3 где и как происходит биосинтез белка. Основное место биосинтеза белка. Этапы биосинтеза белка. Какими бывают белки

Одно из наиболее важных и характерных свойств живой клетки. Первичная структура белка, как уже отмечалось, предопределяется генетическим кодом, заложенным в молекуле ДНК, причем различные ее участки кодируют синтез разных белков. Следовательно, одна молекула ДНК хранит информацию о структуре многих белков.

Свойства белка зависят от последовательности расположения аминокислот в полипептидной цепи. В свою очередь чередование аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК. В иРНК каждой аминокислоте соответствует определенный триплет - группа, состоящая из трех нуклеотидов, называемая кодоном.

Биосинтез белка начинается в ядре со списывания информации о структуре белковой молекулы с ДНК на иРНК по принципу комплементарности. Данный процесс протекает как реакция матричного синтеза и называется транскрипцией (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Процесс транскрипции

В результате транскрипции образуется «незрелая» иРНК (пре-иРНК), которая проходит стадию созревания или процессинга .

Процессинг включает в себя:

1) КЭПирование 5"-конца;

2) полиаденилирование 3"-конца (присоединение нескольких десятков адениловых нуклеотидов);

3) сплайсинг (вырезание интронов и сшивание экзонов). В зрелой иРНК выделяют КЭП, транслируемую область (сшитые в одно целое экзоны), нетранслируемые области (НТО) и полиА «хвост». Возможен альтернативный сплайсинг , при котором вместе с интронами вырезаются и экзоны. При этом с одного гена могут образовываться разные белки. Таким образом, утверждение – «Один ген – один полипептид» – неверно (рис. 7.2, 7.3, 7.4)

Рис. 7.2. Сплайсинг

Рис. 7.3. Альтернативный сплайсинг (варианты)

Рис. 7.4. Образование разных молекул белка при вариантах альтернативного сплайсинга

Образующаяся при этом иРНК поступает в цитоплазму, где на нее нанизываются рибосомы. Одновременно в цитоплазме с помощью ферментов активизируется транспортная РНК тРНК.

Молекула тРНК напоминает по структуре лист клевера, на вершине которого находится триплет нуклеотидов, соответствующий по коду определенной аминокислоте (антикодон), а основание («черешок») служит местом присоединения этой аминокислоты. В тРНК различают антикодоновую петлю и акцепторный участок. В антикодоновой петле РНК имеется антикодон, комплементарный кодовому триплету определенной аминокислоты, а акцепторный участок на 3"-конце способен с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы присоединять именно эту аминокислоту (с затратой АТФ) к участку ССА (рис. 5)

Транспортная РНК доставляет аминокислоты к рибосомам. По принципу комплементарности антикодон связывается со своим кодоном, причем аминокислота располагается у активного центра рибосомы и с помощью ферментов соединяется с ранее поступившими аминокислотами. Затем тРНК освобождается от аминокислоты, а молекула иРНК продвигается вперед на один триплет, и процесс повторяется.

Рис. 7.5. Строение молекулы Т-РНК

Различают три этапа в биосинтезе белка: инициацию , элонгацию и терминацию .

В малой субъединице рибосомы расположен функциональный центр рибосомы (ФЦР) с двумя участками - пептидильным (Р-участок) и аминоацильным (А-участок). В ФЦР может находиться шесть нуклеотидов иРНК, три - в пептидильном и три - в аминоацильном участках.

Инициация . Синтез белка начинается с того момента, когда к 5"-концу иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, в Р-участок которой заходит метиониновая тРНК.

За счет АТФ происходит передвижение инициаторного комплекса (малая субъединица рибосомы, тРНК с метионином) по НТО до метионинового кодона АУГ. Этот процесс называется сканированием .

Элонгация . Как только в Р-участок сканирующего комплекса попадает кодон АУГ, происходит присоединение большой субъединицы рибосомы. В А-участок ФЦР поступает вторая тРНК, чей антикодон комплементарно спаривается с кодоном иРНК, находящимся в А-участке.

Пептидилтрансферазный центр большой субъединицы катализирует образование пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. Отдельного фермента, катализирующего образование пептидных связей, не существует. Энергия для образования пептидной связи поставляется за счет гидролиза ГТФ.

На один цикл расходуется 2 молекулы ГТФ. В А-участок заходит третья тРНК, и образуется пептидная связь между второй и третьей аминокислотами. Синтез полипептида идет от N-конца к С-концу, то есть пептидная связь образуется между карбоксильной группой первой и аминогруппой второй аминокислоты.

Скорость передвижения рибосомы по иРНК - 5–6 триплетов в секунду, на синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислотных остатков, клетке требуется несколько минут.

Терминация . Когда в А-участок попадает кодон-терминатор (УАА, УАГ или УГА), с которым связывается особый белковый фактор освобождения, полипептидная цепь отделяется от тРНК и покидает рибосому. Происходит диссоциация, разъединение субъединиц рибосомы.

Рис. 7.6. Процесс трансляции (шаг 1)

Рис. 7.7. Процесс трансляции (шаг 2)

Рис. 7.8. Процесс трансляции (шаг 3)

Рис. 7.9. Процесс трансляции (шаг 4)

Рис. 7.10. Биосинтез белка (общая схема)

Так постепенно наращивается белковая цепочка, в которой аминокислоты располагаются в строгом соответствии с локализацией кодирующих их триплетов в молекуле иРНК. Синтез полипептидных цепей белков по матрице иРНК называется трансляцией (рис. 10).

В клетках растительных и животных организмов белки непрерывно обновляются. Интенсивность синтеза тех или иных специфических белков определяется активностью соответствующих генов, с которых «считывается» иРНК. Следует отметить, что не все гены функционируют одновременно: активность проявляют лишь те, которые кодируют информацию о структуре белков, необходимых для жизнедеятельности организма в данный момент.

Информация о первичной структуре белковой молекулы содержится в ДНК, которая находится в ядре эукариотической клетки. Одна цепочка – нить ДНК может содержать информацию о многих белках. Ген – это участок (фрагмент) ДНК, несущий информацию о строении одного белка. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенной последовательности нуклеотидов. При этом каждой аминокислоте в будущей белковой молекуле соответствует участок из трех нуклеотидов (триплет) в молекуле ДНК.

Процесс биосинтеза белка включает в себя ряд последовательно протекающих событий:

Репликация ДНК (в ядре клетки) транскрипция информационная РНК (в цитоплазме с помощью рибосом) трансляция белок

Синтез информационной РНК (и-РНК) происходит в ядре. Он осуществляется по одной из нитей ДНК с помощью ферментов и с учетом принципа комплиментарности азотистых оснований. Процесс переписывания информации, содержащейся в генах ДНК на синтезируемую молекулу и-РНК называется транскрипцией . Очевидно, что информация переписывается в виде последовательности нуклеотидов РНК. Нить ДНК в этом случае выступает в качестве матрицы. В молекулу РНК в процессе ее образования вместо азотистого основания – тимина включается урация.

Г - Ц - А - А - Ц - Т – фрагмент одной из цепочек молекулы ДНК
- Ц - Г - У - У - Г - А – фрагмент молекулы информационной РНК.

Молекулы РНК индивидуальны, каждая из них несет информацию об одном гене. Далее молекулы и-РНК выходят из ядра клетки через поры оболочки ядра и направляются в цитоплазму к рибосомам. Сюда же с помощью транспортных РНК (т-РНК) доставляются аминокислоты. Молекула т-РНК состоит из 70–80 нуклеотидов. Общий вид молекулы напоминает лист клевера.

На «верхушке» расположен атикодон (кодовый триплет нуклеотидов), который соответствует определенной аминокислоте. Следовательно, для каждой аминокислоты существует своя, конкретная т-РНК. Процесс сборки молекулы белка идет в рибосомах и называется трансляцией . На одной молекуле и-РНК последовательно располагаются несколько рибосом. В функциональном центре каждой рибосомы способны поместиться два триплета и-РНК. Кодовый триплет нуклеотидов – молекулы т-РНК, подошедшей к месту синтеза белка, соответствует триплету нуклеотидов и-РНК, находящемуся в данный момент в функциональном центре рибосомы. Тогда рибосома по цепочке и-РНК делает шаг, равный трем нуклеотидам. отделяется от т-РНК и становится в цепочку мономеров белка. Освободившаяся т-РНК уходит в сторону и через некоторое время может снова соединиться с определенной кислотой, которую будет транспортировать к месту синтеза белка . Таким образом, последовательность нуклеотидов в триплете ДНК соответствует последовательности нуклеотидов в триплете и-РНК.

В сложнейшем процессе биосинтеза белка реализуются функции многих веществ и органоидов клетки.

Биосинтез белка

Биосинтез белка

В обмене веществ организма ведущая роль принадлежит белкам и нуклеиновым кислотам. Белковые вещества составляют основу всех жизненно важных структур клетки, они входят в состав цитоплазмы. Белки обладают необычайно высокой реакционной способностью. Они наделены каталитическими функциями, т. е. являются ферментами, поэтому белки опреде ляют направление, скорость и теснейшую согласованность, сопряженность всех реакций обмена веществ.

Ведущая роль белков в явлениях жизни связана с богатством и разнообразием их химических функций, с исключительной способностью к различным превращениям и взаимодействиям с другими простыми и сложными веществами, входящими в состав цитоплазмы.

Нуклеиновые кислоты входят в состав важнейшего органа клетки - ядра, а также цитоплазмы, рибосом, митохондрий и т. д. Нуклеиновые кислоты играют важную, первостепенную роль в наследственности, изменчивости организма, в синтезе белка.

Процесс синтеза белка является очень сложным многоступенчатым процессом. Совершается он в специальных органеллах - рибосомах. В клетке содержится большое количество рибосом. Например, у кишечной палочки их около 20 000.

Каким образом происходит синтез белка в рибосомах?

Молекулы белков по существу представляют собой полипептидные цепочки, составленные из отдельных аминокислот. Но аминокислоты недостаточно активны, чтобы соединиться между собой самостоятельно. Поэтому, прежде чем соединиться друг с другом и образовать молекулу белка, аминокислоты должны активироваться. Эта активация происходит под действием особых ферментов. Причем каждая аминокислота имеет свой, специфически настроенный на нее фермент.

Источником энергии для этого (как и для многих процессов в клетке) служит аденозинтрифосфат (АТФ).

В результате активирования аминокислота становится более лабильной и под действием того же фермента связывается с т-РНК.

Важным является то, что каждой аминокислоте соответствует строго специфическая т-РНК. Она находит «свою» аминокислоту и переносит ее в рибосому. Поэтому такая РНК и получила название транспортной.

Следовательно, в рибосому поступают различные активированные аминокислоты, соединенные со своими т-РНК. Рибосома представляет собой как бы конвейер для сборки цепочки белка из поступающих в него различных аминокислот (рис. 13 А и Б).

,

Возникает вопрос: от чего зависит порядок связывания между собой отдельных аминокислот? Ведь именно этот порядок и определяет, какой белок будет синтезирован в рибосоме, так как от порядка расположения аминокислот в белке зависит его специфика. В клетке содержится более 2000 различных по строению и свойствам специфических белков.

Оказывается, что одновременно с т-РНК, на которой «сидит» своя аминокислота, в рибосому поступает «сигнал» от ДНК, которая содержится в ядре. В соответствии с этим сигналом в рибосоме синтезируется тот или иной белок, тот или иной фермент (так как ферменты являются белками).

Направляющее влияние ДНК на синтез белка осуществляется не непосредственно, а с помощью особого посредника, той формы РНК, которая получила название матричной или информационной РНК (м-РНК или и-РНК).

Информационная РНК синтезируется в ядре иод влиянием ДНК, поэтому ее состав отражает состав ДНК. Молекула РНК представляет собой как бы слепок с формы ДНК.

Синтезированная и-РНК поступает в рибосому и как бы передает этой структуре план - в каком порядке должны соединяться друг с другом поступившие в рибосому активированные аминокислоты, чтобы синтезировался определенный белок. Иначе, генетическая информация, закодированная в ДНК, передается на и-РНК и далее на белок.

Молекула информационной РНК поступает в рибосому и как бы прошивает ее. Тот ее отрезок, который находится в данный момент в рибосоме, определенный кодоном (триплет), взаимодействует совершенно специфично с подходящим к нему по строению триплетом (антикодоном) в транспортной РНК, которая принесла в рибосому аминокислоту. Транспортная РНК со своей аминокислотой подходит к определенному кодону и-РНК и соединяется с ним; к следующему, соседнему участку и-РНК присоединяется другая т-РНК с другой аминокислотой и так далее, до тех пор пока не будет считана вся цепочка и-РНК и пока не нанижутся все аминокислоты в соответствующем порядке, образуя молекулу белка. А т-РНК, которая доставила аминокислоту к определенному участку полипептидной цепи, освобождается от своей аминокислоты и выходит иэ рибосомы. Затем снова в цитоплазме к ней может присоединиться нужная аминокислота, и она снова перенесет ее в рибосому. В процессе синтеза белка участвует одновременно не одна, а несколько рибосом - полирибосомы.

Основные этапы передачи генетической информации: синтез на ДНК как на матрице и-РНК (транскрипция) и синтез в рибосомах полипептидной цепи по программе, содержащейся в и-РНК (трансляция), универсальны для всех живых существ. Однако временные и пространственные взаимоотношения этих процессов различаются у про- и эукариотов.

У организмов, обладающих па стоящим ядром (животные, растения), транскрипция и трансля ция строго разделены в пространстве и времепи: синтез различных РНК происходит в ядре, после чего молекулы РНК должны покинуть пределы ядра, пройдя через ядерную мембрану (рис. 13 А). Затем в цитоплазме РНК транспортируются к месту синтеза белка- рибосомам. Лишь после этого паступает следующий этап - трансляция.

У бактерий, ядерное вещество которых не отделено от цитоплазмы мембраной, транскрипция и трансляция идут одновременно (рис. 13 Б).

Современные схемы, иллюстрирующие работу генов, построены на основании логического анализа экспериментальных данных, полученных с помощью биохимических и генетических методов. Применение тонких электронно-микроскопических методов позволяет в буквальном смысле слова увидеть работу наследственного аппарата клетки. В последнее время получены электронно-микроскопические снимки, на которых видно, как на матрице бактериальной ДНК, в тех участках, где к ДНК прикреплены молекулы РНК-полимеразы (фермента, катализирующего транскрипцию ДНК в РНК), происходит синтез молекул и-РНК. Нити и-РНК, расположенные перпендикулярно к линейной молекуле ДНК, продвигаются вдоль матрицы и увеличиваются в длине. По мере удлинения нитей РНК к ним присоединяются рибосомы, которые, продвигаясь, в свою очередь, вдоль нити РНК по направлению к ДНК, ведут синтез белка.

Из всего сказанного следует, что местом синтеза белков и всех ферментов в клетке являются рибосомы. Образно выражаясь, это как бы «фабрики» белка, как бы сборочный цех, куда поступают все материалы, необходимые для сборки полипептидной цепочки белка иэ аминокислот. Природа же синтезируемого белка зависит от строения и-РНК, от порядка расположения в ней нуклеоидов, а строение и-РНК отражает строение ДНК, так что в конечном итоге специфическое строение белка, т. е. порядок расположения в нем различных аминокислот, зависит от порядка расположения нуклеоидов в ДНК, от строения ДНК.

Изложенная теория биосинтеза белка получила название матричной теории. Матричной эта теория называется потому, что нуклеиновые кислоты играют как бы роль матриц, в которых записана вся информация относительно последовательности аминокислотных остатков в молекуле белка.

Создание матричной теории биосинтеза белка и расшифровка аминокислотного кода является крупнейшим научным достижением XX века, важнейшим шагом на пути к выяснению молекулярного механизма наследственности.

Жизнь растений: в 6-ти томах. - М.: Просвещение. Под редакцией А. Л. Тахтаджяна, главный редактор чл.-кор. АН СССР, проф. А.А. Федоров . 1974 .

Смотреть что такое "Биосинтез белка" в других словарях:

Схема синтеза белка рибосомой Биосинтез белка сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из … Википедия

Совокупность реакций полимеризации аминокислот в полипептидную цепь молекулы белка, протекающих в клетках на специализированных органеллах рибосомах; нарушение Б. б. лежит в основе многих болезней человека, животных и растений … Большой медицинский словарь

Процесс синтеза природных органических соединений живыми организмами. Путь биосинтеза соединения это приводящая к образованию этого соединения последовательность реакций, как правило, ферментативных (генетически детерминированных), но изредка… … Википедия

- [тэ], а; м. Образование различных органических веществ в живых организмах. Б. белка. Механизм биосинтеза. * * * биосинтез образование необходимых организму веществ в живых клетках с участием биокатализаторов ферментов. Обычно в результате… … Энциклопедический словарь

биосинтез - (тэ) а; м. Образование различных органических веществ в живых организмах. Биоси/нтез белка. Механизм биосинтеза … Словарь многих выражений

Рибосомный биосинтез - * рыбасомны біясінтэз * ribosomal biosynthesis сборка рибосомных частиц из РНК и белковых компонентов. У эукариот и прокариот координируется т. обр., что не накапливается ни избыток белка, ни избыток нуклеиновых кислот. У E. coli синтез белков… … Генетика. Энциклопедический словарь

У этого термина существуют и другие значения, см. Белки (значения). Белки (протеины, полипептиды) высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью альфа аминокислот. В живых организмах… … Википедия

Кристаллы различных белков, выращенные на космической станции «Мир» и во время полётов шаттлов НАСА. Высокоочищенные белки при низкой температуре образуют кристаллы, которые используют для получения модели данного белка. Белки (протеины,… … Википедия

I Белки (Sciurus) род млекопитающих семейства беличьих отряда грызунов. Распространены в лесах Европы, Азии и Америки. Около 50 видов. Приспособлены к древесному образу жизни. Длина тела до 28 см. Мех обычно густой, у некоторых пушистый.… … Большая советская энциклопедия

Генетическая информация у всех организмов хранится в виде определенной последовательности нуклеотидов ДНК (или РНК у РНК-содержащих вирусов). Прокариоты содержат генетическую информацию в виде одной молекулы ДНК. В эукариотических клетках генетический материал распределен в нескольких молекулах ДНК, организованных в хромосомы.

ДНК состоит из кодирующих и некодирующих участков. Кодирующие участки кодируют РНК. Некодирующие области ДНК выполняют структурную функцию, позволяя участкам генетического материала упаковываться определенным образом, или регуляторную функцию, участвуя во включении генов, направляющих синтез белка.

Кодирующими участками ДНК являются гены. Ген — участок молекулы ДНК, кодирующей синтез одной мРНК (и соответственно полипептида), рРНК или тРНК.

Участок хромосомы, где расположен ген называют локусом . Совокупность генов клеточного ядра представляет собой генотип , совокупность генов гаплоидного набора хромосом — геном , совокупность генов внеядерных ДНК (митохондрий, пластид, цитоплазмы) — плазмон .

Реализация информации, записанной в генах, через синтез белков называется экспрессией (проявлением) генов. Генетическая информация хранится в виде определенной последовательности нуклеотидов ДНК, а реализуется в виде последовательности аминокислот в белке. Посредниками, переносчиками информации, выступают РНК, т.е. реализация генетической информации происходит следующим образом:

ДНК → РНК → белок

Этапы биосинтеза белка

Процесс биосинтеза белка включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция (от лат. transcriptio — переписывание) — синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. В результате образуются мРНК, тРНК и рРНК. Процесс транскрипции требует больших затрат энергии в виде АТФ и осуществляется ферментом РНК-полимеразой.

Одновременно транскрибируется не вся молекула ДНК, а лишь отдельные ее отрезки. Такой отрезок (транскриптон ) начинается промотором (участок ДНК, куда присоединяется РНК-полимераза и откуда начинается транскрипция) и заканчивается терминатором (участок ДНК, содержащий сигнал окончания транскрипции). Транскриптон — это ген с точки зрения молекулярной биологии.

Транскрипция, как и репликация, основана на способности азотистых оснований нуклеотидов к комплементарному связыванию. На время транскрипции двойная цепь ДНК разрывается, и синтез РНК осуществляется по одной цепи ДНК.

В процессе трансляции последовательность нуклеотидов ДНК переписывается на синтезирующуюся молекулу мРНК, которая выступает в качестве матрицы в процессе биосинтеза белка.

Гены прокариот состоят только из кодирующих нуклеотидных последовательностей. Гены эукариот состоят из чередующихся кодирующих (экзонов ) и не кодирующих (интронов ) участков. После транскрипции участки мРНК, соответствующие интронам, удаляются в ходе сплайсинга, являющегося составной частью процессинга. Процессинг — процесс формирования зрелой мРНК из ее предшественника пре-мРНК.

Он включает два основных события:

1. присоединение к концам мРНК коротких последовательностей нуклеотидов, обозначающих место начала и место конца трансляции;
2. сплайсинг — удаление неинформативных последовательностей мРНК, соответствующих интронам ДНК. В результате сплайсинга молекулярная масса мРНК уменьшается в 10 раз.

Трансляция (от лат. translatio — перевод) — синтез полипептидной цепи с использованием мРНК в роли матрицы.

В трансляции участвуют все три типа РНК:

• мРНК служит 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.

мРНК транслируется не одной, а одновременно несколькими (до 80) рибосомами. Такие группы рибосом называются полирибосомами (полисомами) . На включение одной аминокислоты в полипептидную цепь необходима энергия четырех АТФ.

Генетический код

Информация о структуре белков «записана» в ДНК в виде последовательности нуклеотидов. В процессе транскрипции она переписывается на синтезирующуюся молекулу мРНК, которая выступает в качестве матрицы в процессе биосинтеза белка. Определенному сочетанию нуклеотидов ДНК, а следовательно, и мРНК, соответствует определенная аминокислота в полипептидной цепи белка. Это соответствие называют генетическим кодом . Одну аминокислоту определяют три нуклеотида, объединенных в триплет (кодон) . Поскольку существуют четыре типа нуклеотидов, объединяясь по три в триплет, они дают 4 3 = 64 варианта триплетов (в то время как кодируются только 20 аминокислот). Из них три являются «стоп-кодонами», прекращающими трансляцию, остальные 61 — кодирующими. Разные аминокислоты кодируются разным числом триплетов: от 1 до 6.

Примечания:

1. Первое азотистое основание в триплете находится в левом вертикальном ряду, второе — в верхнем горизонтальном, третье — в правом вертикальном.
2. На пересечении линий трех оснований выявляется искомая аминокислота.
3. Азотистые основания вне скобок входят в состав мРНК, азотистые основания в скобках — в состав ДНК.

Свойства генетического кода :

1. код триплетен — одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами (триплетом) в молекуле нуклеиновой кислоты;
2. код универсален — все живые организмы от вирусов до человека используют единый генетический код;
3. код однозначен (специфичен) — триплет соответствует одной единственной аминокислоте.
4. код избыточен — одна аминокислота кодируется более чем одним триплетом;
5. код не перекрывается — один нуклеотид не может входить в состав сразу нескольких кодонов в цепи нуклеиновой кислоты;
6. код колинеарен — последовательность аминокислот в синтезируемой молекуле белка совпадает с последовательностью триплетов вмРНК.

Этапы трансляции

Трансляция состоит из трех этапов: инициации, элонгации и терминации.

1. Инициация — сборка комплекса, участвующего в синтезе полипептидной цепи. Малая субчастица рибосомы соединяется с инициаторной мет -тРНК, а затем с мРНК, после чего происходит образование целой рибосомы, состоящей из малой и большой субчастиц.
2. Элонгация — удлинение полипептидной цепи. Рибосома перемещается вдоль мРНК, что сопровождается многократным повторением цикла присоединения очередной аминокислоты к растущей полипептидной цепи.
3. Терминация — завершение синтеза полипептидной молекулы. Рибосома достигает одного из трех стоп-кодонов мРНК, а так как не существует тРНК с антикодонами, комплементарными стоп-кодонам, синтез полипептидной цепи прекращается. Она высвобождается и отделяется от рибосомы. Рибосомные субчастицы диссоциируют, отделяются от мРНК и могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи.

Реакции матричного синтеза

К реакциям матричного синтеза относят:

• самоудвоение ДНК (репликация);
• образование мРНК, тРНК и рРНК на молекуле ДНК (транскрипция);
• биосинтез белка на мРНК (трансляция).

Все эти реакции объединяет то, что молекула ДНК в одном случае или молекула мРНК в другом выступают в роли матрицы, на которой происходит образование одинаковых молекул. На реакциях матричного синтеза основана способность живых организмов к воспроизведению себе подобных.

Регуляция экспрессии генов

Тело многоклеточного организма построено из разнообразных клеточных типов. Они отличаются структурой и функциями, т.е. дифференцированы. Различия проявляются в том, что помимо белков, необходимых любой клетке организма, клетки каждого типа синтезируют еще и специализированные белки: в эпидермисе образуется кератин, в эритроцитах — гемоглобин и т.д. Клеточная дифференцировка обусловлена изменением набора экспрессируемых генов и не сопровождается какими-либо необратимыми изменениями в структуре самих последовательностей ДНК.

Биосинтез белка - это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в опреде­лённую последовательность аминокислот в белковых молекулах.

Этапы биосинтеза одного вида белка в клетке

■ Сначала происходит синтез мРНК на определен­ном участке одной из цепей молекулы ДНК.

■ мРНК выходит через поры ядерной мембраны в цитоплазму и прикрепляется к малой субъединице рибосом.

■ К этой же субъединице рибосомы присоединяется инициаторная тРНК. Её антикодон взаимодействует со стартовым кодоном мРНК - АУГ. После этого из малой и большой частиц формируется рабочая рибо­сома.

■ При включении новой аминокислоты рибосома передвигается вперед на три нуклеотида. Рибосома движется вдоль мРНК, пока не достигнет одного из её трех стоп-кодонов - УАА, УАГ или УГА.

■ Каждый этап биосинтеза катализируется соот­ветствующим ферментом и обеспечивается энергией АТФ.

■ Биосинтез происходит в клетках с огромной ско­ростью. В организме высших животных в одну минуту образуется до 60 тысяч пептидных связей.

Точность белкового синтеза обеспечивается следую­щими механизмами:

и Определенный фермент обеспечивает связывание строго определенной аминокислоты с соответствую­щими молекулами транспортной РНК.

■ Транспортная РНК, присоединившая аминокис­лоту, своим антикодоном связывается с кодоном на информационной РНК в месте прикрепления рибосо­мы. Только после узнавания молекулой тРНК «свое­го» кодона аминокислота включается в растущую по- липептидную цепь.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ №9

Перечислите все этапы биосинтеза белка. Как опре­деляется начало и конец синтеза иРНК?

2. Один триплет ДНК содержит информацию

а) о последовательности аминокислот в белке;

б) об одном признаке организма;

в) об одной аминокислоте, включаемой в белковую цепь;

г) о начале синтеза и РНК.

3. Где происходит процесс транскрипции?

4. Какой принцип обеспечивает точность биосинте­за белка?

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН В КЛЕТКЕ (ДИССИМИЛЯЦИЯ)

Энергетический обмен - это совокупность химиче­ских реакций постепенного распада органических со­единений, сопровождающихся высвобождением энер­гии, часть которой расходуется на синтез АТФ.

Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа, каж­дый из которых сопровождается несколькими фермен­тативными реакциями. Участие ферментов снижает энергию активации химических реакций, благодаря чему энергия выделяется не сразу (как при зажигании спички), а постепенно.

Первый этап - подготовительный. В желудоч­но-кишечном тракте многоклеточных организмов он осуществляется пищеварительными ферментами. У одноклеточных - ферментами лизосом. На пер­вом этапе происходит расщепление белков до ами­нокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, по­лисахаридов до моносахаридов, нуклеиновых кислот до нуклеотидов.

Этот процесс называется пищеваре­нием.

Второй этап - бескислородный (гликолиз). Проис­ходит в цитоплазме клеток. Состоит из девяти после­довательных реакций превращения молекулы глюко­зы в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), 2АТФ, Н 2 0 и НАДФ*Н:

С 6 Н 12 0 6 +2АДФ+2Ф+2НАД + -> 2С 3 Н 4 0 3 +2АТФ+

2Н 2 0+2НАДФ*Н (ПВК)

АТФ и НАДФ*Н - это соединения, в которых за­паслась часть энергии, выделившейся при гликолизе.

Остальная энергия рассеивается в виде тепла.

В клетках дрожжей и растений (при недостатке кислорода) пировиноградная кислота распадается на этиловый спирт и кислород. Этот процесс называется спиртовым брожением.

В мышцах животных при больших нагрузках и не­хватке кислорода образуется молочная кислота, кото­рая накапливается в виде лактата.

Третий этап - кислородный. Заканчивается пол­ным окислением глюкозы и промежуточных продуктов до углекислого газа и воды. При этом при расщепле­нии одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. Этот процесс называется биологическим окисле­нием. Он стал возможным после накопления в атмос­фере достаточного количества молекулярного кисло­рода.

Клеточное дыхание происходит на внутренних мем­бранах митохондрий, в которые встроены молекулы - переносчики электронов. В ходе этой стадии осво­бождается большая часть метаболической энергии. Молекулы-переносчики транспортируют электроны к молекулярному кислороду. Часть энергии рассеива­ется в виде тепла, а часть расходуется на образование АТФ.

Суммарная реакция энергетического обмена: С 6 Н 12 0 6 + 60 2 -> 6С0 2 + 6Н 2 0 + 38АТФ.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ М10

1. Суть гетеротрофного питания заключается

а) в синтезе собственных органических соединений из неорганических;

б) в потреблении неорганических соединений;

в) в использовании получаемых из пищи органиче­ских соединений для построения собственного тела;

г) в синтезе АТФ.

2. Конечными продуктами окисления органических веществ являются

а) АТФ и вода;

б) кислород и углекислый газ;

в) вода, углекислый газ, аммиак;

г) АТФ и кислород.

3. Молекула глюкозы на первом этапе расщепления

а) окисляется до углекислого газа и воды;

б) не изменяется;

в) превращается в молекулу АТФ;

г) расщепляется до двух трехуглеродных молекул (ПВК).

4. Что является универсальным источником энер­гии в клетке?

5. Из чего складывается суммарное количество АТФ, полученное в ходе энергетического обмена?

6. Расскажите о процессах гликолиза.

7. Как используется аккумулированная в АТФ энергия?

ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И ПЛАСТИЧЕСКОГО

ОБМЕНА В КЛЕТКАХ ЖИВОТНЫХ И РАСТЕНИЙ

Обмен веществ (метаболизм) - это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепле­ния, сопровождающихся поглощением и выделением энергии и превращением химических веществ клет­ки. Его иногда разделяют на пластический и энер­гетический обмены, которые связаны между собой. Все синтетические процессы нуждаются в веществах и энергии, поставляемых процессами расщепления. Процессы расщепления катализируются фермента­ми, синтезирующимися в ходе пластического обме­на, с использованием продуктов и энергии энергети­ческого обмена.

Для отдельных процессов, происходящих в орга­низмах, используются следующие термины:

Ассимиляция - синтез полимеров из мономеров.

Диссимиляция - распад полимеров на мономеры.

Анаболизм - синтез более сложных мономеров из более простых.

Катаболизм - распад более сложных мономеров на более простые.

Живые существа используют световую и химиче­скую энергию. Автотрофы используют в качестве источника углерода углекислый газ. Гетеротрофы используют органические источники углерода. Ис­ключение составляют некоторые протисты, например эвглена зеленая, способная к автотрофному и гете­ротрофному типам питания.

Автотрофы синтезируют органические соединения при фотосинтезе или хемосинтезе. Гетеротрофы полу­чают органические вещества вместе с пищей.

У автотрофов доминируют процессы пластическо­го обмена (ассимиляции) - фотосинтез или хемосин­тез, у гетеротрофов - процессы энергетического обме­на (диссимиляции) - пищеварение + биологический распад, происходящий в клетках.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ №11

1. Что общего между фотосинтезом и процессом окисления глюкозы?

а) оба процесса происходят в митохондриях;

б) оба процесса происходят в хлоропластах;

в) в результате этих процессов образуется кислород;

г) в результате этих процессов образуется АТФ.

2. Какие продукты фотосинтеза участвуют в энерге­тическом обмене млекопитающих?

3. Какова роль углеводов в образовании аминокис­лот, жирных кислот?

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ КЛЕТКИ. ХРОМОСОМЫ

Жизненный цикл клетки - это период её жизни от деления до деления.

Клетки размножаются путем удвоения своего со­держимого с последующим деление пополам.

Клеточное деление лежит в основе роста, развития и регенерации тканей многоклеточного организма.

Клеточный цикл подразделяют на хромосомный и цитоплазматический. Хромосомный сопровожда­ется точным копированием и распределением гене­тического материала. Цитоплазматический состоит из роста клетки и последующего цитокинеза - де­ления клетки после удвоения других клеточных ком­понентов.

Длительность клеточных циклов у разных видов, в разных тканях и на разных стадиях широко варьи­рует от одного часа (у эмбриона) до года (в клетках пе­чени взрослого человека).

Фазы клеточного цикла

Интерфаза - период между двумя делениями. Подразделяется на пресинтетический - 01, синтети­ческий - в, постсинтетический 02.

01-фаза - самый длительный период (от 10 ч до нескольких суток). Заключается в подготовке клеток к удвоению хромосом. Сопровождается синтезом бел­ков, РНК, увеличивается количество рибосом, мито­хондрий. В этой фазе происходит рост клетки.

в-фаза (6-10 часов). Сопровождается удвоением хромосом. Синтезируются некоторые белки.

С2-фаза (3-6 часов). Сопровождается конденсацией хромосом. Синтезируются белки микротрубочек, фор­мирующих веретено деления.

Митоз - это форма деления клеточного ядра. В ре­зультате митоза каждое из получающихся дочерних ядер получает тот же набор генов, который имела ро­дительская клетка. В митоз могут вступать как дипло­идные, так и гаплоидные ядра. При митозе получают­ся ядра той же плоидности, что и исходное. Понятие «митоз» применимо только для эукариот.

Фазы митоза

■ Профаза - сопровождается образованием вере­тена деления из микротрубочек цитоплазматического скелета клетки и связанных с ними белков. Хромосо­мы хорошо видны и состоят из двух хроматид.

■ Прометафаза - сопровождается распадом ядер- ной мембраны. Часть микротрубочек веретена присое­диняются к кинетохорам (комплексам белок-центро­мера).

■ Метафаза - все хромосомы выстраиваются по экватору клетки, образуя метафазную пластинку.

■ Анафаза - хроматиды расходятся к полюсам клетки с одинаковой скоростью. Микротрубочки уко­рачиваются.

■ Телофаза - дочерние хроматиды подходят к по­люсам клетки. Микротрубочки исчезают. Вокруг кон­денсированных хроматид формируется ядерная обо­лочка.

■ Цитокинез - процесс разделения цитоплазмы. Клеточная мембрана в центральной части клетки втя­гивается внутрь. Образуется борозда деления, по мере углубления которой клетка раздваивается.

■ В результате митоза образуются два новых ядра с идентичными наборами хромосом, точно копиру­ющими генетическую информацию материнского ядра.

■ В опухолевых клетках ход митоза нарушается.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ №12

1. Опишите особенности каждой фазы митоза.

2. Что такое хроматиды, центромеры, веретено де­ления?

3. Чем отличаются соматические клетки от поло­вых?

4. В чем заключается биологический смысл митоза?

5. Наиболее длительной в клеточном цикле явля­ется:

а) интерфаза; б) профаза; в) метафаза; г) телофаза.

6. Сколько хроматид содержит пара гомологичных хромосом в метафазе митоза?

а) четыре; б) две; в) восемь г) одну.

7. Митоз не обеспечивает

а) образования клеток кожи человека; б) сохранения постоянного для вида числа хромосом; в) генетическо­го разнообразия видов; г) бесполого размножения.

Мейоз - это процесс деления клеточных ядер, при­водящий к уменьшению числа хромосом вдвое. Мейоз состоит из двух последовательных делений (редукци­онного и эквационного), которым предшествует одно­кратная репликация ДНК. Интерфаза мейоза анало­гична интерфазе митоза.

Редукционное деление

Сначала реплицированные хромосомы конденсиру­ются.

Затем начинается конъюгация гомологичных хро­мосом. Образуются биваленты или тетрады, состоя­щие из 4 сестринских хроматид.

На следующей стадии происходит кроссинговер между гомологичными хромосомами. Конъюгировав­шие хромосомы разделяются, хромосомы бивалента отодвигаются друг от друга, но продолжают быть свя­заны местами, где произошел кроссинговер.

Ядерная оболочка и ядрышки исчезают.

В конце первого деления формируются клетки с га­плоидным набором хромосом и удвоенным количе­ством ДНК. Формируется ядерная оболочка. Веретено разрушается. В каждую клетку попадает 2 сестрин­ские хроматиды, соединенные центромерой.

Эквационноеделение

Биологическое значение мейоза заключается в об­разовании клеток, участвующих в половом размноже­нии, в поддержании генетического постоянства видов. Мейоз служит основой комбинативной изменчивости организмов. Нарушения мейоза у человека могут при­вести к таким патологиям, как болезнь Дауна, идио­тия и др.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ №13

1. Опишите особенности каждой фазы мейоза.

2. Что такое конъюгация, кроссиноговер, бивален­ты?

3. В чём заключается биологический смысл мейоза?

4. Бесполым путем могут размножаться

а) земноводные; б) кишечнополостные; в) насеко­мые; г) ракообразные.

5. Первое деление мейоза заканчивается образова­нием

а) гамет; б) клеток с гаплоидным набором хромосом; в) диплоидных клеток; г) клеток разной плоидности.

6. В результате мейоза образуются: а) споры папоротников; б) клетки стенок антеридия папоротника; в) клетки стенок архегония папоротни­ка; г) соматические клетки трутней пчёл.

Строение и функции хромосом

Хромосомы - структуры клетки, хранящие и пе­редающие наследственную информацию. Хромосома состоит из ДНК и белка. Комплекс белков, связанных с ДНК, образует хроматин. Белки играют важную роль в упаковке молекул ДНК в ядре.

ДНК в хромосомах упакована таким образом, что умещается в ядре, диаметр которого обычно не превы­шает 5 мкм (5хЮ~ 4 см).

Хромосома представляет собой палочковидную структуру и состоит из двух сестринских хроматид, ко­торые удерживаются центромерой в области первич­ной перетяжки. Хроматин не реплицируется. Репли­цируется только ДНК. С началом репликации ДНК синтез РНК прекращается.

Диплоидный набор хромосом организма называет­ся кариотипом. Современные методы исследования позволяют определить каждую хромосому в карио­типе. Для этого учитывают распределение, видимых под микроскопом, светлых и темных полос (чередова­ние пар АТ и ГЦ) в хромосомах, обработанных специ­альными красителями. Поперечной исчерченностью обладают хромосомы представителей разных видов. У родственных видов, например у человека и шимпан­зе, очень сходный характер чередования полос в хро­мосомах.

Каждый вид организмов обладает постоянным числом, формой и составом хромосом. В кариотипе человека 46 хромосом - 44 аутосомы и 2 половые хромосомы. Мужчины гетерогаметны (ХУ), а жен­щины гомогаметны (XX). У-хромосома отличается от Х-хромосомы отсутствием некоторых аллелей (на­пример, аллеля свёртываемости крови). Хромосомы одной пары называются гомологичными. Гомологич­ные хромосомы в одинаковых локусах несут аллель­ные гены.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ №14

1. Что происходит с хромосомами в интерфазе ми­тоза?

2. Какие хромосомы называются гомологичными?

3. Что такое хроматин?

4. Всегда ли все хромосомы присутствуют в клетке?

5. Что можно узнать об организме, зная его число и форму хромосом в клетках?

2.2. Признаки организмов. Наследственность и изменчивость - свойства организмов. Одноклеточные и многоклеточные организмы. Ткани, органы, системы органов растений и животных, выявление изменчивости организмов. Приемы выращивания и размножения растений и домашних животных, ухода за ними