Общая биология

организме идут при участии ферментов – белков являющимися

биологическими катализаторами. В настоящее время известно

существование около 700 ферментов. Все они простые или сложные белки.

Последние состоят из белка и кофермента. Коферменты – это различные

физиологически активные вещества или их производные – нуклеотиды,

флавины и т. д.

Ферменты отличаются чрезвычайно высокой активностью, которая в

значительной степени зависит от рН среды. Для ферментов наиболее

характерна их специфичность. Каждый фермент способен регулировать,

лишь строго определенный тип реакции.

Таким образом, ферменты выполняют функцию ускорителей и регуляторов

почти всех биохимических процессов в клетке и в организме.

Гормоны.

Гормоны – секреты желез внутренней секреции. Гормоны обеспечивают в

клетке синтез определенных ферментов, активизируют или тормозят их

работу. Таким образом они ускоряют рост организма и деление клеток,

усиливают работу мышц, регулируют всасывание и выделение воды и солей.

Гормональная система вместе с нервной системой обеспечивает

деятельность организма как единого целого, через специальное действие

гормонов

Витамины. Их биологическая роль.

Витамины – это органические вещества образующиеся в животном

организме или поступающие с пищей в очень незначительных количествах,

но абсолютно необходимых для нормального обмена веществ. Недостаток

витаминов приводит к заболеванию гипо- и авитаминозам.

В настоящее время известно более 20 витаминов. Это витамины группы

В, витамины Е, А, К, С, РР и др.

Биологическая роль витаминов заключается в том, что при их

отсутствии или недостатке нарушается в работа определенных ферментов,

нарушаются биохимические реакции и нормальная деятельность клеток.

Биосинтез белков. Генетический код.

Биосинтез белков, а точнее полипептидных цепей, осуществляется на

рибосомах, но это лишь конечный этап сложного процесса.

Информация о структуре полипептидной цепи содержится в ДНК. Отрезок

ДНК, несущий информацию о полипептидной цепи это ген. Когда это стало

известно, стало ясно, Что последовательность нуклеотидов ДНК должна

определять аминокислотную последовательность полипептидной цепи. Эта

зависимость между основаниями и аминокислотами известна под названием

генетического кода. Как известно молекула ДНК построена из нуклеотидов

четырех типов в состав которых входят одно из четырех оснований:

аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц). Нуклеотиды соединены в

полинуклеотидную цепь. С помощью этого четырех буквенного алфавита

записаны инструкции для синтеза потенциально бесконечного числа

белковых молекул. Если бы одно основание определяло положение одной

аминокислоты, то цепь содержала только четыре аминокислоты. Если бы

каждая аминокислота кодировалась двумя основаниями, то с помощью

такого кода можно было бы зашифровать 16 аминокислот. Только код,

состоящий из троек оснований (триплетный код), может обеспечить

включение в полипептидную цепь всех 20 аминокислот. В такой код входят

64 разных триплета. В настоящее время генетический код известен для

всех 20 аминокислот.

Главные черты генетического кода можно сформулировать следующим

образом.

1. Кодом, определяющим включение аминокислоты в полипептидную цепь,

служит триплет оснований в полипептидной цепи ДНК.

2. Код универсален: одни и те же триплеты кодируют одни и те же

аминокислоты у разных микроорганизмов.

3. Код является вырожденным: данная аминокислота может кодироваться

более чем одним триплетом. Например аминокислота лейцин

кодируется триплетами ГАА, ГАГ, ГАТ, ГАЦ.

4. Код перекрывающийся: например последовательность нуклеотидов

АААЦААТТА считывается только как ААА/ЦАА/ТТА. Следует отметить,

что существуют триплеты, которые не кодируют аминокислоту.

Функция некоторых таких триплетов установлена. Это стартовые

кодоны, сбросовые кодоны и пр. Функции других требуют

расшифровки.

Последовательность оснований в одном гене, которая несет информацию

о полипептидной цепи, «переписывается в комплиментарную ее

последовательность оснований информационной или матричной РНК. Этот

процесс называется транскрипцией, Молекула И-РНК образуется в

результате связывания друг с другом свободных рибонуклеотидов под

действием РНК – лимеразы в соответствии с правилами спаривания

оснований ДНК и РНК (А-У, Г-Ц, Т-А, Ц-Г). Синтезированные молекулы

И-РНК, несущие генетическую информацию, выходят из ядра и

направляются к рибосомам. Здесь происходит процесс названный

трансляцией – последовательность триплетов оснований в молекуле И-

РНК переводится в специфическую последовательность аминокислот в

полипептидной цепи.

К концу молекулы ДНК прикрепляется несколько рибосом образующих

полисому. Вся эта структура представляет собой последовательно

соединенные рибосомы. При этом, на одной молекуле И-РНК, может

осуществляться синтез нескольких полипептидных цепей. Каждая

рибосома состоит из двух субъединиц – малой и большой. И-РНК

Присоединяется к поверхности малой субъединицы в присутствии ионов

магния. При этом два ее первых транслируемых кодона оказываются

обращенными к большой субъединице рибосомы. Первый кодон связывает

молекулу т_рнк содержащую комплиментарный ему антикодон и несущую

первую аминокислоту синтезируемого полипептида. Затем второй

антикодон присоединяет комплекс аминокислота-т-РНК, содержащий

антикодон комплиментарный этому кодону.

Функция рибосомы заключается в том, чтобы удерживать в нужном

положении и-РНК, т-РНК и белковые факторы, участвующие в процессе

трансляции, до тех пор пока между соседними аминокислотами не

образуется пептидная связь.

Как только новая аминокислота присоединилась к растущей

полипептидной цепи, рибосома перемещается по нити и-РНК с тем, чтобы

поставить на надлежащие место следующий кодон. Молекула т-РНК, которая

была связана перед этим с полипептидной цепью, теперь освободившись от

аминокислоты, покидает рибосому и возвращается в основное вещество

цитоплазмы, чтобы образовать новый комплекс аминокислота-т-РНК. Такое

последовательное «считывание» рибосомой заключенного в и-РНК «текста»

продолжается до тех пор, пока процесс не доходит до одного из стоп-

кодонов. Такими кодонами являются триплеты УАА, УАГ или УГА. На этом

этапе полипептидная цепь, первичная структура которой была

закодирована на участке ДНК – гене, покидает рибосому и трансляция

завершена.

После того как полипептидные цепи отделились от рибосомы, они

могут приобретать свойственную им вторичную, третичную или

четвертичную структуры.

В заключении следует отметить, что весь процесс синтеза белка в

клетке идет с участием ферментов. Они обеспечивают синтез и-РНК,

«захват» аминокислот т-РНК, соединение аминокислот в полипептидную

цепь, формирование вторичной, третичной, четвертичной структуры.

Именно из-за участия ферментов синтез белка называют биосинтезом. Для

обеспечения всех стадий синтеза белка , используется энергия

высвобождающаяся при расщеплении АТФ.

Регуляция транскрипции и трансляции (синтеза белков) у бактерий и

высших организмов.

Каждая клетка содержит полный набор молекул ДНК. С информацией о

строении всех полипептидных цепей, какие только могут быть

синтезированы в данном организме. Однако в определенной клетке

реализуется только часть этой информации, Как же осуществляется

регуляция этого процесса?

В настоящее время выяснены только отдельные механизмы синтеза

белков. Большинство белков-ферментов образуется только в присутствии

веществ-субстратов, на которые они действуют. Строение белка-фермента

закодировано в соответствующем гене (структурный ген). Рядом со

структурным геном находится другой ген-оператор. Кроме того в клетке

присутствует особое вещество – репрессор, способное взаимодействовать

как с геном-оператором, так и с веществом-субстратом. Синтез

репрессора регулируется геном-регулятором.

Присоединившись к гену-оператору, репрессор препятствует

нормальному функционированию соседнего с ним структурного гена.

Однако, соединившись с субстратом, репрессор утрачивает способность

соединяться с геном-оператором и и препятствовать синтезу и-РНК.

Образованием самих репрессоров управляют особые гены-регуляторы,

функционирование которых управляется репрессорами второго порядка. Вот

почему не все , а только специфические клетки реагируют на данный

субстрат синтезом соответствующего фермента.

На этом, однако, иерархия репрессорных механизмов не прерывается

имеются репрессоры и более высоких порядков, что говорит об

удивительной сложности связанного с запуском гена в клетке.

Считывание заключенного в и-РНК «текста» прекращается когда этот

процесс доходит до стоп-кодона.

Автотрофные (аутотрофные) и гетеротрофные организмы.

Автотрофные организмы синтезируют из неорганических веществ

органические с использованием энергии Солнца или энергии,

освобождающейся при химических реакциях. Первые называются

гелиотрофами, вторые – хемотрофами. К автотрофным организмам относятся

растения и некоторые бактерии.

Гетеротрофные организмы используют вещества производимые другими

видами. К гетеротрофам относятся все животные, паразитические

растения, большинство бактерий, грибы.

Различают два типа гетеротрофного питания: сапрофитное – питание

органическими веществами, образующимися при разложении тел организмов;

паразитное – питание органическими вест вами вырабатываемыми живыми

организмами.

В природе встречается и смешанный тип питания, который характерен

для некоторых бактерий, водорослей и простейших. Такие организмы

органические вещества своего тела могут синтезировать из готовых

органических веществ и из неорганических.

Объем веществ в клетке.

Объем веществ это процесс последовательного потребления,

превращения, использования , накопления потери веществ и энергии

позволяющий клетке самосохраняться, расти, развиваться и размножаться.

Обмен веществ состоит из непрерывно протекающих процессов ассимиляции

и диссимиляции.

Пластический обмен в клетке.

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 моноз, 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

моноз 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 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.

Энергетический обмен в клетке и его сущность.

Совокупность реакций диссимиляции, сопровождающихся выделением

энергии, называется энергетическим обменом. Наиболее энергетическими

веществами являются белки, жиры и углеводы.

Энергетический обмен начинается с изготовительного этапа, когда

белки распадаются на аминокислоты, жиры на глицерин и жирные кислоты,

полисахариды на моносахариды. Образующаяся энергия на этом этапе

незначительна и рассеивается в виде тепла. Из образовавшихся веществ

основным поставщиком является энергии глюкоза. Расщепление глюкозы в

клетке, в результате которого происходит синтез АТФ , происходит в две

стадии. Все начинается с бескислородного расщепления – гликолиза.

Вторую стадию называют кислородным расщеплением.

Гликолизом называют последовательность реакций, в результате

которых одна молекула глюкозы распадается на две молекулы

пировиноградной кислоты. Эти реакции протекают в основном веществе

цитоплазмы и не требуют присутствия кислорода. Процесс происходит в

два этапа. На первом этапе происходит превращение глюкозы в фруктозо

–1, 6,-бифосфат, а на втором - расщепление последнего на два

трехуглеродного сахара, которые позже превращаются в пировиноградную

кислоту. При этом на первом этапе в реакциях фосфорилирования

потребляются две молекулы АТФ. Таким образом чистый выход АТФ при

гликолизе составляет две молекулы АТФ. Кроме того, при гликолизе

освобождается четыре атома водорода.. Суммарную реакцию гликолиза

можно записать так:

CHO 2CHO + 4H + 2 АТФ

В дальнейшем при наличии кислорода пировиноградная кислота

переходит в митохондрии для полного окисления до СО и воды ( аэробное

дыхание ). Если кислорода нет, то она праевращается либо в этанол,

либо в молочную кислоту (анаэробное дыхание).

Кислородное расщепление (аэробное дыхание) происходит в

митохондриях, где под действием ферментов пировиноградная кислота

вступает в реакцию с водой и полностью распадается с образованием

углекислого газа и атомов водорода. Углекислый газ удаляется из

клетки. Атомы водорода попадают в мембрану митохондрий, где в

результате ферментативного процесса окисляются. Электроны и катионы

водорода с помощью молекул-переносчиков Транспортируются на

противоположные стороны мембраны: электроны на внутреннюю, протоны на

наружную. Электроны соединяются с кислородом. В результате этих

перестроек мембрана снаружи заряжается положительно, а изнутри

отрицательно. При достижении критического уровня разности потенциалов

на мембране положительно заряженные частицы проталкиваются через канал

в молекуле фермента встроенного в мембрану на внутреннюю сторону

мембраны, где соединяясь с кислородом образуют воду.

Процесс кислородного дыхания можно представить в виде следующего

уровня:

2СНО + 6О + 36АДФ + 36НРО 36АТФ + 6СО + 42НО.

А суммарное уравнение гликолиза и кислородного процесса выглядит

так:

СНО + 6О + 38АДФ + 38НРО 38АТФ + 6СО + 44НО

Таким образом, расщепление в клетке одной молекулы глюкозы до

углекислого газа и воды обеспечивает синтез 38 молекул АТФ.

Значит в процессе энергетического обмена образуется АТФ –

универсальный источник энергии в клетке.

Хемосинтез.

Каждый организм для поддержания жизни и осуществления процессов,

совокупность которых составляет обмен веществ, нуждается в постоянном

притоке энергии.

Процесс образования некоторыми микроорганизмами органических

веществ, из углекислого газа за счет энергии, получаемой при окислении

неорганических соединений (аммиака, водорода, соединений серы,

закисного железа) называется хемосинтезом.

В зависимости от минеральных соединений, в результате окисления

которых микроорганизмы, а это в основном бактерии, способны получать

энергию хемоавтотрофы делятся на нитрифицирующие, водородные,

серобактерии, железобактерии.

Нитрофицирующие бактерии окисляют аммиак до азотной кислоты. Этот

процесс идет в две фазы. Сначала идет окисление аммиака до азотной

кислоты:

2NH + 3O = 2HNO + 2HO + 660 кДж.

Затем азотистая кислота превращается в азотную:

2HNO + O = 2HNO + 158 кДж.

В сумме выделяется 818 кДж , которые используются для утилизации

углекислого газа.

У железобактерий окисление двухвалентного железа происходит

согласно уравнению

Поскольку реакция сопровождается малым выходом энергии (46,2*10

Дж/г окисленного железа), то для поддержания роста бактериям

приходится окислять весма большое количество железа.

При окислении одной молекулы сероводорода выделяется – 17,2*10

Дж., одной молекулы серы – 49,8*10 Дж., а одной молекулы - 88,6*10

Дж.

Процесс хемосинтеза был открыт в 1887 году С.Н. Виноградским. Это

открытие не только пролило свет на особенности обмена веществ у

бактерий, но и позволило определить значимость бактерий –

хемоавтотрофоф. Особенно это касается азотфиксирующих бактерий,

которые недоступный растениям азот превращают в аммиак, чем

способствуют повышению плодородия почвы. Стал понятен и процесс

участия бактерий в круговороте веществ в природе.

Размножение организмов.

Формы размножения организмов.

Способность размножаться, т.е. производить новое поколение того же

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6