Тема: Організація потоку енергії та інформації в клітині.
Мета: Вивчити найважливіша властивість живого - обмін речовин і енергії, яке проявляється на різних рівнях організації.
Завдання для самопідготовки
1. Асиміляція і дисиміляція в живій клітині, їх взаємозв'язок, біологічне значення. Продукти асиміляції і дисиміляції.
2. Типи асиміляції (автотрофні, гетеротрофні, міксотрофное)
3. Фотосинтез. Організми, здатні до фотосинтезу.
4. Хемосинтез. Подібність і відмінність фото- і хемосинтезу.
5. Будова, функції і утворення АТФ.
6. Типи дисиміляції (аеробний і анаеробний). Дихання і бродіння. Відмінність дихання від бродіння.
7. Характеристика основних етапів енергетичного обміну (підготовчий, гліколіз, гідроліз).
8. Особливості будови ДНК і РНК. Типи РНК. Кодон, антикодон. Визначення, будова, розташування в біомолекул.
9. Місцезнаходження вихідної інформації для біосинтезу білка. Умови, необхідні для біосинтезу білка.
10. Початок синтезу білка: транскрипція, процесинг, роль РНК-полімерази в транскрипції. Промотор і термінатор транскрипції.
11. Трансляція, її здійснення.
12. Формування первинної, вторинної, третинної і четвертинної структури білка. Органели, в яких здійснюється цей процес.
13. Заповнити таблиці 7, 8, 9, 10, 11 (див. Додаток 2).
Обмін речовин і перетворення енергії в клітині (метаболізм) - найважливіша властивість живого. Він являє собою сукупність хімічних реакцій, що протікають в клітинах з поглинанням або виділенням енергії.
Асиміляція (анаболізм) - сукупність всіх процесів синтезу складних органічних речовин, що супроводжується поглинанням енергії (ендотермічний процес). Це пластичний обмін. утворюються різні речовини.
Дисиміляція (катаболізм) - сукупність реакцій розщеплення; перехід речовин, багатих енергією, в прості, менш енергетично багаті (екзотермічний процес). Це енергетичний обмін. утворюються різні види енергії.
Асиміляція і дисиміляція є протилежними сторонами одного процесу - обміну речовин. Реакції асиміляції потребують енергії, яка надходить з реакцій дисиміляції; а для здійснення реакцій дисиміляції необхідний постійний синтез білків-ферментів, які утворюються в реакціях асиміляції.
Сукупність реакцій асиміляції і дисиміляції лежить в основі життєдіяльності організмів і обумовлює зв'язок організму з навколишнім середовищем.
За характером асиміляції розрізняють автотрофні, гетеротрофні і міксотрофное організми. Автотрофні - це організми, які самі синтезують органічні речовини з неорганічних. Вони можуть використовувати різні джерела енергії (енергія сонячного світла або хімічних процесів) для виробництва вуглеводів, жирів, білків, необхідних для підтримки життєдіяльності. Це все організми, що містять хлорофіл (синьо-зелені водорості, бурі водорості, вищі рослини), і деякі бактерії.
Гетеротрофи використовують готові органічні сполуки в якості їжі з подальшою її механічної і хімічної переробкою. Гетеротрофами є всі тварини, гриби. Міксотрофи - організми, здатні як до синтезу органічних речовин, так і використання їх в готовому вигляді (Евглена зелена).
Фотосинтез - синтез органічних сполук в зелених рослинах з води і двоокису вуглецю з використанням сонячної енергії, що поглинається хлорофілом. У гранах (тилакоїдів) протікають реакції, що викликаються світлом (світлові), а в стромі - реакції, не пов'язані зі світлом (темнові або реакції фіксації вуглецю).
Світлова фаза фотосинтезу. Протікає в Тилакоїди хлоропластів за участю сонячного світла і молекул хлорофілу. При поглинанні кванта світла молекулою хлорофілу один електрон переходить в збуджений стан і піднімається на більш високий енергетичний рівень. Одночасно з цим відбувається фотоліз води з утворенням іонів Н + і ОН -.
Збуджений електрон приєднується до іона Н +. відновлюючи його до атома Н. Далі два утворилися атома Н з'єднуються з нікотінаміддінуклеотідфосфатом (НАДФ) і відновлюють його до НАДФ · Н2. Електрони від гідроксид-іонів повертаються в молекулу хлорофілу на місце порушених, а самі гідроксид-іони перетворюються у вільні радикали і, взаємодіючи один з одним, утворюють воду і вільний кисень.
В процесі переходів протони накопичуються на внутрішній стороні мембрани грани хлоропласта, а електрони на зовнішній поверхні, створюючи, таким чином, різниця потенціалів. Коли різниця потенціалів досягає критичного рівня, протони проходять по спеціальних каналах мембран, в яких знаходяться ферменти, які синтезують АТФ.
Таким чином, в світлову фазу відбуваються такі процеси: іонізація води з виділенням кисню, відновлення НАДФ, синтез АТФ.
Темнова фаза фотосинтезу не залежить від світла і протікає в стромі хлоропластів, як на світлі, так і в темряві. Енергія, накопичена в світлову фазу, використовується для синтезу моносахаридів з діоксиду вуглецю (надходить з повітря через продихи) і водню (отщепляется від НАДФ · Н2) шляхом складних ферментативних реакцій в циклі Кальвіна:
Хемосинтез - синтез органічних сполук з неорганічних з використанням енергії хімічних процесів (окисно-відновних реакцій). На відміну від фотосинтезуючих автотрофів, які використовують світлову енергію, хемосинтезирующие автотрофи використовують енергію окислювально-відновних реакцій. До хемоавтотрофов відносяться деякі бактерії (нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии).
За характером дисиміляції розрізняють аеробні та анаеробні організми. Аероби - це організми, які використовують для процесу окислення (дихання) вільний кисень. Дихання - сукупність процесів, що забезпечують газообмін між організмами і зовнішнім середовищем (зовнішнє дихання) і окисні процеси в клітинах з виділенням енергії (внутрішнє або клітинне дихання). Енергія, що виділяється в результаті окислення органічних речовин, забезпечує різноманітні процеси життєдіяльності. Анаероби - організми, які здійснюють окислення речовин без присутності кисню. Це можуть бути різні типи бродіння. спиртове (кінцевий продукт - етиловий спирт), молочнокисле (кінцевий продукт - молочна кислота), пропіоновокисле (кінцевий продукт - пропіонова кислота).
Вуглеводи, жири, білки піддаються розщепленню, а потім окислення. Виділяється енергія фіксується у вигляді макроергічних зв'язків в молекулах АТФ, які є переносниками енергії від одного процесу до іншого. Синтез АТФ відбувається в мітохондріях в процесі окисного фосфорелирования (утворення АТФ з АДФ за участю фосфату) в результаті циклу Кребса. АТФ є нуклеотид, що складається із залишків аденіну, рибози і трифосфату.
Етапи енергетичного обміну:
1. Підготовчий етап. Він полягає в розпаді білків, жирів, вуглеводів на мономери. У людини це відбувається в шлунково-кишковому тракті під дією травних ферментів. При цьому виділяється тільки теплова енергія. Білки розщеплюються до амінокислот, ліпіди - до гліцерину і жирних кислот, крохмаль - до глюкози.
2. Гліколіз (безкисневому етап) здійснюється в цитоплазмі клітини. Йде за участю різних ферментів. Відбувається анаеробне розщеплення 1 молекули глюкози на 2 молекули піровиноградної кислоти. При цьому утворюються 2 молекули АТФ, що становить 35% енергії 1 молекули глюкози.
В анаеробних умовах глюкоза розщеплюється на 2 молекули молочної кислоти, або етилового спирту, або пропіонової кислоти. Цей процес називається бродінням.
3. Гідроліз (кисневий етап) здійснюється в мітохондріях, пов'язаний з матриксом і внутрішньої мембраною мітохондрій. Відбувається кінцеве окислення піровиноградної кислоти за участю різних ферментів до вуглекислого газу і води з регенерацією всієї енергії, що залишилася в циклі Кребса (цикл трикарбонових кислот, цикл лимонної кислоти). При цьому утворюються 36 молекул АТФ.
Чільна роль у зберіганні та потоці інформації належить нуклеїнових кислот. У кожен нуклеотид входить молекула фосфорної кислоти, пентоза і одне з чотирьох азотистих основ: аденін (А), гуанін (Г), цитозин (Ц), тимін (Т) або урацил (У). Ланцюг чергуються нуклеотидів, з'єднаних фосфодіефірнимі зв'язками, утворює первинну структуру нуклеїнових кислот.
ДНК є биополимером, складається з двох ланцюгів нуклеотидів, до складу яких крім молекули фосфорної кислоти, входить дезоксирибоза і азотисті основи: А, Т, Г, Ц. ДНК може мати вторинну і третинну структури. Вторинна структура ДНК - подвійна спіраль: два ланцюги комплементарні, антіпараллельни, закручені в праву спіраль, азотисті основи всередині з'єднані водневими зв'язками, зовні - фосфатно-цукрова стрічка.
РНК складається з одного ланцюга нуклеотидів, до складу яких входить рибоза і азотисті основи: А, Г, Ц, У. РНК не здатна до редуплікації. Існує кілька типів РНК:
1) матрична (м-РНК) або інформаційна (і-РНК) РНК - метаболічно нестабільна копія гена або групи генів, вона має вторинну (коротка спіраль) і третинну структури (утворює комплекси з білками - інформасома);
2) рибосомная РНК (р-РНК) - утворює рибосому, вона має вторинну (коротка спіраль, утворена 1 ланцюгом, принцип комплементарності не дотримується) і третинну структуру (утворює комплекси з білками - домени. Які утворюють субодиниці рибосоми);
3) транспортна РНК (т-РНК) - переносить амінокислоти до рибосоми, має вторинну структуру у вигляді трилисника; антикодон - ділянку молекули т-РНК, що складається з трьох нуклеотидів і «довідається» відповідний йому ділянку з трьох нуклеотидів в молекулі м-РНК, з яким взаємодіє комплементарно.
Транскрипція - процес копіювання генетичної інформації з ДНК з утворенням РНК. Здійснюється за допомогою ферменту - РНК-полімерази, який копіює одну з ланцюгів ДНК і діє за принципом комплементарності.
Початкова ділянка ДНК, з якого починається транскрипція, називається промотор. До нього приєднуються білки, що полегшують початок транскрипції, і фермент транскрипції РНК-полімераза. Оператор - ділянку ДНК, що зв'язує білки-регулятори транскрипції. До оператору примикають структурні гени. містять перемежовуються ділянки интронов і екзонів. Окремі ділянки генів несуть різну функцію. Одна група ділянок відноситься до інформативним, а інша - до неінформативним. До інформативним відносяться структурні гени, що несуть інформацію про структуру поліпептидного ланцюга або нематрічних РНК (р-РНК, т-РНК); неінформативні виконують інші функції і не містять генетичної інформації. Але і в багатьох структурних генах, особливо еукаріотів, генетична інформація записана з перервами. Ділянки в структурних генах, що несуть інформацію, називаються екзонами. а неінформативні - интронами. В кінці транскріптона є послідовність нуклеотидів - термінатор. яка є свого роду сигналом про закінчення транскрипції.
Процес транскрипції можна розбити на три фази:
1. Ініціація. фермент РНК-полімераза приєднується до промотор, розплітає спіраль ДНК на 1 виток і починає синтезувати короткі фрагменти РНК, які відщеплюються: йде абортивна транскрипція. Після досягнення певної маси РНК-продукту, починається продуктивна транскрипція.
2. Елонгація. РНК-полімераза ковзає уздовж матриці ДНК і читає тільки один ланцюг. Кожен наступний нуклеотид злучається з комплементарним підставою в ДНК-матриці, а РНК-полімераза "скріплює" його зі зростаючою ланцюгом РНК фосфодіефірнимі зв'язками. Для руху РНК-полімерази необхідна енергія АТФ.
3. Терминация. РНК-полімераза досягає нуклеотиднихпослідовностей термінатора ДНК, які є стоп-сигналами. Після закінчення транскрипції синтезована РНК відділяється від ДНК. На цьому етапі РНК являє собою точну копію ДНК і називається проінформаціонная РНК (про-і-РНК).
В ядрі про-і-РНК проходить стадію дозрівання, або процесингу. Процесинг включає в себе три операції:
1. Вирізання неактивних ділянок (інтронів) і зрощення інформативних ділянок (екзонів) РНК - сплайсинг.
2. Модифікація кінцевих ділянок про-І-РНК з утворенням і-РНК.
При транскрипції генетичний текст ДНК переписується в послідовність нуклеотидів і-РНК.
Трансляція - синтез білка, переклад генетичної інформації з коду ДНК і і-РНК в послідовність амінокислот. У біосинтезі білка беруть участь 20 амінокислот. Кожна амінокислота кодується 3 нуклеотидами - триплет або кодон.
Процес трансляції ділять на 4 етапи:
1. Активація амінокислот. утворюється комплекс амінокислоти і т-РНК (аміноацил-т-РНК).
2. Ініціація. зв'язування м-РНК з малою субодиницею рибосоми і зв'язування великої субодиниці рибосоми з ініціальним комплексом аміноацил-т-РНК; антикодон т-РНК комплементарний Ініціальний кодону м-РНК, у великій субодиниці рибосоми є 2 активних ділянки (аміноацільний і пептідільний).
3. Елонгація. зростання поліпептидного ланцюга
- надходження активованої амінокислоти в рибосому (в аміноацільний ділянку): йде процес пізнавання до повної комплементарності, при відповідно комплекс амінокислота-т-РНК замикається в рибосомі;
- утворюється пептидний зв'язок (ініціальна амінокислота приєднується до іншої амінокислоті);
- транслокация: ферменти каталізують пересування пептидил-т-РНК з аміноацільного ділянки в пептідільний ділянку, витісняючи звільнилася т-РНК, при цьому пептидил-т-РНК тягне за собою м-РНК; утворився дипептид, далі читається наступний триплет і стадії елонгації повторюються до термінальних кодонів.
4. Терминация. при досягненні термінальних кодонів ферменти дізнаються їх і отщепляют поліпептид від т-РНК в середу, при цьому т-РНК звільняється з рибосоми і теж виходить в середу.
Білкові молекули мають різну структуру. Виділяють первинну, вторинну, третинну і четвертинних структури. Первинна структура білка - поліпептидний ланцюг з ковалентними зв'язками. Також можуть утворюватися дисульфідні містки: їх утворюють дві поруч розташовані сірковмісні амінокислоти. Вторинна структура білка - # 945; -Спіралі (1 виток - 3,6 амінокислоти) і # 946; -Структури (мають вигляд зигзага, утворюються в місцях з підвищеною концентрацією сірковмісних амінокислот) характеризуються утворенням водневих зв'язків. Третинна структура білка - упаковка білка в тривимірному просторі. Більшість білків мають глобулярную структуру (кулька - грудочку), ряд білків - фибриллярную (фібрила - нитка), і безліч білків мають проміжні форми. Четвертичная структура характерна тільки для олігомерних (містять до 50 амінокислот) білків, які складаються з декількох субодиниць (дихальні ферменти). Але будь-яку структуру білка визначає його амінокислотна послідовність.