему.

Пройдите контрольный тест:

 

Ответьте на вопросы:

1.Организм человека получает необходимые для жизнедеятельности строительный материал и энергию в процессе……….

2. Кислород, поступающий в организм человека в процессе дыхания, способствует……

3. Какие вещества в организме человека определяют интенсивность и направление химических процессов, составляющих основу обмена веществ…….

4. Наибольшее количество углеводов человек потребляет, используя в пищу……….

5. Реакции синтеза органических веществ в клетках человека и других организмов, расщепления пищи в пищеварительном канале ускоряются благодаря действию…….

6. Липиды в организме человека образуются из….

7. При окислении жиров в клетках тела образуются……

8. Вещества, содержащие азот, образуются при биологическом окислении……

9. Энергия, необходимая для мышечного сокращения, освобождается при…….

10. Организм человека для своего существования использует, главным образом энергию ……

11. В каком отделе головного мозга находится центр регуляции постоянства внутренней среды организма?

12. Энергия, необходимая для процессов жизнедеятельности человека, освобождается при ……

13. Какие из соединений, входящих в состав клеток организма человека, включают азот?

14. Биокатализаторами химических реакций в организме человека являются ……

15. В организме человека конечными продуктами окисления органических веществ, не содержащих азота, являются …..

16.Наибольшее ко­ли­че­ство энергии осво­бож­да­ет­ся в клет­ках человека при окислении ….

17. В про­цес­се об­ме­на ве­ществ белки окон­ча­тель­но рас­па­да­ют­ся до …….

18. Энергетический обмен по­став­ля­ет для ре­ак­ций пла­сти­че­ско­го обмена …..

19. Пластический обмен обес­пе­чи­ва­ет био­хи­ми­че­ские ре­ак­ции энер­ге­ти­че­ско­го обмена ……

Решите задачи.

1. В процессе гидролиза образовалось 1620 молекул АТФ. Определите, какое количество глюкозы  подверглось  расщеплению  и  сколько  молекул  АТФ  образовалось  в  результате бескислородного и полного  этапов катаболизма. Ответ поясните.  

 2. В  цикл  Кребса вступило 56  молекул пировиноградной    кислоты    (ПВК).  Определите, какое  количество  молекул  глюкозы  подверглось  расщеплению?  Сколько  молекул  АТФ образовалось  при  гликолизе  и    аэробном  этапе?  Каков  суммарный  энергетический эффект?

 3. Сколько молекул АТФ образуется в клетках эукариот при полном окислении фрагмента молекулы крахмала, состоящего из 100 остатков глюкозы?

 4. В процессе гликолиза образовалось 400 молекул пирувата (ПВК или пировиноградная кислота).  Сколько  молекул  глюкозы  подверглось расщеплению  и  сколько  молекул  АТФ образуется в процессе клеточного дыхания?

 5. Человек  при  беге  со  средней  скоростью  расходует  за  1  минуту  24  кДж  энергии. Определите,  сколько  граммов  глюкозы  расходуется  за  25  минут  бега,  если  кислород доставляется кровью к мышцам в достаточном количестве.  

 6.  В  процессе  диссимиляции  произошло  расщепление  4  молей  глюкозы,  из  которых полному  расщеплению  подверглись  только  3  моля.  Определите:  А)  Сколько  молей молочной  кислоты  образовалось?  Б)  Сколько  при  этом  образовалось  АТФ?  В)  Какое количество  энергии  в  них  аккумулировано?  Г)  Сколько  молей  СО₂ образовалось? Д) Сколько молей О₂ израсходовано?  

Питание клетки.

Клетка-это сложнейшая функциональная единица. Она присуща всем живым организмам, кроме вирусов. Наука цитология изучает клеточ-ное питание, рост, развитие, дыхание, размножение. Основными компонентами клетки являются следующие:

• Клеточная стенка: защищает клетку от вредного воздействия извне, придает ей определенную форму, предохраняет ее от разрушения. Регулирует процесс поступления различных веществ в клетку.
• Жгутики: состоят преимущественно из белков, служат для передвижения.
• Мембрана: присутствует не во всех клетках, выполняет метаболические функции, регулирует водный баланс.
• Нуклеоид: место, где расположена молекула ДНК.
• Плазмиды: несут в себе информацию о нескольких генах, помогают обретать клетке полезные для нее свойства.
• Рибосомы: синтезируют белок.
• Споры и эндоспоры: помогают клетке выживать в неблагоприятных условиях.
• Аппарат Гольджи: сохраняет вещества для дальнейшей их переработки. Лизосомы: принимают участие во внутриклеточном пищеварении.
• Ядро: содержит молекулу ДНК, в которой прописана генетическая информация живого организма.
• Вакуоль:  осуществляет хранение питательных веществ.
• Цитоплазма: поддерживает форму и структуру клетки.
• Митохондрии: синтезируют универсальную энергию АТФ.
• Пластиды: это компоненты высших растений, которые синтезируют белки.

Клетка в организме живого существа выполняет следующие функции: хранит и передает наследственную информацию. Синтезирует полез-ные органические вещества. Хранит их и передает органические вещества в разные части организма. Участвует в окислении веществ. Поддерживает запас питательных веществ в организме. Выводит вредные вещества. Расщепляет биополимеры. Участвует в делении. Поддерживает организм в неблагоприятный период за счет включений. Осуществляет запасающие функции. Помогает осуществлять биологические процессы – питание, рост, размножение, дыхание. Живые организмы имеют разные виды клеток, каждому из которых присущ свой набор функций: Стволовые участвуют в многоразовом делении. Костные поддерживают соединительные ткани. Клетки крови транс-портируют кислород по всему телу, борятся с инфекциями. Мышечные обеспечивают телесное движение. Жировые являются главным компонентом тканей. Кожные защищают организм. Нервные передают сигналы. Эндотелиальные составляют кровеносные сосуды. Половые поддерживают репродуктивную систему. Раковые представляют собой аномально развитые клетки.

Для функционирования клетки необходимо питание. Что подразумевается под клеточным питанием? Клетки получают энергию и преобра-зуют ее из одного вида в другой. Это их основная задача. Для этого требуется постоянный приток энергии извне. Питание клетка получает из межклеточной среды в уже готовом виде. Также она может самостоятельно синтезировать определенные вещества. Когда питательные вещества поступают в клетку, они расщепляются под действием определенных компонентов. Этот процесс называется обменом веществ. Изначально питательные вещества распадаются на глюкозу, кислоты, жирные кислоты, аминокислоты и т. д. Далее идет более усиленное расщепление. Таким образом осуществляется клеточное питание.

Любая живая клетка питается, т. е. захватывает из внешней среды съедобные для себя вещества (в виде отдельных молекул или больших групп молекул — пищевых частиц, иногда даже целых клеток меньшего размера), и так или иначе использует их. Как клетка использует захваченные из внешней среды питательные вещества? Есть всего два принципиально различных варианта.

1. Молекулы питательных веществ можно использовать для построения других молекул, выполняющих в жизни клетки какие-нибудь более или менее важные функции, например, различных молекул, входящих в состав клеточной мембраны. Этот вариант использования клеткой питательных веществ называется ассимиляцией.

2. Другой вариант — сжечь питательные вещества, поступающие в клетку. Если поджечь, например, кусочек сахара или древесины, то он будет гореть, выделяя энергию в виде света и тепла. Клетка умеет производить похожий процесс (он называется дыханием) с отдельными молекулами пищи. Энергия, которая при этом выделяется, используется клеткой, например, для передвижения или для захвата новых пищевых частиц. Такой вариант использования веществ называется диссимиляцией.  Фагоцитоз («фагос» — «пожиратель», «цитос» — «клетка») — питание клетки сравнительно большими пищевыми частицами (в том числе другими клетками). Проплывающая мимо клетки пищевая частица касается мембраны и прилипает к ней. Мембрана под ней прогибается, охватывая частицу со всех сторон. В результате образуется мембранный пузырек с частицей внутри — пищеварительная вакуоль. Она отрывается от мембраны и уплывает вглубь цитоплазмы. Там она сливается с другим пузырьком (первичной лизосомой — от слов «лизис» — «растворение, расщепление» и «сома» — «тело»), отделившимся от комплекса Гольджи. Пузырек — результат этого слияния — называют вторичной лизосомой. После этого пищевая частица начинает растворяться. Минут через 20 внутри вторичной лизосомы виднеются только несколько маленьких бесформенных кусочков, почему-то «не захотевших» растворяться. Затем вторичная лизосома подплывает к мембране клетки и сливается с ней, выбрасывая из клетки наружу эти «кусочки».

Другой вариант, гораздо более приемлемый для многоклеточных животных – вторичная лизосома выбрасывает непереваренные остатки в специальную вакуоль накопления на «вечное хранение».

Пиноцитоз – это универсальный способ питания (и для животных, и для растительных клеток), при котором в клетку попадают питательные вещества в растворённом виде.

Фотосинтез – это процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии света. Фотосинтез в растительных клетках идет в хлоропластах. Суммарная формула фотосинтеза:

6СО₂ + 6Н₂О + СВЕТ = С₆Н₂О₆ + 6О₂

Хемосинтез – синтез органических соединений за счет энергии реакций окисления неорганических соединений. Хемосинтез свойственен для железобактерий и серобактерий. Первые из них использу-ют энергию, освобождающуюся при окислении двухвалентного железа в трехвалентное; вторые окисляют сероводород до серной кислоты.

Все организмы, обитающие на земле, являются открытыми системами, так как между ними и окружающей средой постоянно идёт обмен энергией и веществом.

Часть веществ, которая поступает в клетку используется для получения энергии и запасания энергии, а ещё одна часть для построения и воспроизведения клеточных структур.

Процессы поступления, переваривания, всасывания и усвоения питательных веществ, называют-ся питанием.

В процессе питания организмы получают химические вещества, которые используются для всех процессов жизнедеятельности.

По способу получения органических веществ все организмы делятся на автотрофов и гетеротрофов.

Автотрофы могут сами синтезировать необходимые им органические вещества, получая из окружающей среды углерод (в виде углекислого газа), воду и минеральные вещества.

К автотрофам можно отнести большую часть высших растений (за исключением растений, которые не имеют хлорофилла или растений, которые могут поддерживать свою жизнь за счёт других организмов), а также водоросли и бактерии.

Роль в природе автотрофов очень велика: только они могут оказаться первичными продуцентами (организмы, которые синтезируют органические вещества из неорганических), которые потом используются всеми живыми организмами — гетеротрофами для поддержания жизни (питания).

Все автотрофы делятся на: фотосинтезирующие автотрофы  и хемосинтезирующие автотрофы. У фотосинтезирующих автотрофов источником энергии служит солнечный свет. Такие организмы называют фототрофами, или фотосинтетиками.

Ежегодно с помощью фотосинтезирующих автотрофов в процессе фотосинтеза создаётся 232 млрд. тонн органического вещества, а также выделяется примерно 268 млрд. тонн чистого кислорода в окружающую природу.

Хемосинтезирующие автотрофы получают энергию при окислении неорганических соединений.

Такие организмы называют хемотрофами или хемосинтетиками. К хемотрофам относятся: серо-бактерии, окисляющие сероводород; нитрифицирующие бактерии, превращающие аммиак в нитриты, а затем в нитраты; железобактерии, окисляющие железо и водородные бактерии, окис-ляющие водород.

Xемотрофы играют существенную роль в биогеохимических циклах химических элементов на нашей планете.

Таким образом автотрофы имеют основополагающее значение для пищевой цепочки всего мира. Они берут солнечную энергию и трансформируют её в энергию химических связей органических веществ. Образовавшиеся при этом органические вещества используются далее по пищевой цепочке другими организмами.

Гетеротрофы в отличии от автотрофов не могут сами синтезировать весь набор необходимых им для жизнедеятельности органических веществ.

Поэтому они поглощают из окружающей среды нужные им соединения, произведённые другими организмами. Затем они строят из полученных органических веществ собственные белки, липиды и углеводы. К гетеротрофам относят животных (например, рыб, моллюсков, ракообразных, насекомых, птиц, млекопитающих). Так же грибы, которые являются гетеротрофами, так как они не способны к фотосинтезу и питаются готовыми органическими веществами. К гетеротрофам относят и многие бактерии. Некоторые растения так же можно отнести к гетеротрофам. Это растения, которые полностью или почти полностью лишены хлорофилла и питаются, прорастая в тело растения-хозяина.

У раффлезии например – паразитического растения отсутствуют органы, в которых бы шёл процесс фотосинтеза; более того, у представителей этого рода отсутствуют и стебли, и листья.

Некоторые растения перешли частично к паразитическому образу жизни и, помимо фотосинтеза, они могут получать органические вещества, а также минеральные вещества и воду из организма хозяина.

Стебель нитевидный зеленовато-жёлтый. Повилика обвивается вокруг растения-хозяина, внедряет в его ткань «присоски» (гаустории) и питается его соками.

Недавние исследования показали, что повилика способна улавливать запах растений и таким образом находить жертву.

Петров крест так же не имеет хлорофилла. Первые годы он развивается под землёй. После развития корневища появляются соцветия.

Корневище петрова креста растёт в разные стороны, разветвляется и образует так называемые крестовидные соединения — отсюда и его русское название. Паразитирует на корнях деревьев и кустарников.

Эвглена зелёная и хламидоманада, например, относятся к автогетеротрофным организмам.

Граница между автотрофами и гетеротрофами достаточно условна, так как существует множество видов, обладающих переходной формой питания — миксотрофией.

Они способны питаться двумя способами: на свету − автотрофно, как растения, а в темноте − гетеротрофно. Это значит, что на свету они осуществляют процесс фотосинтеза и создают органические вещества. А в темноте они усваивают готовые органические вещества, которые образуются в водоёме при расщеплении отмерших частей живых организмов.

Необычный способ питания отмечается у небольших морских слизней. Эти животные способны подобно растениям, осуществлять процесс фотосинтеза.

Своих хлоропластов у них нет, поэтому для осуществления фотосинтеза они используют хлоропласты морских водорослей, которые употребляют в пищу.

Издавна люди думали, что растения получают питательные вещества только из почвы. Более 300 лет назад голландский учёный Ван Гельмонт, решил проверить так ли это? 

Он взвесил молодое дерево ивы и посадил его в почву, которая тоже была взвешена. Растение он поливал только дождевой водой, Прошло 5 лет. Дерево выросло. Ван Гельмонт снова взвесил и дерево, и почву. Прирост дерева составил 63 кг. А почва потеряла только 56 граммов. Значит, решил Ван Гельмон растения питаются не только веществами почвы, но и водой.

Спустя 100 лет Михаил Ломоносов, не раз видевший деревья, растущие на бесплодном песке, высказал другую мысль. Растения поглощают питательные вещества из воздуха.

Теперь мы знаем, что оба учёных были правы. Растения питаются и водой с растворенными в ней минеральными веществами и углекислым газом из воздуха.

Что же происходит при этом в зелёном листе? Весь лист пронизан жилками. По ним вода притекает к клеткам. В листе находится множество пор, известных под названием устьиц. Через устьица вместе с воздухом в листья поступает углекислый газ.

Зелёную окраску листу придаёт удивительное вещество зелёный пигмент – хлорофилл, который находится в хлоропластах.

По своей структуре хлорофилл похож на молекулы гемоглобина крови-основного дыхательного элемента, который связывается с кислородом, обеспечивая его перенос в ткани. Поэтому хлорофилл также называют «кровью растений».

Единственное отличие между этими молекулами в том, что в центре хлорофилла находится атом магния, а в гемоглобине − атом железа. При участии хлорофилла осуществляется процесс фотосинтеза. Хлорофилл имеет зелёный цвет, а потому ясно, что именно зелёный цвет он не поглощает, а отражает. Хлорофилл обладает способностью улавливать энергию света. Оказывается, что он поглощает лучи синего и красного цвета.

Красный свет с длиной волны от 620 до 740 нанометров, в основном контролирует развитие растения, его цветение и производство семян, это особенно важно для цветущих растений.

Синий свет с длиной волны от 400 до 500 нм главным образом контролирует развитие листьев растения. 

Зелёный свет практически не используется в фотосинтезе, он отражается листьями растений.

Энергия света, поглощённая хлорофиллом, идёт на образование крахмала из углекислого газа и воды. Зелёные растения поглощают углекислый газ и воду. Из которых под действием света образуется крахмал, при этом выделяется кислород. Таким образом под действи-ем энергии солнечного света растения создают органические вещества, при этом поглощается углекислый газ и выделяется кислород.

Пластический обмен (анаболизм, ассимиляция).

Пластический обмен — это совокупность реакций биологического синтеза, при котором из поступивших в клетку веществ образуются вещества, специфические для данной клетки, т.е. происходит ассимиляция. К пластическому обмену относятся: биосинтез белка. фотосинтез, синтез нуклеиновых кислот, жиров и углеводов.

Фотосинтез.

Это синтез органических соединений из неорганических за счёт энергии света. Суммарное уравнение фотосинтеза: 6СО₂ + 6Н₂О + СВЕТ = С₆Н₂О₆ + 6О₂

Фотосинтез протекает при участии фотосинтезирующих пигментов, обладающих уникальным свойством преобразования энергии сол-нечного света в энергию химической связи в виде АТФ. Фотосинтезирующие пигменты представляют собой белковоподобные вещества. Наиболее важным является пигмент хлорофилл. У эукариот фотосинтезирующие пигменты встроены во внутреннюю мембрану пластид, у прокариот — во впячивания цитоплазматической мембраны.
Строение хлоропласта очень похоже на строение митохондрии. Во внутренней мембране тилакоидов гран содержатся фотосинтети-ческие пигменты, а также белки цепи переноса электронов и молекулы фермента АТФ-синтетазы.

Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой.

1. Световая фаза фотосинтеза протекает только на свету в мембране тилакоидов граны. К ней относятся поглощение хлорофиллом квантов света, образование молекулы АТФ и фотолиз воды.
Под действием кванта света (hv) хлорофилл теряет электроны, переходя в возбуждённое состояние:

Эти электроны передаются переносчиками на наружную, то есть обращенную к матриксу поверхность мембраны тилакоидов, где накапливаются.

Одновременно внутри тилакоидов происходит фотолиз воды, то есть её разложение под действием света: Н₂О = Н⁺+ОН^—

Образующиеся электроны передаются переносчиками к молекулам хлорофилла и восстанавливают их. Молекулы хлорофилла возвра-щаются в стабильное состояние. Электроны гидроксид-ионов восполняют электронный дефицит, что способствует превращению их в гидроксид-радикалы, которые являются чрезвычайно неустойчивыми химическими частицами и, поэтому, только образовавшись гидроксид-радикалы самопроизвольно превращаются в воду.

                                                 ОН^— — ē = ОН^∙                     4ОН^∙ =2Н₂О + О₂

Протоны водорода, образовавшиеся при фотолизе воды, накапливаются внутри тилакоида, создавая Н⁺— резервуар. В результате внутренняя поверхность мембраны тилакоида заряжается положительно (за счёт Н⁺), а наружная — отрицательно (за счёт ē). По мере накопления по обе стороны мембраны противоположно заряженных частиц нарастает разность потенциалов. При достижении критической величины разности потенциалов сила электрического поля начинает проталкивать протоны через канал АТФ-синтетазы. Выделяющаяся при этом энергия используется для фосфорилирования молекул АДФ:

                                                 АДФ + Ф → АТФ.

Образование АТФ в процессе фотосинтеза под действием энергии света называется фотофосфорилированием. Ионы водорода, оказав-шись на наружной поверхности мембраны тилакоида, встречаются там с электронами и образуют атомарный водород, который связы-вается с молекулой-переносчиком водорода НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат):

                                              2Н⁺ + 4ē + НАДФ⁺ → НАДФ·Н₂.

Таким образом, во время световой фазы фотосинтеза происходят три процесса:

• образование кислорода вследствие разложения воды,
• синтез АТФ
• образование атомов водорода в форме НАДФ·Н₂.

Кислород диффундирует в атмосферу, а АТФ и НАДФ·Н₂ участвуют в процессах темновой фазы.

Темновая фаза фотосинтеза протекает в матриксе хлоропласта как на свету, так и в темноте и представляет собой ряд последовательных преобразований СО₂, поступающего из воздуха, в цикле Кальвина. Осуществляются реакции темновой фазы за счёт энергии АТФ. В цикле Кальвина СО₂связывается с водородом из НАДФ·Н₂ с образованием глюкозы.

В процессе фотосинтеза кроме моносахаридов (глюкоза и др.) синтезируются мономеры других органических соединений — аминокис-лоты, глицерин и жирные кислоты. Таким образом, благодаря фотосинтезу растения обеспечивают себя и всё живое на Земле необходи-мыми органическими веществами и кислородом.

Сравнительная характеристика фотосинтеза и дыхания эукариот представлена в таблице.

Выполните самостоятельно.

Задание1. За сутки 1 человек при дыхании потребляет 30 литров кислорода. Одно 25-и летнее дере-во(тополь в процессе фотосинтеза за 5 весенне-летних месяцев поглощает около 42 кг. углекислого газа. Сколько человек обеспечит кислородом одно такое дерево? Уравнение фотосинтеза: 12Н₂O+ 6CO₂→ C₆H₁₂O₆+ 6O₂+ 6H₂O

 Задание2. Впишите нужные слова.

Процесс синтеза __________________ веществ за счёт энергии ______________ называется фотосинтез. Процесс фотосинтеза проходит в 2 стадии: ________________ и ______________. Фотолиз – это процесс _________________ молекул воды под действием энергии солнца. В темновую фазу расходуется энергия, заключённая в молекулах _____________. Организмы, способные создавать органические вещества из неорганических, называются ________________. Организмы, получающие энергию за счёт солнечного света, называются _________________. К таким организмам относятся цианобактерии и _________________. Грибы, Животные, бактерии относятся к ___________________.

Задание3. В списке организмов подчеркните одной чертой автотрофные организмы, двумя чертами миксотрофные организмы:  картофель, зеленушка, ряска, уклейка, подберёзовик, эвглена зелёная, полынь, сойка, кенгуру, зверобой.

Выберите три правильных ответа из шести. Задание 4. Какие процессы происходят в клетках бактерий хемосинтетиков и растений – фотосинтетиков. Ответ запишите в виде последовательности цифр. 1) Образование полимеров из мономеров. 2) Синтез органических веществ из неорганических. 3) Выделение свободного кислорода. 4) Накопление электронов на мембранах тилакоидов. 5) Фотолиз молекул воды. 6) Фосфорилирование АТФ.

Задание 5. Выберите процессы, происходящие в темновой фазе фотосинтеза. 1) В цикле Кальвина происходит связывание СО₂ с водородом из НАДФ· Н₂ с образованием глюкозы. 2) Проходит в матриксе (строме) хлоропласта. 3) Расходуется энергия АТФ. 4) Проходит в мембране тилакоидов. 5) Поглощается квант света. 6) Образуется энергия АТФ.

Задание 6. Установите соответствие между процессами и фазами фотосинтеза.

Ответ запишите в виде последовательности цифр.

ПРОЦЕСС                                                                   ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА А) фотолиз воды                                  1) световая   Б) синтез углеводов                                                2) темновая          В) возбуждение хлорофилла Г) образование АТФ Д) гидролиз АТФ Е) фиксация углекислого газа.

Хемосинтез.

Процесс хемосинтеза представляет собой уникальное явление. Это необычный тип питания бактерий, основанный на усвоении углекис-лого газа СО₂ благодаря окислению неорганических соединений. По мнению ученых, хемосинтез это древнейший тип автотрофного пи-тания (такого питания, когда организм сам синтезирует органические вещества из неорганических), который мог появиться даже раньше фотосинтеза.

Как биологическое явление хемосинтез бактерий был открыт русским биологом С. Н. Виноградским в 1888 году. Ученый доказал способность некоторых бактерий выделять углеводы используя хими-ческую энергию. Им же был выделен ряд особых хемосинтизирующих бактерий, среди которых наиболее заметными являются серобактерии, железобактерии и нитрифицирующие бактерии.

Хемосинтез и фотосинтез: сходства и различия

Сходство:

Как хемосинтез, так и фотосинтез являются типами автотрофного питания, когда организм выделяет органические вещества из неорга-нических. Энергия такой реакции запасается в аденозинтрифосфорной кислоте (сокращено АТФ) и впоследствии используется для син-теза органических веществ.

Отличие фотосинтеза от хемосинтеза:

В этих процессах разный источник энергии, и как следствие разные окислительно-восстановительных реакции. При хемосинтезе пер-вичным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции по окислению определенных веществ. Хемосинтез характерен исключительно для бактерий и археев. При хемосинтезе клетки бактерий не содержат хлорофилла, при фотосинтезе наоборот – содержат. Источником углерода для синтеза органики при хемосинтезе может быть не только лишь угле-кислый газ, но и окись углерода (СО), муравьиная кислота, уксусная кислота, метанол и карбонаты.

Энергия хемосинтеза.

Свою энергию бактерии хемосинтетики получают благодаря окислению водорода, марганца, железа, серы, аммиака и т. д. В зависимости от окисляемого субстрата упомянутые нами выше бактерии и получили свои названия: железобактерии, серобактерии, метанобразующие археи, нитрифицирующие бактерии, ну и так далее.

Значение хемосинтеза в природе

Хемотрофы – организмы, получающие жизненную энергию благодаря хемосинтезу, играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, в частности они поддерживают плодородность почв. Также благодаря деятельности бактерий-хемосинтетиков в природных условиях накапливаются большие запасы руды и селитры.

Реакции хемосинтеза

Железобактерии

К ним относятся нитчатые и железоокисляющие лептотриксы, сферотиллюсы, галлионеллы, метал-логениумы. Обитают они в пресных и морских водоемах. Благодаря реакции хемосинтеза образуют отложения железных руд путем окисления двухвалентного железа в трехвалентное: 4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O → Fe(OH)₃ + 4CO₂ + E (энергия)

Помимо энергии в этой реакции образуется углекислый газ. Также помимо бактерий окисляющих железо, есть бактерии окисляющие марганец.

Серобактерии

Иное их название – тиобактерии, представляют собой весьма большую группу микроорганизмов. Как это следует из их названия, эти бактерии получают энергию путем окисления соединений с восстановленной серой: 2S + 3O₂ + 2H₂O → 2H₂SO₄ + E

Полученная в результате реакции сера может, как накапливаться в самих бактериях, так и выделятся в окружающую среду в виде хлопьев.

Нитрифицирующие бактерии

Эти бактерии, обитающие в земле и воде, свою энергию получают за счет аммиака и азотистой кислоты, именно они играют очень важную роль в кругообороте азота: 2NH₃ + 3O₂ → HNO₂ + 2H₂O + E

Азотистая кислота, полученная при такой реакции, образует в земле соли и нитраты, способствующие ее плодородию.

Экологическая роль хемосинтеза.

Благодаря хемосинтезу бактерии активно участвуют в экологических процессах: Нитрифицирующие бактерии участвуют в круговороте азота в биосфере; Серобактерии, образуя серную кислоту способствуют постепенному разрушению и выветриванию горных пород, разрушению каменных и металлических сооружений; выщелачивают руды и серные месторождения; Водородные бактерии участвуют в окислении водорода, накапливающегося в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов, в природных условиях

Значение хемосинтеза в жизнедеятельности человека:

• Нитрифицирующие бактерии участвуют в почвообразовательном процессе, их жизнедеятельность способствует повышению урожайности с/х культур;
• Серобактерии, окисляющие серу до сульфатов, участвуют в очищении промышленных сточных вод;
• скопления  выделяющегося в результате деятельности железобактерий Fe(OН)_3,образуют болотную железную руду;
• водородные бактерии используются для получения пищевого и кормового белка;
• также для регенерации атмосферы в замкнутых системах жизнеобеспечения (например система «Оазис-2», которая была испытана на космическом корабле «Союз-3»).

Пройдите контрольный тест:

Выполните самостоятельно.

Заполните кроссворд «Хемосинтез»

Серобактерии окисляют (1) и (4); При гниении белков образуется (2); Хемосинтез открыл русский микробиолог (3); Этот элемент накапли-вается в клетках серобактерий (4); В процессе хемосинтеза происходят реакции (5) неорганических соединений; Хемосинтезирующие бактерии обладают активными (6); Энергия реакций окисления запасается в клетках в форме (7); Восстановителем в реакции окисления карбоната железа являются ионы (8); Нитрифицирующие бактерии играют важную роль круговорота (9) в природе.

ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА ПЕРЕЙДИТЕ ПО ДАННОЙ ССЫЛКЕ: https://learningapps.org/watch?v=pt4qqq3kj22 И ВЫПОЛНИТЕ ЗАДАНИЯ.

Наследственная информация и реализация её в клетке. Транскрипция (от лат. transcriptio) — переписывание.

Все процессы метаболизма в клетке и в целом организме протекают под контролем наследственного аппарата. Рассмотрим один из важнейших процессов проявления наследственной информации в ходе пластического обмена — биосинтез белка. Он осуществляется во всех клетках про- и эукариотических организмов, это одно из свойств живого организма. Многообразие белков и их свойств определяется первичной структурой белков. т.е. последовательностью аминокислот. Информация о первичной структуре белковой молекулы закоди-рована последовательностью нуклеотидов в участке молекулы ДНК — гене. ДНК находится в ядре, а рибосомы, органоиды, на которых происходит сборка белка, располагаются в цитоплазме. Информация о последовательности аминокислот и его первичной структуре должна быть доставлена к рибосоме. Для этого существует посредник — и-РНК. (информационная). Этот процесс включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.

Процесс транскрипции требует больших затрат энергии в виде АТФ и осуществляется ферментами, катализирующими процесс транск-рипции: ДНК-зависимые РНК-полимеразы. У прокариот обнаружен лишь один тип этого фермента, который синтезирует все три типа РНК (мРНК, тРНК, рРНК). Эукариоты имеют три разные ДНК-зависимые РНК-полимеразы, каждая из которых ответственна за транскрип-цию генов, кодирующих разные типы клеточных РНК. Переписывание информации происходит путём синтеза на одной из цепей моле-кулы ДНК одноцепочечной молекулы РНК, Последовательность нуклеотидов и-РНК комплементарна (соответствует) последовательности нуклеотидов матрицы — полинуклеотидной цепи ДНК.

Одновременно транскрибируется не вся молекула ДНК, а лишь отдельные её отрезки. Такой отрезок (транскриптон) начинается про-мотором — участком ДНК, куда присоединяется РНК-полимераза и откуда начинается транскрипция, а заканчивается терминатором — участком ДНК, содержащим сигнал окончания транскрипции.

В транскрипции выделяют 3 стадии: инициация, элонгация, терминация.

Инициация транскрипции позволяет начаться синтезу молекулы РНК. Инициация включает присоединение к промотору комплекса фер-ментов. Главным из них является РНК-полимераза (в данном случае ДНК-зависимая), которая, в свою очередь, состоит из нескольких белков-субъединиц и играет роль катализатора процесса. У эукариот на инициацию транскрипции влияют особые участки ДНК: энхан-серы (усиливают) и сайленсеры (подавляют), которые обычно удалены на некоторое расстояние от самого гена. Существуют различные белковые факторы, влияющие на возможность инициации транскрипции. РНК-полимераза способна распознавать определенные пос-ледовательности нуклеотидов и прикрепляется к ним. Эти последовательности короткие и универсальные для всего живого.

После того, как РНК-полимераза присоединяется к промотору, участок двойной спирали ДНК раскручивается и между цепочками этого участка разрываются нуклеотидные связи. Расплетается примерно 18 пар нуклеотидов.

На стадии элонгации происходит последовательное присоединение по принципу комплиментарности свободных нуклеотидов к осво-божденному участку ДНК. РНК-полимераза соединяет нуклеотиды в полирибонуклеотидную цепочку.

При синтезе РНК около 12 ее нуклеотидов комплементарно временно связаны с нуклеотидами ДНК. При движении РНК-полимеразы впереди нее цепочки ДНК расходятся, а сзади «сшиваются» с помощью ферментов. Цепь РНК постепенно растет и выдвигается из комплекса РНК-полимеразы.

Терминация процесса транскрипции происходит в участке-терминаторе, который распознается РНК-полимеразой благодаря специаль-ным белковым факторам терминации.

К 3′-концу синтезированной молекулы РНК присоединяется 150-200 адениновых нуклеотидов (поли-А), которые формируют «шлейф» необходимый для предотвращения ферментативного распада РНК. Еще ранее, когда был синтезирован 5′-конец, на нем был образован так называемый кэп (шапочка) — структура, представляющая собой метилированный остаток гуанозинтрифосфата, который защищает РНК от гидролиза.

В большинстве случаев в результате транскрипции не получается готовая РНК. «Сырая» РНК должна еще пройти процесс процессинга, при котором происходят ее модификационные изменения и она становится функционально активной. Каждый тип РНК эукариот подвер-гается своим модификациям. Созревание РНК у эукариот осуществляется сложно. Во-первых, у эукариот существует ядро, которое отде-лено от цитоплазмы ядерной мембраной. В ядре осуществляется образование первичных транскриптов, которые имеют большую длину, чем цитоплазматическая мРНК, участвующая в трансляции. Следовательно, образованию зрелой мРНК у эукариот предшествует удале-ние  интронов из последовательности гяРНК- транскрипта (этот процесс называется сплайсингом  от англ. to splice —сплетать, сращи-вать). После удаления последовательностей, соответствующих интронам, происходит соединение участков, которые транскрибированы с экзонов. Для точного узнавания в составе интронов есть специфические последовательности — сигналы. В результате сплайсинга молекулярная масса мРНК уменьшается в 10 раз. Транскрипция и процессинг происходят в клеточном ядре. Зрелая иРНК приобретает определенную пространственную конформацию, окружается белками и в таком виде через ядерные поры транспортируется к рибосо-мам; иРНК эукариот, как правило, моноцистронны (кодируют только одну полипептидную цепь).

Трансляция (от лат. translatio) -передача.

Перевод последовательности нуклеотидов в молекуле и-РНК в последовательность аминокислот в полипептидной цепи — молекуле белка.

Трансляция — синтез полипептидной цепи с использованием мРНК в роли матрицы.

В трансляции участвуют три типа РНК: мРНК является информационной матрицей; тРНК доставляют аминокислоты и узнают кодоны; рРНК вместе с белками образуют рибосомы, которые удерживают мРНК, тРНК и белок и осуществляют синтез полипептидной цепи.

У прокариот рибосомы связываются с вновь синтезированной молекулой и-РНК сразу же после её отделения от ДНК. У эукариот и-РНК должна выйти из ядра в цитоплазму. Этот перенос и-РНК осуществляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой РНК. Эти же белки защищают и-РНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов.

 Характеристика процесса трансляции. Фаза инициации.

Синтез белка происходит в рибосомах. Рибосома-это немембранный органоид клетки, который состоит из двух субъединиц: большой и малой. В функционирующей рибосоме имеется функциональный центр, который состоит из двух центров Аминоацильного (А— Центр узнавания аминокислоты) и Пептидильного (Р—Центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочке). Строение рибосомы изучил коллектив, которым руководил российский учёный Александр Спирин. Сначала методом центрифугирования рибосома была выделена из клетки и рассмотрена под электронным микроскопом. С помощью биохимических манипуляций рибосому развернули, получили ленту. К ленте стали добавлять различные химические вещества, так выяснили, что в её состав входит рибосомная РНК и белок, которые череду-ются в шахматном порядке. В цитоплазме на тот конец и-РНК с которого начинался синтез молекулы в ядре (3ʹ- конца) вступает малая субчастица рибосомы и начинает двигаться до старт-кодона (АУГ ). Далее к старт-кодону подходит т-РНК с комплементарным кодоном (соответствующим аминокислоте метионин), только после этого к малой субъединице рибосомы присоединяется большая субъединица и формируется функциональная рибосома. Первая т-РНК переносит аминокислоту метионин, которая оказывается в пептидильном участке рибосомы. Эта аминокислота будет присоединять к себе растущую цепь белка. Эта фаза трансляции называется инициация.

Параллельно с фазой инициации в цитоплазме происходит активизация аминокислот. Она происходит с помощью специальных фермен-тов аминоацил-т-РНК-синтетаз в присутствии АТФ. Аминокислоты присоединяются к акцепторному концу т-РНК в соответствии с триплетом антикодона,

Фаза элонгации. Далее начинается фаза элонгации, во время которой происходит непосредственный синтез полипептида. Синтез поли-пептидной цепочки происходит в большой субчастице рибосомы. В аминоацильный центр рибосомы поступают т-РНК с аминокислотами и если антикодон т-РНК комплементарен триплету и-РНК, то она временно присоединяется к нему. Вновь поступившая аминокислота ока-зывается рядом с аминокислотой метионин и между карбоксильной группой метионина и аминогруппой другой Ак образуется пептидная связь, результатом чего является образование дипептида. т-РНК, которая принесла аминокислоту метионин, покидает рибосому, а т-РНК с другой аминокислотой перемещается в пептидильный центр, рибосома передвигается относительно и-РНК, и в рибосому поступает новая т-РНК со своей аминокислотой и в случае её комплементарности триплету в аминоацильном центре между этой аминокислотой и второй Ак вновь образуется пептидная связь, а пептид увеличится ещё на одну аминокислоту. Дальнейшее удлинение пептидной цепочки проис-ходит путём повторения предыдущих действий.

Таким образом, в стадии элонгации происходит последовательное наращивание полипептидной цепи по одной аминокислоте в соответст-вии с порядком кодонов в молекуле и-РНК.

Фаза терминации. Удлинение полипептидной цепи продолжается до тех пор, пока на пути рибосом не окажется один из терминирующих (бессмысленных) триплетов и-РНК (УАА, УАГ, УГА). Этим триплетам не соответствует ни одна аминокислота. В области этих триплетов под действием ферментов происходит гидролитическое расщепление связи между пептидом и последней т-РНК. В результате освобождается готовый белок.

Выполните самостоятельно.

Задание 1. Ответьте на вопросы теста.

1.  Материальным носителем наследственной информации является: А) иРНК Б) тРНК В) ДНК Г) хромосомы

2.  В основе индивидуальности организмов лежит:           А) строение белков организма           Б) строение клеток           В) функции клеток            Г) строение аминокислот

3. ДНК клетки несет информацию о строении:           А) белков, жиров, углеводов           Б) белков и жиров          В) аминокислот         Г) белков

4. В одном гене закодирована информация:      А) о структуре нескольких белков         Б) о структуре одной из цепей ДНК          В) о первичной структуре одной молекулы белка           Г) о структуре аминокислоты

5. Какой из нуклеотидов не входит в состав ДНК: А) тимин          Б) урацил         В) гуанин         Г) аденин

6. Какой из фактов подтверждает, что ДНК является генетическим материалом клетки:       А) количество ДНК в клетках одного организма постоянно       Б) ДНК состоит из нуклеотидов            В) ДНК локализована в ядре клетки      Г) ДНК представляет собой двойную спираль

7. В какой клетке человека нет ДНК:      А) зрелый лейкоцит      Б) зрелый эритроцит          В) лимфоцит           Г) нейрон

8. Транскрипцией называется:           А) процесс образования иРНК           Б) процесс удвоения ДНК    В) процесс образования белковой молекулы           Г) процесс соединения иРНК с аминокислотами

9. Синтез иРНК начинается с:          А) разъединения молекулы ДНК на две нити           Б) удвоения каждой нити В) взаимодействия РНК-полимеразы с геном           Г) расщепления гена на нуклеотиды

10. Где синтезируется иРНК: А) в рибосомах           Б) в цитоплазме           В) в ядрышке     Г) в ядре

11. Какую информацию содержит один триплет ДНК:       А) о последовательности аминокислот в белке          Б) об одном признаке организма       В) об одной аминокислоте       Г) о начале синтеза иРНК

12. Генетический код вырожден, потому что:            А) одна аминокислота шифруется одним кодоном           Б) несколько аминокислот шифруются одним кодоном   В) между кодонами есть «знаки препинания»           Г) одна аминокислота шифруется несколькими кодонами

13. Сколько комбинаций составляется из нуклеотидов:       А) 61           Б) 64           В) 20

14. Трансляция – это:        А) синтез полипептидной цепи на рибосомах        Б) синтез тРНК        В) синтез иРНК по матрице ДНК                             Г) синтез рРНК

15. Антикодоны тРНК комплементарны: А) кодонам рРНК        Б) кодонам ДНК       В) кодонам иРНК         Г) всем указанным кодонам

16. Количество тРНК равно:       А) количеству всех кодонов ДНК       Б) количеству кодонов иРНК, шифрующих аминокислоты       В) количеству генов тРНК       Г) количеству белков в клетке

17. Второй этап биосинтеза заключается в:     А) узнавании и присоединении аминокислоты к тРНК       Б) снятии и «списывании» информации с ДНК       В) отрыве аминокислоты от тРНК на рибосоме       Г) создание иРНК

18. Синтез белка завершается в момент:       А) появления на рибосоме «знака препинания»      Б) истощения запасов ферментов В) узнавания кодона антикодоном       Г) присоединения аминокислоты к тРНК

19. На полисоме синтезируется:       А) одна молекула белка       Б) несколько молекул различных белков      В) несколько молекул одинаковых белков       Г) возможны все варианты

20. Известно, что клетки многоклеточного организма имеют одинаковую генетическую информацию, но содержат разные белки. Какая из гипотез наиболее верна? А) разнообразие белков не зависит от особенностей клетки      Б) в каждом типе клеток реализуется только часть генетической информации В) присутствие белков в клетке зависит не от генетической информации

21. Постройте последовательность реакций биосинтеза белка, выписав буквы в необходимом порядке:       А) «списывание» информации с ДНК       Б) узнавание  антикодоном тРНК своего кодона на иРНК       В) отщепление аминокислоты от тРНК       Г) поступление иРНК на рибосомы      Д) присоединение аминокислоты к белковой цепи с помощью фермента

22. Однозначность генетического кода проявляется в том, что каждый триплет кодирует: А) несколько аминокислот               Б) не более двух аминокислот     В) три аминокислоты                    Г) одну аминокислоту

23. Транспортная РНК – это: А) аминокислота                    Б) глюкоза       В) липид                       Г) нуклеиновая кислота

24. Какой триплет тРНК комплементарен кодону ГЦУ на иРНК: А) ЦГТ         Б) АГЦ             В) ГЦТ               Г) ЦГА

25. Сколько нуклеотидов в гене, кодирующем последовательность 60 аминокислот в молекуле белка:       А) 60                         Б) 120                     В) 180                              Г) 240

Задание 2. Выберите три правильных ответа.

1. Каковы особенности реакций биосинтеза белка в клетке?       А) реакции носят матричный характер: белок синтезируется на иРНК Б) реакции происходят с освобождением энергии В) на химические реакции расходуется энергия АТФ  Г) реакции сопровождаются синтезом АТФ Д) ускорение реакций осуществляется ферментами Е) синтез белка происходит на внутренней мембране митохондрий

2. В чем проявляется взаимосвязь биосинтеза белка и окисления органических веществ?      А) в процессе окисления освобождается энергия, которая расходуется в ходе биосинтеза белка       Б) в процессе биосинтеза образуются орган. вещества, которые используются в ходе окисления      В) в процессе фотосинтеза используется энергия солнечного света      Г) через плазматическую мембрану в клетку поступает вода      Д) в процессе биосинтеза образуются ферменты, которые ускоряют реакции окисления      Е) реакции биосинтеза белка происходят в рибосомах с выделением энергии

3. Какие из указанных процессов относятся к биосинтезу белка?       А) Рибосома нанизывается на иРНК Б) в полостях и канальцах ЭПС накапливаются органические вещества      В) тРНК присоединяют аминокислоты и доставляют их к рибосоме      Г) перед делением клетки из каждой хромосомы образуются по две  хроматиды     Д) присоединенные к рибосоме две А_к взаимодействуют между собой с образованием пептидной связи     Е) в ходе окисления органических веществ освобождается энергия

Задание 3. Установите соответствие.

Задание 4. Решите задачи.

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: ГТ­Г-ЦЦГ-Т­ЦА-ААА.

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

3. 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 аде­нин, гу­а­нин, тимин, ци­то­зин в двух­це­по­чеч­ной мо­ле­ку­ле ДНК.

Репликация ДНК.

Поскольку ДНК является молекулой наследственности, то для реализации этого качества она должна точно копировать саму себя и таким образом сохранять всю имеющуюся в исходной молекуле ДНК информацию в виде определенной последовательности нуклеотидов. Это обеспечивается за счет особого процесса, предшествующего делению любой клетки организма, который называется репликацией ДНК.

Репликация ДНК — удвоение, происходит в синтетическую (S) стадию интерфа­зы перед каждым делением клетки. Синтетический-S период, продолжительность несколько часов (6-10), характеризуется процессами: репликация ДНК, синтез РНК белков каждая хромосома превра-щается в 2 хроматиды. Набор хромосом 2п4с.

Репликация сложный процесс идущий с участием фермента (ДНК полимераз) Для репликации нужно сначала расплести  двойную спираль ДНК.  Это делают специальные ферменты (хеликазы), водородные связи между азотистыми основаниям, но расплетенные участки очень чувствительны к повреждающим факторам. Чтобы они оставались как можно меньше времени в таком состоянии, синтез на обеих цепочках идет одновременно. В материнской ДНК две цепи двойной спирали антипараллельны-напротив 3ʹодной цепи располагается 5ʹ- другой, а фермент ДНК полимераза может перемещаться только в одном направлении- от 3ʹ конца к 5ʹ концу матричной цепи. Поэтому репликация одной половины материнской молекулы начинающийся 3ʹнуклеотидом включается после расплетения двойной спирали и идет непрерывно. Репликация второй половины молекулы начинается чуть позже,  и не сначала где располагается 5ʹ нуклеотид припят-свующий репликации, а на некотором расстоянии от него. ДНК полимераза при этом движется в обратную сторону, синтезируя короткий фрагмент –фрагмент Оказаки (1000-2000 нуклеотидов) . Для начала репликации ДНК коротких фрагментов этой нити требуется синтез фрагментов РНК как затравок, для чего используется особый фермент — РНК-полимераза (праймаза). Впоследствии праймеры РНК уда-ляются, в образовавшиеся бреши встраивается ДНК с помощью ДНК полимеразы I. Таким образом, каждая цепь ДНК используется как матрица или шаблон для построения комплементарной цепи и репликация ДНК является полуконсервативной (т.е. одна нить в новой молекуле ДНК — «старая», а вторая — новая). Отдельные фрагменты Оказаки сшиваются ферментом ДНК лигазой.

Репликация начинается в сайте инициации репликации с расплетания двойной спирали ДНК, при этом формируется репликацион-ная вилка — место непосредственной репликации ДНК. В каждом сайте может формироваться одна или две репликационные вилки в зависимости от того, является ли репликация одно- или двунаправленной. Более распространена двунаправленная репликация. Через некоторое время после начала репликации в электронный микроскоп можно наблюдать репликационный глазок — участок хромосомы, где ДНК уже реплицирована, окружённый более протяжёнными участками нереплицированной ДНК.

В репликационной вилке ДНК копирует крупный белковый комплекс (реплисома), ключевым ферментом которого является ДНК-поли-мераза. Репликационная вилка движется со скоростью порядка 100 000 пар нуклеотидов в минуту у прокариот и 500-5000 — у эукариот.

Скорость репликации ДНК у человека относительно низкая и для того, чтобы обеспечить репликацию ДНК любой хромосомы чело-века, требовались бы недели, если бы репликация начиналась из одной точки. На самом деле в молекуле ДНК любой хромосомы, а каждая хромосома человека содержит только одну молекулу ДНК, имеется множество мест инициации репликации (репликонов). От каждого репликона репликация идет в обоих направлениях до тех пор, пока соседние репликоны не сливаются. Поэтому репликация ДНК в каждой хромосоме протекает относительно быстро.

Репликация проходит в три этапа:

1. Инициация репликации 2. Элонгация 3. Терминация репликации.

Регуляция репликации осуществляется в основном на этапе инициации. Это достаточно легко осуществимо, потому что репликация может начинаться не с любого участка ДНК, а со строго определённого, называемого сайтом инициации репликации. В геноме таких сайтов может быть как всего один, так и много. С понятием сайта инициации репликации тесно связано понятие репликон. Репликон — это участок ДНК, который содержит сайт инициации репликации и реплицируется после начала синтеза ДНК с этого сайта. Геномы бактерий представляют собой один репликон, это значит, что репликация всего генома является следствием всего одного акта ини-циации репликации. Геномы эукариот (а также их отдельные хромосомы) состоят из большого числа самостоятельных репликонов, что сокращает суммарное время репликации отдельной хромосомы. Молекулярные механизмы, которые контролируют количество актов инициации репликации в каждом сайте за один цикл деления клетки, называются контролем копийности. В бактериальных клетках помимо хромосомной ДНК часто содержатся плазмиды, которые представляют собой отдельные репликоны. У плазмид существуют свои механизмы контроля копийности: они могут обеспечивать синтез как всего одной копии плазмиды за клеточный цикл, так и тысяч копий.

В 1957 г. Дельбрук и Стент сформулировали три альтернативные гипотезы репли­кации ДНК в клетках эукариот:

1. консервативная репликация -исходная двухцепочечная молекула ДНК, служит матрицей для образования совершенно новой двухцепочечной молекулы, на цело достраивающейся на  исходной. Одна из дочерних клеток получит исходную ДНК, а дру­гая вновь синтезированную.
2. полуконсервативная репликация-две нити ДНК расплетаются (как за­стёжка-молния), Каждая цепь служит матрицей для образования новой. ДНК постепенно разделяется специальным ферментом на 2 половины в продольном направлении. Каждая половинная спираль снова становится целой и вместо 1 молекулы полу­чается две. Хромосома становится двухроматидной.
3. дисперсионная репликация — исходная ДНК распадается на короткие разной длины фрагменты, используемые в качестве матриц для построения фрагментов 2-х новых двойных спиралей, которые затем воссоздаются в единую структуру молекулы. Образованные молекулы ДНК содержат старые и новые фрагменты.

Процесс репликации ДНК весьма сложен, но протекает аналогично у про- и эу­кариот, отличаясь участвующими ферментами, скоростью и направлением репликации, ко­личеством точек репликации.

У прокариот репликация протекает быстрее: примерно 1000 нуклеотидов в секунду. В то время как у эукариот только около 100 нук-леотидов. Количество нуклеотидов в каждом фрагменте Оказаки у эукариот составляет примерно до 200, у прокариот — до 2000.

У прокариот кольцевые молекулы ДНК представляют собой один репликон. У эукариот каждая хромосома может содержать множество репликонов. Поэтому синтез начинается в нескольких точках, одновременно или нет.

  В 1955 г. Корнберг и его коллеги открыли фермент, который обеспечивает реп­ликацию ДНК, и назвали полимеразой. На современном этапе среди ферментов, участ­вующих в синтезе ДНК, выделены:

1. ДНК-полимераза 1.2.3.     обладают 5′->3′ полимеразной активностью.
2. Топоизомеразы — ферменты, катализирующие переходы в молекулах ДНК, свя­занные с изменением степени сверхспирализации.
3. ДНК-гиразы — переводят двухцепочечную ДНК в состояние отрицательной сверхспирализации.

Значение изучения репликации ДНК. В начале 60-х американский ученый Леонард Хейфлик обнаружил, что при культивировании в питательной среде вне организма нормальные диплоидные(соматические) клетки человека способны делиться лишь ограниченное число раз. Предельное число делений зависело от возраста  того, кому принадлежали клетки, взятые в культуру .Так, клетки от ново-рожденных детей могли пройти 80-90 делений , в то время как клетки от 70-летних стариков делились только 20-30 раз. Максимальное число клеточных делений было названо «лимитом Хейфилка». В 1971г. отечественный ученый А.М.Оловников в своей «теории маргинотомии» предположил, что в основе ограниченного потенциала удвоения нормальных соматических клеток, растущих в культуре вне организма, может лежать постепенное укорочение  ДНК хромосом с каждым раундом репликации. Известно, что хромосомы соматических клеток человека несут на каждом конце  многократно  повторенные гексамеры-TTAGGG,общая длина которых может достигать 10 тысяч пар нуклеотидов. В комплексе со специфическими белками такие тандемные повторы образуют концевые районы хромосом-теломеры. Эти специализированные структуры защищают кодирующую часть ДНК от экзонуклеаз, пре-дотвращают неправильную рекомбинацию хромосом и позволяют им прикрепляться к ядерной оболочке. В ходе культивирования  in vitro некоторых клонов нормальных клеток теломеры укорачиваются в среднем на 50 пар нуклеотидов за каждый цикл деления.

ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА ПЕРЕЙДИТЕ ПО ДАННОЙ ССЫЛКЕ: https://learningapps.org/view28216393 И ВЫПОЛНИТЕ ЗАДАНИЯ.

Пройдите контрольный тест:

На вопросы теста можно ответить перейдя по ссылке: https://onlinetestpad.com/er74wt6xnpjse