Что такое пластический обмен кратко в биологии

Энергетический обмен

Обмен веществ

Энергетический обмен

Возможно три этапа диссимиляции: подготовительный, анаэробный и аэробный. Среда обитания определяет количество этапов диссимиляции. Их может быть три, если организм обитает в кислородной среде, и два, если речь идет об организме, обитающем в бескислородной среде (к примеру, в кишечнике).

Подготовительный этап осуществляется ферментами в ЖКТ. В результате действия ферментов сложные вещества превращаются в более простые: полимеры распадаются на мономеры. Это сопровождается разрывом химических связей и выделением энергии, большая часть которой рассеивается в виде тепла.

Этот этап является последним для организмов-анаэробов, обитающих в условиях, где кислород отсутствует. На этапе гликолиза происходит расщепление молекулы глюкозы: образуется 2 молекулы АТФ и 2 молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). Происходит данный этап в цитоплазме клеток.

Таким образом, суммарно с одной молекулы глюкозы можно получить 38 АТФ (гликолиз + кислородный этап).

Кислородный этап протекает на кристах митохондрий (складках, выпячиваниях внутренней мембраны), где наибольшая концентрация окислительных ферментов. Главную роль в этом процессе играет так называемый цикл Кребса, который подробно изучает биохимия.

Пластический обмен

АТФ является универсальным источником энергии в клетке: энергия макроэргических связей АТФ используется для реакций пластического обмена (ассимиляции), протекающих с затратой энергии: синтеза белка на рибосоме (трансляции), удвоению ДНК (репликации) и т.д.

В результате пластического обмена в нашем организме происходит синтез белков, жиров и углеводов.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Что такое пластический обмен кратко в биологии

Пластический обмен в клетке это совокупность реакций ассимиляции, т. е. превращение определенных веществ внутри клетки с момента их поступления до образования конечных продуктов – белков, глюкозы, жиров и пр. Для каждой группы живых организмов характерен особый, генетически закрепленный тип пластического обмена.

Пластический обмен у животных. Животные являются гетеротрофными организмами, т. е. они питаются пищей содержащей готовые органические вещества. В кишечном тракте или кишечной полости они расщепляются: белки до аминокислот, углеводы до моносахаридов, жиры до жирных кислот и глицерина. Продукты расщепления проникают в кровь и непосредственно в клетки тела. В первом случае продукты расщепления опять-таки оказываются в клетках организма. В клетках происходит синтез веществ характерный уже для данной клетки, т. е. формируется специфический набор веществ. Из реакций пластического обмена простейшими являются реакции обеспечивающие синтез белков. Синтез белка происходит на рибосомах, согласно информации о структуре белка содержащийся в ДНК, из аминокислот поступивших в клетку. Синтез ди-, полисахаридов идет из моносахаридов в аппарате Гольджи. Из глицерина и жирных кислот синтезируются жиры. Все реакции синтеза идут с участием ферментов и нуждаются в затрате энергии, энергию для реакций ассимиляции дает АТФ.

Пластический обмен в клетках растений имеет много общего с пластическим обменом в клетках животных, но обладает определенной специфичной связанной со способом питания растений. Растения это аутотрофные организмы. Растительные клетки, содержащие хлоропласты, способны синтезировать органические вещества из простых неорганических соединений с использованием энергии света. Этот процесс известный под названием фотосинтеза позволяет растениям с участием хлорофила из шести молекул углекислого газа и шести молекул воды получать одну молекулу глюкозы и шесть молекул кислорода. В дальнейшем преобразование глюкозы идет по известному нам пути.

Метаболиты возникающие у растений в процессе обмена веществ дают начало составным элементам белков – аминокислотам и жиров – глицерину и жирным кислотам. Синтез белка у растений идет как и у животных на рибосомах, а синтез жиров на цитоплазме. Все реакции пластического обмена у растений идут с участием ферментов и АТФ. В результате пластического обмена образуются вещества обеспечивающие рост и развитие клетки.

Источник

Синтез белка

К процессам пластического обмена относят реакции образования белков, углеводов и липидов.

Образование протеинов происходит в цитоплазме клеток. Белковая молекула — сложное полимерное образование. Её составной частью или мономером являются аминокислоты. Всего описано 20 основных аминокислот. Из них состоят белки большинства живых организмов. В отдельных случаях в процессе задействованы модифицированные аминокислоты:

Синтез белков основан на принципе матрицы. В организме существуют особые матричные молекулы. Они несут в себе информацию о последовательности аминокислот в протеиновой цепочке. Наиболее часто такой матрицей служит молекула рибонуклеиновой кислоты — матричная или информационная РНК. С её помощью происходит определение структуры вещества.

Этапы пластического обмена белков:

В процессе трансляции последовательность аминокислот в белковой цепочке выстраивается в соответствии с кодом информационной РНК. В этом участвуют рибосомы — особые клеточные структуры, состоящие из 2 частей. В каждой части рибосомы содержится белковая часть и рибонуклеотидная.

Аминокислоты доставляются к рибосомам с помощью транспортной РНК (сокращённо тРНК). На одном из участков этой молекулы имеется так называемый антикодон. Подходя к иРНК, он связывается с её участком — кодоном по принципу комплементарности. Молекула тРНК попадает в большую единицу рибосомы, и доставленная аминокислота присоединяется к строящейся белковой цепочке.

Синтез протеинов требует большого количества энергии. Она используется на следующие цели:

Такой значительный расход энергии нужен, чтобы обеспечить точность формирования белковой молекулы и необратимость процесса.

Анаболизм углеводов

Синтез углеводов состоит из нескольких этапов. Вначале из неуглеводных соединений формируются молекулы глюкозы (глюконеогенез). Затем из глюкозы синтезируется гликоген (процесс называется гликонеогенез).

Функции синтеза глюкозы в организме человека выполняют:

Основная совокупность химических реакций происходит в цитозоле. Часть подготовительных процессов протекает в эндоплазматической цепи клетки и митохондриях.

Исходным веществом для синтеза может служить пируват. Процесс характеризуется расходом большого количества энергии.

Процесс гликонеогенеза протекает в клетках печени и мышечной ткани. Основная часть реакций проходит в цитозоле. Синтез состоит из нескольких стадий:

Производство нуклеотидов и жирных кислот

Нуклеотиды образуются во всех живых клетках организма в цитоплазме. Процесс этот сложный и многоступенчатый. И сходными компонентами являются ионы и нециклические молекулы. В процессе синтеза получаются гетероциклические азотистые основания.

Жирные кислоты синтезируются в цитоплазме адипоцитов — клеток жировой ткани. Процесс состоит из большого количества химических реакций. Практически все они протекают с помощью единого катализатора. Этот комплекс состоит из большого количества ферментов. Синтез липидов — циклическое явление. В результате каждого цикла к молекуле кислоты присоединяются 2 новых атома углерода.

Процесс фотосинтеза

Этот биохимический процесс присущ растительному царству. Без него жизнь на планете оказалась бы невозможной. Больше половины живых организмов, существующих на Земле, нуждаются в кислороде для нормальной жизнедеятельности. Они используют его для дыхания, а взамен выделяют в окружающую среду углекислый газ.

Атмосферный кислород поступает из зелёных листьев растений. В них содержатся особые включения — хлоропласты. Снаружи каждый хлоропласт покрыт двойной мембраной. Внутри в цитоплазме содержатся гранулы (тилакоиды) с собственными защитными покрытиями. В тилакоидах и содержится хлорофилл, обеспечивающий процесс фотосинтеза. Именно он придаёт листьям и траве зелёную окраску.

В ходе реакции фотосинтеза осуществляется объединение 6 молекул углекислого газа с молекулами воды. В результате образуется молекула глюкозы. В качестве побочного продукта выделяется кислород. Этот процесс возможен только в присуствии солнечного света.

Особенности хемосинтеза

Этот тип питания, вероятно, наиболее древний и возник раньше фотосинтеза. Схема химических реакций существенно отличается от фотосинтеза. Энергия для химических процессов берётся не от солнечного света, а от окисления неорганических веществ. Некоторые виды бактерий получают запасы энергии при окислении аммиака. Это соединение образуется при гниении органических остатков.

Этот вид аутотрофного питания характерен только для некоторых представителей ряда прокариот. Многие доядерные организмы живут в условиях, где нет кислорода — на большой глубине в морях и океанах и пр.

Как и фотосинтез, хемосинтез относится к типам аутотрофного питания. То есть органические вещества, необходимые для жизни, образуются из неорганических исходных компонентов. Энергия в обоих случаях накапливается в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфата).

Основные характеристики хемосинтеза:

Все организмы, использующие хемосинтез, делят на несколько классов по субстрату для получения энергии. Примеры представлены в таблице.

В природе хемотрофы поддерживают почвы в плодородном состоянии, насыщая их полезными веществами, необходимыми для роста и развития растений.

Взаимосвязь пластического и энергетического обмена

Пластические процессы в живой клетке тесно связаны с энергетическим обменом. В процессе анаболизма образуются не только «строительные» компоненты — жиры, белки, простые и сложные углеводы. Создаются также сложные молекулы ферментов, участвующих в энергетических процессах.

Конечным продуктом, в котором накапливается энергия в живых клетках, является АТФ. Образуются молекулы в результате окисления органических веществ.

Пластический обмен — это в биологии процесс, обратный энергетическому. Все вещества при этом распадаются и образуется молекула АТФ. Энергия, полученная в результате распавшихся химических связей, используется для сборки и удержания связей аденозинтрифосфата. В ходе пластического обмена происходит обратный процесс — молекула АТФ распадается, освобождённая при расщеплении энергия используется для химических реакций.

Источник

Пластический обмен

Пластический и Энергетический обмены

Пластический обмен

Пластический обмен — это совокупность реакций синтеза необходимых соединений (белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот) из веществ, которые попали в клетку, с поглощением энергии.

Биосинтез белков

Все живые организмы сохраняют наследственную информацию в молекулах нуклеиновых кислот в виде определенной последовательности нуклеотидов. Такая единая система сохранения называется генетическим кодом.

В полипептидной цепи каждый аминокислотный остаток кодируется определенной последовательностью из трех нуклеотидов – триплетом (комбинация из трех нуклеотидов дает возможность кодировать 4 3 = 64 типа аминокислот, то есть 20 основных).

Свойства генетического кода:

1) вырожденность – одну аминокислоту могут кодировать несколько разных триплетов. Большинство основных аминокислот (18 из 20) кодируется несколькими триплетами – от 2 до 6, лишь две (триптофан и метионин) – одним;

2) однозначность – каждый триплет кодирует лишь определенную аминокислоту;

3) универсальность – код единый для всех организмов, существующих на Земле. Одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты разных организмов;

4) неперекрываемость – генетическая информация может считываться лишь одним способом, в одном направлении.

Между генами существуют участки, которые не несут генетической информации. Они лишь отделяют одни участки от других, как «разделительные знаки». Их называют спейсерами (от англ. спейс – пространство). Каждый из трех триплетов (УАА, УАГ, УГА) означает прекращение синтеза одной полипептидной цепи. Они называются стоп-кодонами. Триплет АУГ определяет место начала синтеза следующей полипептидной цепи.

Этапы биосинтеза белков

В 50-х годах XX века был выяснен механизм этого процесса. Синтез белка включает несколько этапов: транскрипцию (синтез предшественника иРНК – про-иРНК), трансляцию (перенесение последовательности нуклеотидов в молекуле иРНК в последовательность аминокислотных остатков молекулы белка) и обособление белковой молекулы.

Транскрипция

Транскрипция (от лат. thranscriptio – переписывание). Фермент PHК-полимераза разъединяет двойную цепь ДНК. По принципу комплементарности на одной из них синтезируется молекула про-иРНК. Потом она с помощью специальных ферментов превращается в активную форму иРНК. Для этого из нее удаляются участки, лишенные генетической информации. Из ядра она может поступать в цитоплазму клетки.

Трансляция

Трансляция (от лат. translatio – передача). В цитоплазме с помощью ковалентной связи каждая из 20 аминокислот присоединяется к определенной тРНК, иРНК связывается с рибосомой. Рибосома надвигается на нитевидную молекулу иРНК таким образом, что она оказывается между двумя субъединицами. По принципу комплементарности транспортная РНК, которая переносит аминокислоту, взаимодействует с помощью своего триплета – антикодона с особым триплетом иРНК – кодоном. Первый кодон дает сигнал о начале синтеза полипептидной цепи.

Возникает инициативный комплекс, который состоит из триплета иРНК, рибосомы и определенной тРНК.

Благодаря последовательному соединению пептидными связями аминокислотных остатков между собой, полипептидная цепь удлиняется. Рибосома перемещается слева направо по иРНК и образует белковую молекулу. С помощью определенной тРНК каждая из аминокислот транспортируется к рибосоме и размещается в цепи.

В рибосоме есть особый участок, где происходит трансляция – функциональный центр. Его размеры отвечают длине двух триплетов. Вместе с тем в функциональном центре может находиться два соседних триплета иРНК. В одной его части антикодон тРНК узнает кодон иРНК, а в другой – аминокислота освобождается от тРНК.

Длина молекулы иРНК определяет количество рибосом, которые одновременно могут уместиться на ней. Молекула иРНК с нанизанными на нее рибосомами называется полисомой, или полирибосомой.

Процесс синтеза белка происходит с большой затратой энергии, которая выделяется при расщеплении АТФ. На присоединение к синтезированной полипептидной цепи одного аминокислотного остатка расходуется энергия, которая высвобождается при расщеплении одной молекулы АТФ.

Синтез белковой молекулы завершается, как только рибосома достигает стоп — кодона. Рибосома вместе с белковой молекулой оставляет иРНК. Молекула белка попадает в эндоплазматическую сеть и транспортируется к определенному участку клетки, а рибосома – на любую другую молекулу иРНК. Белок приобретает определенную пространственную конфигурацию, молекула белка становится функционально активной.

У эукариот и прокариот механизмы биосинтеза белка схожи. Различаются рибосомы. Размеры рибосом у прокариот меньше. Рибосомы прокариот похожи на рибосомы митохондрий и пластид.

Биосинтез углеводов

Автотрофные организмы синтезируют подавляющее большинство углеводов. Они образуют из углекислого газа и воды шестиуглеродные моносахариды (гексозы). В ограниченном количестве из других органических соединений углеводы синтезируются в клетках гетеротрофных организмов.

В результате ферментативных реакций полисахариды образуются из моносахаридов. Биосинтез моносахаридов происходит двумя путями:

1) характерный автотрофным организмам, ведет к восстановлению С0₂ глюкозу;

2) благодаря ряду реакций из соединений неуглеводной природы (пировиноградной и молочной кислот, глицерина, некоторых аминокислот) образуется глюкоза.

Биосинтез липидов

Запасной формой липидов в организме являются жиры. На жирные кислоты приходится около 90 % энергии, которая запасается в жирах. С участием специфических ферментов в клетках эукариот в цитоплазме происходит биосинтез жирных кислот. Процессы эти могут продолжаться в митохондриях и некоторых других органеллах.

Жиры синтезируются в клетках кишечного эпителия, в печени, подкожной клетчатке, легких и некоторых других органах. Есть ферментные системы в некоторых тканях, которые могут обеспечить образование жиров из углеводов, в частности глюкозы.

Биосинтез нуклеиновых кислот

Все живые организмы способны синтезировать нуклеотиды. Аминокислоты служат посредниками нуклеотидов, которые входят в состав нуклеиновых кислот.

Значительная часть азотистых оснований при расщеплении нуклеиновых кислот не распадается, а используется снова для синтеза нуклеотидов. Предшественники ДНК – дезоксирибонуклеотиды образуются путем восстановления (изъятия атома кислорода) рибозы до дезоксирибозы.

Биосинтез ДНК

В основе процесса лежит способность молекул ДНК к самоудвоению – репликации. Процесс репликации полуконсервативный, так как каждая из двух дочерних молекул ДНК имеет одну цепь от материнской молекулы, а вторую – синтезированную на первой. Для начала репликации двухцепочечная материнская молекула ДНК должна расплестись в определенной точке.

Фермент ДНК-полимераза катализирует синтез второй цепи дочерней молекулы ДНК. Цепи материнской молекулы ДНК разделяются из-за разрушения водородных связей. С участием фермента ДНК-полимераза по принципу комплементарности к нуклеотидам каждой материнской цепи присоединяются свободные нуклеотиды. Каждая из цепей становится матрицей для синтеза новой цепи дочерней молекулы ДНК. Каждая из дочерних молекул ДНК является точной копией материнской. У-подобная зона ДНК, где происходит репликация, называется репликационной «вилкой».

Вдоль матричной цепи размещаются в определенном порядке соответствующие одиночные нуклеотиды. Новая цепь ДНК синтезируется в виде коротких фрагментов, которые потом соединяются ковалентными связями под действием особого фермента. ДНК эукариот может удваиваться одновременно во многих точках ее молекулы.

Биосинтез РНК

Все виды РНК (иРНК, тРНК, рРНК) синтезируются ферментами РНК-полимеразами по принципу комплементарности на молекуле ДНК. Процесс синтеза молекулы РНК на матрице ДНК называется транскрипцией. Фермент РНК-полимераза во время синтеза РНК продвигается вдоль определенного участка молекулы ДНК и действует подобно застежке-молнии, разъединяя двойную спираль.

Источник

Урок Бесплатно Метаболизм. Пластический обмен

Введение

Нашему организму для жизни постоянно необходимы следующие составляющие :

На уроках в школе организм школьника в ходе умственной и физической деятельности затрачивает много энергии.

Например, за 6 уроков школьник весом 45 кг тратит около 324 ккал (1356 кДж) энергии.

Для того чтобы эта энергия была, необходимы питательные вещества, которые поступают в наш организм с пищей.

Метаболизм (обмен веществ)

Метаболизм- это совокупность протекающих в живых организмах биохимических превращений веществ и энергии, а также обмен веществами и энергией с окружающей средой.

Одним из критериев живого как раз считается метаболизм.

Вещества, поступившие в организм в ходе процесса обмена веществ, претерпевают различные химические превращения, благодаря чему выделяется или поглощается энергия, столь нужная организму, образуются простые вещества для построения структур клетки, тканей и органов.

Можно сказать, что метаболизм складывается из двух взаимосвязанных и противоположных процессов:

При энергетическом обмене образуется несколько видов энергии:

Организм человека для своего существования главным образом использует химическую энергию.

В таблице приведены данные о количестве энергии, выделяемой при распаде органических веществ:

Вещество

Сколько энергии выделяется

На что расщепляются

Дополнения

При окислении 1 г белка выделяется 17,2 кДж (4,1 ккал)

Распадаются на аминокислоты

В процессе обмена веществ белки окончательно распадаются до углекислого газа, воды, азотсодержащих веществ

При распаде 1 г жира выделяется 38,9 кДж (9,3 ккал)

Распадаются на жирные кислоты и глицерин

Молекулы жиров состоят из углерода, кислорода и водорода.

При полном их окислении из них образуется вода и углекислый газ

При распаде 1 г углеводов выделяется 17,2 кДж (4,1 ккал) энергии.

Распадаются в процессе пищеварения до простого сахара глюкозы

Основная часть глюкозы окисляется в организме до углекислого газа и воды

Пластический обмен необходим для «строительства» утраченных частей, создания новых клеток, для роста и развития не только клеток, но и всего организма.

Соотношение равновесия или неравновесия анаболизма и катаболизма зависит от возраста.

У детей преобладают анаболические процессы, то есть дети активно и быстро растут, увеличивают массу тела.

У взрослых оба процесса находятся в равновесии, но их соотношение может меняться в зависимости от состояния здоровья, физической и психоэмоциональной нагрузки.

У пожилых преобладают процессы катаболизма, что приводит к частичному разрушению тканевых структур, уменьшению массы тела, требуется больше энергии для поддержания гомеостаза.

Функции обмена веществ:

Скорость обмена веществ

Стоит отметить, что обмен веществ в живом организме идет непрерывно, даже в состоянии полного покоя, хотя и интенсивность его замедляется.

Скорость обмена веществ оценивают по общему расходу энергии.

Если организм выполняет большую физическую нагрузку, то расход энергии будет большой, помимо физической работы, на скорость обмена веществ могут влиять возраст, пол и другие факторы.

Непосредственным помощником в реакциях обмена веществ служат ферменты.

Ферменты- это биологические катализаторы, которые участвуют во всех химических реакциях расщепления веществ, осуществляют превращение веществ в организме и ускоряют все процессы, направляя и регулируя тем самым обмен веществ.

Факторы, влияющие на скорость метаболизма:

Если в окружающей среде температура низкая, то для того чтобы поддержать постоянную температуру тела срабатывают защитные механизмы и обмен веществ усиливается, выделяется больше энергии для согревания организма.

У некоторых организмов, наоборот, происходит замедление обмена веществ при пониженной температуре- впадают в спячку пресмыкающиеся, некоторые млекопитающие и насекомые

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Пластический обмен. Биосинтез белка. Генетический код

Белковые молекулы являются неотъемлемой частью клетки, без которых она не сможет существовать, ведь белки выполняют в организме множество функций: они входят в состав мембран, гормонов, ферментов, мышечных волокон и др.

Организмы, будь то растения, животные, бактерии имеют строго определенный набор белковых молекул.

Именно белки и различия в их структуре формируют индивидуальный и неповторимый набор признаков у особи, у целых популяций и видов.

За сутки в организме человека распадается около 400 грамм различных белков, следовательно, такую же массу нужно образовывать снова, поэтому в клетке происходит постоянный процесс образования белков, что является одним из примеров пластического обмена.

Пластический обмен— совокупность реакций образования органических веществ в клетке с использованием энергии.

Биосинтез белка, фотосинтез, синтез нуклеиновых кислот- это примеры пластического обмена, во время которых образуются органические вещества.

Значение пластического обмена:

Один из самых важных процессов пластического обмена- это синтез белка.

Синтез белка

Вещества и структуры клетки участвующие в биосинтезе белка:

Вещества и структуры клетки

Функции в биосинтезе белка

Содержит информацию о структуре белка, служит матрицей для синтеза белка и для всех видов РНК

иРНК (информационная или матричная РНК)

Переносит информацию от ДНК к месту сборки белковой молекулы.

Содержит генетический код

Переносит кодирующие аминокислоты к месту биосинтеза на рибосоме.

Органоид, где происходит биосинтез белка

Катализируют биосинтез белка

Строительный материал для построения белковой молекулы

Вещество, обеспечивающее энергией все процессы биосинтеза белка и других процессов пластического обмена

Автотрофные организмы (растения) образуют белок из неорганических веществ.

Гетеротрофные организмы (животные) образуют белок из аминокислот.

Важно помнить, что белок состоит из аминокислот, то есть аминокислота является мономером белка (самой мельчайшей составляющей молекулы белка).

20 Аминокислот (АК) в различных комбинациях формируют огромное множество белковых молекул.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Человеческий организм самостоятельно может образовывать из 20 аминокислот всего 12, которые называют заменимые.

Остальные восемь аминокислот должны поступать в организм в готовом виде вместе с белками пищи, поэтому они называются незаменимыми.

Незаменимые аминокислоты:

Если в организм не попали какие-либо нужные аминокислоты, которые необходимы для срочного построения белка, то организм может предпринять меру по разрушению собственных белков, содержащих эту же аминокислоту.

Большинство животных белков содержат все восемь незаменимых аминокислот в достаточных количествах.

В растительной пище также есть белки с незаменимыми аминокислотами, например у бобовых растений очень большее их содержание.

Но не вся растительная пища так богата аминокислотами, уровень некоторых незаменимых аминокислот бывает очень низок.

Генетический код

Каким же образом происходит синтез такой большой и сложной белковой молекулы?

Конечно, основная роль в определении структуры белка и последовательность аминокислот в белке принадлежит молекулам ДНК.

ДНК- носитель всей генетической информации в клетке, но непосредственного участия в синтезе белков не принимает, хотя одна молекула ДНК содержит информацию о нескольких десятков белков.

Из предыдущих уроков мы помним, что молекула ДНК очень длинная и разные ее участки отвечают за образование определенного вида белка.

Участок ДНК, определяющий синтез одной молекулы белка называется ген.

Ген представляет собой участок двойной спирали ДНК, который содержит информацию о первичной структуре какого-то одного белка.

Информация о белке может быть записана в нуклеиновой кислоте только одним способом: в виде последовательности нуклеотидов.

В ДНК содержится информация о последовательности аминокислот всех белков организма. Именно эта информация и называется генетической (наследственной) информацией.

Генетический код- запись наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах.

Схематично это выглядит так:

Реакции синтеза органического вещества на основе другой органической молекулы (матрицы) относят к реакциям матричного синтеза.

Биосинтез белка происходит на основе иРНК, являющейся матрицей в процессе его создания.

Одна аминокислота белка закодирована тремя нуклеотидами, и эта комбинация из трех нуклеотидов ДНК называется триплет, или кодон.

В настоящее время генетический код полностью расшифрован.

Ниже представлена таблица с аминокислотами, их название сокращено.

Генетический код (основания без скобок- это основания иРНК; в скобках красным цветом- это основания ДНК)

Как пользоваться таблицей генетического кода?

В таблице представлены три вида оснований (первое, второе и третье), обратите внимание на то, что они даются в двух вариантах: без скобок- нуклеотиды РНК, а в скобках- нуклеотиды ДНК.

Пользоваться ей не сложно.

Предположим, нам известно, что в ДНК есть участок со следующим составом нуклеотидов АЦЦ- ЦТТ- АТЦ. Таким образом мы имеем три триплета. Определим аминокислоты, которые закодированы этими триплетами.

Ищем основания, что в скобках (так как нам дана ДНК), но чаще в задачах необходимо найти аминокислоты, которые кодирует участок иРНК, поэтому ДНК обычно не ищут и на самом экзамене в задачах дается таблица с основаниями только для иРНК.

Первый триплет ДНК: А-Ц-Ц, смотрим в таблице первое основание (А), это первый горизонтальный столбец.

Далее ищем второе основание (Ц) на пересечении этих двух столбцов видим прямоугольник, в котором расположены четыре аминокислоты. Далее в крайнем правом столбце находим третье основание (Ц), это четвертая строчка, там указана аминокислота Три (триптофан).

Зная алгоритм действия, мы можем решать биологические задачи и расшифровывать генетический код ДНК, используя таблицу Генетического кода.

Продолжим решать нашу задачу до конца, Ц-Т-Т кодирует аминокислоту Глу (глутаминовая кислота).

АТЦ- прочерк- это стоп-кодон, он не кодирует ни одну аминокислоту и означает конец синтеза данного белка.

Таким образом мы расшифровали генетический код и перевели его в аминокислотный состав белка.

Генетический код обладает рядом свойств:

1. Код триплетный

Необходимо закодировать 20 аминокислот всего четырьмя нуклеотидами.

Если бы один нуклеотид кодировал одну аминокислоту, то возможно было закодировать только 4 аминокислоты.

Для того, чтобы закодировать 20 аминокислот, нужны комбинации из нескольких нуклеотидов.

Если взять комбинации из двух нуклеотидов, то мы получим 4 2 =16 различных комбинаций- этого недостаточно, так как у нас 20 аминокислот.

Комбинаций из трёх нуклеотидов будет уже 64 (4 3 = 64), т. е. даже больше, чем нужно, поэтому код триплетный, то есть одну аминокислоту могут кодировать три нуклеотида (триплет).

2. Код обладает свойством однозначности и вырожденности

Кажется непонятным- для чего необходимы 64 комбинации нуклеотидов, ведь аминокислот всего 20?

Оказывается, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (до 6), что позволяет разнообразить генетический материал.

Например, один и тот же белок у бактерии кишечной палочки и вируса табачной мозаики записаны разными триплетами.

Также разные триплеты по-разному распознаются, что влияет на скорость синтеза белка рибосомами и повышается надежность кодирования информации.

Способность разных кодонов кодировать одну аминокислоту называется вырожденностью кода.

В дальнейшем было выяснено, что существуют три триплета, не кодирующие аминокислоты- это стоп-кодоны, они означают конец синтеза одного белка.

Однако, несмотря на вырожденность, в генетическом коде полностью отсутствует двусмысленность. Кодоны РНК- ГАА и ГАГ кодируют аминокислоту глутамат, но ни один из них не кодирует одновременно ещё какую-то аминокислоту, т.е. каждый триплет кодирует строго одну определённую аминокислоту- это свойство генетического кода называется однозначность.

3. Генетический код универсален

Гены всех организмов одинаковым образом кодируют информацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.

К примеру, белок актин есть в составе цитоскелета вирусов и мышц человека.

Аминокислоты этого белка могут кодироваться одинаковыми последовательностями нуклеотидов в цепи ДНК, что в организме вируса, что в клетке человека.

Но не нужно забывать и про свойство вырожденности кода. То есть не всегда одна аминокислота кодируется одинаковыми последовательностями нуклеотидов у разных организмов.

Это свойство имеет большое практическое значение и активно используется в генной инженерии. Благодаря универсальности генетического кода мы можем заставить гены одного организма работать в другом организме и производить функционально активные белки.

Так ген для гормона роста переносят в бактерию, чтобы она была способна производить его. Таким образом получают гормон роста для медицинских целей, который в обычном организме производится в очень небольших количествах.

Таким же генно-инженерным способом научились производить гормон инсулин.

Однако универсальность генетического кода оказалась не абсолютной.

4. Внутри гена нет «знаков препинания»- свойство компактности

Между кодонами внутри одного гена нет знаков препинания.

Иными словами, триплеты не отделены друг от друга, к примеру, одним ничего не значащим нуклеотидом.

Отсутствие в генетическом коде «знаков препинания» было доказано в экспериментах Ф.Крика и С. Бреннера.

В ходе этих экспериментов учёные при помощи мутагенных веществ (акридиновых красителей) вызывали в генах возникновение определённого типа мутаций- выпадения или вставки 1 нуклеотида.

Оказалось, что выпадение или вставка 1 или 2 нуклеотидов всегда вызывает поломку кодируемого белка, а вот выпадение или вставка 3 нуклеотидов (или числа, кратного 3) практически не сказывается на функции кодируемого белка.

5. Неперекрываемость (дискретность)

Код может быть перекрывающимся и не перекрывающимся.

У большинства организмов код не перекрывающийся, исключением являются вирусы.

Сущность не перекрывающего кода заключается в том, что нуклеотид одного триплета не может быть одновременно нуклеотидом другого триплета.

6. Полярность

Считывание информации с ДНК и с иРНК происходит только в одном направлении.

Полярность имеет важное значение для определения структур белка (первичной, вторичной и третичной).

Этапы биосинтеза белка

Процесс биосинтеза белка можно разделить на два этапа:

Для того чтобы понять этапы биосинтеза белка необходимо вспомнить основные понятия.

ДНК и РНК состоят из множества нуклеотидов.

Нуклеотид— это мономер нуклеиновых кислот.

Целый нуклеотид принято обозначать каким- либо одним азотистым основанием, например, А (аденин) или Г(гуанин).

Последовательность трех нуклеотидов называют триплетом (кодон) и он обозначается, например, АГЦ.

Первый этап биосинтеза белка- транскрипция

Транскрипция— это процесс переписывания информации с последовательности нуклеотидов ДНК в последовательность нуклеотидов РНК. Этот процесс происходит в ядре клетки.

При этом против каждого нуклеотида одной из цепей ДНК встает комплементарный ему нуклеотид иРНК.

Транскрипции предшествует процесс раскручивания участка ДНК.

Двойную спираль ДНК разрывает фермент ДНК- полимераза и далее начинается считывание информации с одной спирали ДНК и формирование матричной РНК (иРНК) за счет работы РНК- полимеразы.

Процесс переписывания информации идет по принципу комплементарности.

Комплементарность- это взаимное дополнение азотистых оснований в молекуле ДНК и РНК.

Комлементарность нуклеотидов ДНК к РНК:

Так как в одной молекуле ДНК может находиться множество генов, то очень важно, чтобы РНК-полимераза начала синтез иРНК со строго определенного места ДНК, иначе в структуре иРНК будет записана информация о белке, которого нет в природе, что может привести к повреждению синтезируемой молекулы белка.

Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором.

РНК-полимераза «узнает» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки иРНК с нужного места.

Фермент продолжает синтезировать иРНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, до тех пор, пока не дойдет до очередного «стоп- кодона» (терминатора) в молекуле ДНК (это последовательность нуклеотидов, указывающая на то, что синтез иРНК нужно прекратить).

После копирования, сформированная иРНК выходит из ядра клетки в цитоплазму к рибосоме и начинается второй этап биосинтеза белка.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Ученые «увидели» как мРНК выходят из ядра.

Создав микроскоп, способный достичь не виданного ранее разрешения, ученые из Колледжа медицины Альберта Эйнштейна впервые увидели транспорт мРНК через ядерные поры живых клеток в режиме реального времени.

Ученые увидели, что через саму пору ядра мРНК проходит всего за 5 миллисекунд, но стыковка с порой занимает 80 миллисекунд ожидания.

И еще 80 миллисекунд мРНК ждет на другом конце поры, прежде чем перейти в цитоплазму.

10 процентов молекул мРНК остаются у ядерных пор, ожидая доступа, даже в течение секунд, а не миллисекунд.

Ученые предполагают, что в этих точках ожидания мРНК подвергаются проверке на качество.

Это открытие поможет понять, как лечить некоторые болезни, к примеру болезнь миотоническая дистрофия. В клетках таких больных молекулы мРНК не могут выйти из ядра и попасть в цитоплазму

Прежде чем переходить к рассмотрению второго этапа биосинтеза белка давайте поймем принцип комплементарности и попробуем решить задачи.

Задача

Фрагмент цепи ДНК имеет последовательность нуклеотидов:

Постройте мРНК по принципу комплементарности.

Решение:

Мы знаем принцип комплементарности

Если на ДНК нуклеотид А, то ему по принципу комплементарности соответствует нуклеотид У на мРНК.

Если на ДНК нуклеотид Г, то на мРНК это нуклеотид Ц и так далее.

Таким образом дописываем цепь мРНК, используя принцип комплементарности:

цепь ДНК: А-Г-Ц-Т-А-Ц-Г-А-Т

цепь иРНК: У-Ц-Г-А-У-Г-Ц-У-А

Второй этап биосинтеза белка- трансляция

Трансляция— перевод последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот белка.

Триплет нуклеотидов на верхушке тРНК называется антикодон.

Кодон- это триплет нуклеотидов на иРНК.

У эукариотических организмов иРНК синтезируется в ядре, потом она переносится через ядерную мембрану в цитоплазму к месту синтеза белка- рибосомам.

В цитоплазме обязательно должен иметься полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков.

Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей.

Аминокислоты должны попасть на рибосому, а переносит их к рибосоме транспортная РНК (тРНК).

К одной транспортной РНК прикрепляется одна аминокислота, для каждой аминокислоты существует своя тРНК.

На одном конце транспортной РНК имеется структура «черешок», к которой прочно прилепляется аминокислота.

На верхушке тРНК находится триплет нуклеотидов (антикодон), который соответствует по коду данной аминокислоте.

Триплет нуклеотидов на верхушке т-РНК называется антикодон.

В основном все белки (за исключением некоторых случаев) начинаются с аминокислоты метионин, закодированный кодоном АУГ, который является знаком начала трансляции.

Рибосома взаимодействует с иРНК именно с того конца, где находится код метионина АУГ.

После связывания рибосома начинает двигаться по иРНК, от 3 штрих конца к 5 штрих концу, задерживаясь на каждом ее участке, состоящим из 6 нуклеотидов (2 кодона).

Время задержки составляет всего 0,2 с.

За это время молекула тРНК, несущая аминокислоту, успевает распознать комплементарный триплет, то есть антикодон тРНК по принципу комплементарности соответствует кодону иРНК.

Далее аминокислота отделяется от «черешка» тРНК и присоединяется с образованием пептидной связи к растущей цепочке белка.

В тот же самый момент к рибосоме подходит следующая т-РНК, антикодон которой комплементарен следующему триплету в иРНК, и следующая аминокислота, принесенная этой тРНК, включается в растущую цепочку белка.

После этого рибосома сдвигается по иРНК, задерживается на следующих нуклеотидах, и все повторяется сначала.

Далее рибосома доходит до одного из так называемых стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА), которые не кодируют аминокислоту и сигнализируют о завершении синтеза данного белка.

Белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует определенную структуру (первичную, вторичную, третичную, четвертичную в зависимости от функции молекулы белка).

Процесс синтеза белка осуществляется за очень короткие промежутки времени.

Подсчитано, что на синтез крупной молекулы белка, состоящего из 300 аминокислотных остатков уходит всего около одной- двух минут. А, например, на синтез актина, который состоит из 376 аминокислот уйдет чуть больше минуты.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей.

Одна из них содержит 21 аминокислотный остаток (цепь А), вторая- 30 аминокислотных остатков (цепь В).

В 1963 г. был синтезирован первый искусственный белок- инсулин.

Сейчас методы синтеза белков значительно усовершенствованы и их синтез не является проблемой.

Клетке необходима не одна, а множество молекул каждого белка, поэтому, как только рибосома, первой начавшая синтез белка на молекуле иРНК, продвигается вперед, тут же на эту иРНК нанизывается вторая рибосома, которая начинает синтезировать такой же белок.

На одну иРНК может быть нанизана и третья, и четвертая рибосома, и т. д.

Поэтому рибосомы можно назвать «заводом» по производству белков.

Все рибосомы, синтезирующие белок на одной молекуле иРНК, называются полисомой.

Когда синтез белка окончен, рибосома может связаться с другой молекулой иРНК и начать синтезировать новый белок, закодированный в этой молекуле иРНК.

Последовательность аминокислот в первичной структуре белка не зависит от рибосом, а определяется только последовательностью нуклеотидов иРНК.

Таким образом, трансляция— это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка.

Краткая схема биосинтеза белка:

Этапы биосинтеза белка:

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Регуляция биосинтеза белка в клетке и организме

Оперон и репрессор

Гены всех организмов одинаковым образом кодируют информацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.

В этих генах записана информация о всех белках, которые способен синтезировать любой живой организм.

То есть клетка растения, к примеру, может синтезировать любой белок, который характерен для человека и эту способность используют в генной инженерии.

Сразу хочется задать такой вопрос: почему же клетки, содержащие в своем ядре одинаковую генетическую информацию, не производят различные белки и не синтезируют сразу все белки?

Ответ лежит в изучении механизмов контроля синтеза белка в клетках, хотя природа регуляторных процессов изучена недостаточно.

Среди теорий, объясняющих природу регуляторных процессов, наибольшую популярность приобрела «теория оперона», сформулированная Ф. Жакобом и Ж. Моно на основании исследования синтеза ферментов у бактерий.

Генетической единицей механизма регуляции синтеза белков следует считать оперон.

В состав оперона прокариот входят:

1. Структурные гены

2. Регуляторные элементы

На работу оператора оперона влияет самостоятельный регуляторный ген, синтезирующий соответствующий регуляторный белок-репрессор или белок- активатор.

Ген-регулятор не обязательно располагается рядом с опероном.

Если на операторе белок репрессор, то РНК- полимераза не может начать синтез иРНК, так как не может связаться с промотором.

Если на операторе белок-активатор, то его можно сравнить с клеем, который склеивает РНК-полимеразу и оперон.

В итоге РНК-полимераза находит промотор и начинается синтез иРНК.

РНК-полимераза продвигается по структурному гену ДНК и считывает информацию, переводя ее в нуклеотиды иРНК.

После того как РНК-полимераза дошла до терминатора, синтез на иРНК заканчивается. Затем РНК-полимераза отделяется от участка ДНК и направляется снова на процесс образования иРНК.

Образовавшаяся иРНК покидает ядро и направляется в цитоплазму, где и происходит образование белка на рибосомах.

У эукариот регуляция синтеза белка намного сложнее и еще недостаточно изучена, но известно следующее:

Стоит отметить, что синтез белка требует от клетки больших энергетических затрат.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Можно было бы предположить, что часть «неработающих» генов в тех или иных клетках утрачивается и разрушается, однако целый ряд экспериментов доказал, что это не так.

Из клетки кишечника головастика при определенных условиях можно вырастить целую лягушку, что возможно только в том случае, если в ядре этой клетки сохранилась вся генетическая информация.

Следовательно, в каждой клетке многоклеточного организма используется только часть генетической информации, содержащейся в ее ДНК.

Значит, должны иметь место механизмы, «включающие» или «выключающие» работу того или иного гена в разных клетках»

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Источник