Характеристика основных методов получения антибиотиков. Характеристика основных методов получения антибиотиков Какое значение имеет биологический синтез
Обмен веществ и превращение энергии - основа жизнедеятельности клетки. Энергетический обмен в клетке и его сущность. Значение АТФ в энергетическом обмене.
Пластический обмен. Фотосинтез. Пути повышения продуктивности сельскохозяйственных растений. Биосинтез белков. Ген и его роль в биосинтезе. Код ДНК. Реакция матричного синтеза. Взаимосвязь процессов пластического и энергетического обмена.
Вопросы для самопроверки:
В чем заключается биологический синтез? Приведите примеры.
Дайте определение ассимиляции.
Что такое генетический код? Сформулируйте основное свойства генетического кода?
Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты?
Где происходит синтез белка? Расскажите, как осуществляется синтез 6eлкa.
Что такое диссимиляция? Охарактеризуйте этапы диссимиляции.
В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?
Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.
Какие типы питания организмов вам известны? Какие организмы называются автотрофными? На какие группы делятся автотрофные организмы?
Охарактеризуйте световую и темновую фазы фотосинтеза.
Почему в результате фотосинтеза у зеленых растений в атмосферу выделяется свободный кислород?
Что такое хемосинтез?
Приведите примеры фотосинтезирующих организмов.
Какие организмы называются гетеротрофными? Приведите примеры.
Раздел 4. Размножение живых организмов
Способность к размножению, или самовоспроизводство, - одна из важнейших характеристик органической природы. Размножение – свойство, присущее всем без исключения живым организмам – от бактерий до млекопитающих. Существование любого вида животных и растений, бактерий и грибов, преемственность между родительскими особями и их потомством поддерживаются только благодаря размножению.
Необходимое условие размножения - наследственность, т.е. способность воспроизводить свойства и признаки родителей.
Известны различные формы размножения, но все они могут быть объединены в два типа: половое и бесполое.
Половым размножением называют смену поколений и развитие организмов на основе специализированных - половых клеток, образующихся в половых железах. В эволюции размножения наиболее прогрессивным оказался способ, благодаря которому новый организм развивается в результате слияния двух половых клеток, образованных разными родителями. Однако у беспозвоночных животных нередко сперматозоиды и яйцеклетки формируются в теле одного организма. Такое явление - обоеполость - называют гермафродитизмом. Цветковые растения также бывают обоеполыми. Известны случаи, когда новый организм, не обязательно появляется в результате слияния половых клеток. У некоторых видов животных и растений наблюдается развитие из неоплодотворенной яйцеклетки. Такое размножение называют девственным, или партеногенетическим.
Бесполое размножение характеризуется тем, что новая особь развивается из неполовых (соматических) клеток.
Вопросы для самопроверки:
Какие способы размножения вам известны? Что такое половое размножение?
У каких организмов встречается бесполое размножение? Какие формы бесполого размножения вам известны? Приведите примеры.
Почему при бесполом размножении потомки генетически сходны между собой и с родительской особью?
Чем половое размножение отличается от бесполого? Укажите отличия мейоза от митоза.
В чем заключается биологический смысл мейоза? Почему зрелые половые клетки одного организма несут разные комбинации генов?
В нем состоят эволюционные преимущества полового размножения перед бесполым?
Биологический синтез белка является очень сложным многоступенчатым процессом. В настоящее время доказано, что биосинтез белка происходит не в ядре, а в цитоплазме. Непосредственного участия в синтезе белка ДНК не принимает. Роль посредника, функцией которого является перевод наследственной информации о химическом составе и структуре белков, хранящийся в ДНК, в полипептидную цепь определенного белка выполняют рибонуклеиновые кислоты (и-РНК, т-РНК). Большое значение в биосинтезе белка имеет информационная РНК. Она выполняет роль матрицы. Количество образующихся на ДНК молекул и-РНК определяется числом генов, контролирующих у определенного организма синтез специфических белков. Каждый белок требует для синтеза свой и-РНК, одна молекула которой «списывает» последовательность нуклеотидов с участка ДНК, равному одному гену, а затем, и-РНК переносит эту информацию на последовательность расположения аминокислот в полипептидной цепи белка. Информационная РНК из ядра проникает в цитоплазму и действует на рибосомах по отношению к белкам, как матрица.
Биосинтез белка начинается с процесса под названием транскрипция (от английского transcription - переписывание, копия). На участке определенного гена молекулы ДНК синтезируется м-РНК. Синтез м-РНК осуществляется с помощью многих ферментов, но главная роль принадлежит РНК-полимеразе, которая прикрепляется к начальной точке молекулы ДНК инициации транскрипции под названием промотор, расплетает двойную спираль и синтезирует м-РНК. Промотор расположен перед геном и у эукариотов включает около 80, а у вирусов и бактерий около 10 нуклеотидов.
РНК-полимераза движется вдоль гена и ведет синтез и-РНК. Синтезированная молекула м-РНК отделяется от ДНК, а участки гена на которых образовалась эта кислота, вновь соединяются. Окончание синтеза м-РНК определяет участок, который получил название - терминатор. Нуклеотиды промотора и терминатора узнают специфические белки, которые регулируют активность РНК-полимеразы.
В настоящее время доказано, что сначала синтезируется предшественни м-РНК так называемая про-м-РНК. Эта кислота имеет большие размеры, чем м-РНК и содержит фрагменты не кодирующие синтез пептидной цепи определенного белка. Связано это с тем, что в ДНК наряду с участками кодирующими р-РНК, т-РНК и полипептиды имеются фрагменты не несущие генетической информации. Эти фрагменты получили название интронов, а кодирующие фрагменты названы экзонами. После образования про-и-РНК, происходит процесс созревания м-РНК, который получил название процессинга. В процессе созревания м-РНК интроны удаляются специальными ферментами, а информативные участки (экзоны) соединяются между собой в строгом порядке с помощью ферментов лигаз. Этот процесс называется сплайсингом (от английского splice - сращивать). Биологическое значение и роль интронов остаются не ясными. Однако, установлено, что при считывании в ДНК только экзонов, зрелая м-РНК не образуется.
Следующим этапом биосинтеза является трансляция, которая происходит в цитоплазме на рибосомах. Суть ее в том, что последовательность расположения нуклеопептидов в м-РНК переводится в строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка. Этот процесс протекает при активном участии т-РНК и состоит из активирования аминокислот и непосредственного синтеза белковой молекулы. Свободные аминокислоты активируются и присоединяются к т-РНК при помощи фермента аминоацил-т-РНК-синтеталы. Активированные аминокислоты т-РНК доставляются на рибосомы. Эти органоиды цитоплазмы состоят из двух субчастиц, одна из которых имеет константу седиментации 30 S, вторая 50 S. Молекула м-РНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к малой субчастице рибосомы. Сигналом к трансляции служит стартовый кодон АУГ. Когда т-РНК доставляет к рибосоме активированную аминокислоту, ее антикодон соединяется с комплементарным кодоном м-РНК. Акцепторный конец т-РНК с соответствующей аминокислотой присоединяется к поверхности большой субъединицы рибосомы. Затем следующая т-РНК доставляет следующую аминокислоту и т. д. Молекула м-РНК работает на нескольких рибосомах, соединенных в полисомы. Начало синтеза полипептидной цепи называется элонгацией. Окончание синтеза полипептидной цепи называется терминацией. Терминация наступает когда на м-РНК появляется один из кодонов-терминаторов УАА, УАТ или УГА.
Смотрите также
Лютеинизирующий и фолликулостимулирующий гормоны. Физиологическая роль и механизмы регуляции
Введение
В последнее время были выявлены новые особенности работы гонадотрофов
передней доли гипофиза, касающиеся различных механизмов продукции и секреции
лютеинизирующего (ЛГ) и фол...
Использование микросателлитного анализа ДНК для изучения популяций кумжи (Salmo Trutta L.) в реках Абхазии
Введение
Кумжа
(Salmo trutta
L.) является ценной
промысловой рыбой. Из-за нерегулируемого промысла, гидростроительства,
загрязнения рек и браконьерства популяции кумжи резко сократи...
Краткая характеристика микрофлоры Арктики
ВВЕДЕНИЕ
Одним
из уникальных мест обитания экстремофильных микроорганизмов, является
арктическая зона с присущей ей многолетней мерзлотой.
Арктические
моря отличаются от остальных...
В чем заключается биологический синтез? Приведите примеры.
Биологический синтез - процесс образования биологических макромолекул, структура которых определяется последовательностью нуклеотидом в молекуле ДНК (синтез белка). Синтез небелковых биополимеров происходит так: вначале синтезируется белок -фермент, а с его помощью образуются молекулы углеводов, липидов, гормонов и витаминов.
Дайте определение ассимиляции.
Ассимиляция (анаболизм или пластический обмен) - совокупность реакций биологического синтеза, в ходе которых из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки.
Что такое генетический код?
Генетический код - единая система записи наследственной информации в молекулах ДНЕ и РНК в виде последовательности нуклеотидов в них. Несет информацию о порядке аминокислот в полипептидной цепи.
Сформулируйте основные свойства генетического кода.
1. Специфичность. Один и тот же триплет всегда соответствует только одной аминокислоте.
2. Избыточность. Существует 64 возможные комбинации четырех азотистых оснований (по 3 в триплете), а кодируют они 20 аминокислот. В результате некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами, что повышает надежность передачи наследственной информации.
З. Универсальность. Генетический код универсален для всех живых организмов. Например, он одинаков у кишечной палочки и человека.
4. Неперекрываемость. Триплеты, кодирующие аминокислоты, никогда не перекрываются, а считываются и передаются всегда целиком. Невозможно использование азотистого основания одного триплета в комбинации с азотистыми основаниями другого триплета.
Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты?
Информация о структуре всех видов РНК заключена в последовательности нуклеотидов ДНК и реализуется в один этап путем комплементарного синтеза молекулы РНК на одной из цепей молекул ДНК, т. е. в результате транскрипции.
Где происходит синтез белка?
Непосредственнаясборка белковой молекулы происходит в цитоплазме, на рибосомах.
Расскажите, как осуществляется синтез белка.
Процесс синтеза белка реализуется в два этапа:
Первый этап – транскрипция - перевод информации из последовательности триплетов ДНК в последовательность триплетов РНК. Осуществляется путем комплементарного синтеза информационной РНК на одной из цепей молекулы ДНК.
Второй этап - трансляция - передача информации из последовательности триплетов информационной РНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи. Осуществляется путем подборки антикодонов транспортной РНК к кодонам (триплетам) информационной РНК по принципу комплементарности. Если антикодон транспортной РНК комплементарен кодону информационной РНК, то между ними происходит соединение, и аминокислота включается в полипептидную цепь. Этот процесс идет в цитоплазме, на рибосомах, которые как бы нанизаны на один из концов информационной РНК и передвигаются по ней триплет за триплетом.
Что такое диссимиляция? Охарактеризуйте этапы диссимиляции.
Диссимиляция (катаболизм, энергетический обмен) - процесс, обратный реакциям ассимиляции. Сложные биополимеры распадаются, образуя простые вещества. При этом выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.
Выделяют три этапа энергетического обмена.
1. Подготовительный. На этом этапе молекулы полисахаридов, белков, жиров распадаются на более мелкие молекулы глюкозу, аминокислоты, жирные кислоты, глицерин. Вся выделяющаяся энергия рассеивается в виде тепла.
2. Бескислородный (анаэробное дыхание, или гликолиз). Этот этап неполного окисления также называют брожением. При анаэробном окислении 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. В АТФ запасается 40% выделяющейся энергии, остальное рассеивается в виде тепла.
3. Кислородное расщепление (аэробное дыхание). На этом этапе органические соединения окисляются до конечных продуктов СО2 и Н20. Кислородное расщепление сопровождается выделением большого количества энергии и запасанием 60% ее в 36 молекулах АТФ.
В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?
Энергия, высвобождаемая ври окислении питательных веществ в клетке, запасается в фосфатных связях молекулы АТФ. АТФ обеспечивает энергией все клеточные функции - биосинтез, деление клетки, мышечное сокращение, перенос вещёств через мембрану, поддержание мембранного потенциала и проведение нервного импульса.
Молекула АТФ состоит из азотистого основании аденина, сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.
Расскажите об энергетическом о6мене в клетке на примере расщепления глюкозы.
1. Подготовительный этап. Распад гликогена или крахмала на молекулы глюкозы:
(C6H10O5)n + nH2O > C6H12O6
2. Анаэробное окисление. Из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пировиноградной кислоты, 2 молекулы АТФ и 2 молекулы воды. Молекулы пировиноградной кислоты впоследствии восстанавливаются в молочную кислоту:
C 6H 12O 6 + 2H 3PO 4 + 2АДФ > 2C 3H 6O 3 +2АТФ +2H 2O
3. Кислородное окисление. Образовавшиеся молекулы молочной кислоты и присутствии кислорода окисляются до углекислого газа и воды с образованием 36 молекул АТФ:
2СЗНб03 + 60236АДФ + 36НЗРО.1 -
Э 6С02 + 42Н20 +36АТФ.
Какие типы питания организмов вам известны?
По типу питания все организмы делятся па автотрофных и гетеротрофных.
Какие организмы называются автотрофными?
Автотрофы - организмы, живущие за счет неорганического источника углерода - углекислого газа, использующие для осуществления процессов синтеза энергию солнечного светя - фототрофы или энергию химических связей - хемотрофы.
Охарактеризуйте световую и темновую фазы фотосинтеза.
Фотосинтез - процесс образования органических соединений из неорганических за счет энергии солнечного света. Выделяют световую и темновую фазы фотосинтеза.
Световая фаза фотосинтеза. Происходит поглощение квантов смета хлорофиллами и фотолиз (разложение) воды. В результате образуются молекулы АТФ, атомарный водород Н", которые используются далее в темновой фазе для синтеза глюкозы, и молекулярный кислород (как побочный продукт), выделяемый в окружающую среду.
Темновая фаза фотосинтеза. Происходит образование глюкозы из углекислого газа, поглощаемого извне, водорода Н , полученного в ходе световой фазы, с затратой энергии АТФ, синтезированной также в световую фазу.
Почему в результате фотосинтеза у зеленых растений в атмосферу выделяется свободный кислород?
В ходе реакций световой фазы фотосинтеза под действием квантов светя и при взаимодействии с хлорофиллом происходит разложение (фотолиз) волы на атомарный водород и свободные радикалы Он". Последние взаимодействуют между собой, образуя свободный кислород и воду.
Так как кислород не включается в дальнейший каскад реакций фотосинтеза, он выделяется во внешнюю среду.
Что такое хемосинтез?
Хемосинтез - процесс синтеза органических соединений с использованием углерода из углекислого газа за счет энергии химических связей неорганических веществ.
Какие организмы называются гетеротрофными? Приведите примеры.
Гетеротрофы – организмы, использующие органический источник углерода. К ним относятся все животные, грибы, большинство растений.
(Теги: молекулы, синтеза, фотосинтеза, происходит, кислоты, процесс, синтез, организмы, энергии, кислород, углекислого, результате, последовательности, Кислородное, световую, аминокислоты, Какие, путем, осуществляется, триплетов, углерода, образуются, энергия, клетке, аминокислот, комплементарного, нуклеотидов, использующие, организмов, солнечного, темновую, реализуется, органических, связей, квантов, разложение, анаэробное, тепла, Приведите, цитоплазме, Расскажите, обмен, также, транспортной, фотолиз, световой, свободный, вещества, рассеивается, C6H12O6, окисляются, азотистого, последовательность, атомарный, всегда, энергию, триплет, комбинации, расщепление, образования, наследственной, полипептидной, неорганических, диссимиляция, распадаются, этапе, этапа, светя, триплета, между, запасается, включается, извне, пировиноградной, окислении, заключается, называются, водород, среду, питания, дыхание, клетки, окисление, соединений, образуется, химических, хемосинтез, Охарактеризуйте, растений, записи, Например, человека, поступающих, небелковых, Неперекрываемость, генетического, единая, углеводов, передачи, Несет)
ДНК – носитель всей генетической информации в клетке – непосредственного участия в синтезе белка (реализации этой наследственной информации) не принимают. В клетках животных и растений молекулы ДНК отделены ядерной мембраной от цитоплазмы, где происходит синтез белков. К рибосомам - местам сборки белков - высылается из ядра посредник, который несет скопированную информацию и способен пройти через поры ядерной мембраны. Таким посредником является информационная РНК, которая участвует в матричных реакциях.
Матричные реакции - это реакции синтеза новых соединений на основе «старых» макромолекул, выполняющих роль матрицы, т. е. формы, образца для копирования новых молекул. Матричными реакциями реализации наследственной информации, в которых принимают участие ДНК и РНК являются:
1. Репликация ДНК – удвоение молекул ДНК, благодаря которым передача генетической информации осуществляется от поколения к поколению. Матрицей является материнская ДНК.
2. Транскрипция (лат. transcription – переписывание) – это синтез молекул РНК по принципу комплементарности на матрице одной из цепей ДНК. Происходит в ядре под действием фермента ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Информационная РНК – это одноцепочная молекула, и копирование гена идет с одной нити двуцепочной молекулы ДНК. Язык триплетов ДНК переводится на язык кодонов и-РНК. В результате транскрипции разных генов синтезируются все виды РНК. Затем и-РНК, т-РНК, р-РНК через поры в ядерной оболочке выходят в цитоплазму клетки для выполнения своих функций.
3. Трансляция (лат. translatio – передача, перевод) – это синтез полипетдиных цепей белков на матрице зрелой и-РНК, осуществляемый рибосомами. В этом процессе выделяют несколько этапов:
Этап первый – инициация (начало синтеза). В цитоплазме на один из концов и-РНК (именно на тот, с которого начинался синтез молекулы в ядре) вступает рибосома и начинает синтез полипептида. Молекула т-РНК, транспортирующая аминокислоту глутамин (т-РНК ГЛН), соединяется с рибосомой и прикрепляется к началу цепи и-РНК (кодом УАГ). Рядом с первой т-РНК (не имеющей никакого отношения к синтезирующему белку) присоединяется вторая т-РНК с аминокислотой. Если антикодон т-РНК, то между аминокислотами возникает пептидная связь, которую образует определенный фермент. После этого т-РНК покидает рибосому (уходит в цитоплазму за новой аминокислотой), а и-РНК перемещается на один кодон.
Второй этап – элонгация (удлинения цепи). Рибосома перемещается по молекуле и-РНК не плавно, а прерывисто, триплет за триплетом. Третья т-РНК с аминокислотой связывается своим антикодоном с кодоном и-РНК. При установлении комплиментарности связи рибосома делает еще шаг на один «кодон», а специфический фермент «сшивает» пептидной связью вторую и третью аминокислоту - образуется пептидная цепь. Аминокислоты в растущей полипептидной цепи соединяются в той последовательности, в которой расположены шифрующие их кодоны и-РНК (рис. 14).
Третий этап – терминация (окончание синтеза) цепи. Происходит при трансляции рибосомой одного из трех «нонсенс-кодонов» (УАА, УАГ, УГА). Рибосомы соскакивают с и-РНК, синтез белка завершен.
Таким образом, зная порядок расположения аминокислот в молекуле белка, можно определить порядок нуклеотидов (триплетов) в цепи и-РНК, а по ней – порядок пар нуклеотидов в участке ДНК и наоборот, учитывая принцип комплиментарности нуклеотидов.
Но в процессе матричных реакций могут происходить изменения – мутации. Это генные мутации на молекулярном уровне - результат различных повреждений в молекулах ДНК – затрагивают один или несколько нуклеотидов. Все формы генных мутаций можно разделить на две большие группы.
Первая группа - сдвиг рамки считывания – представляет собой вставки или выпадения одной или нескольких дар нуклеотидов. В зависимости от места нарушения изменяется то или иное количество кодонов. Это наиболее тяжелые повреждения генов, так как в белок будут включены совершенно другие аминокислоты. На такие делеции и вставки приходится 80% всех спонтанных генных мутаций.
Наибольшим повреждающим действием обладают нонсенс – мутации, которые связаны с появлением кодонов-терминаторов, вызывающих остановку синтеза белка. Это может привести к преждевременному окончанию синтеза белка, который быстро деградирует. Результат – гибель клетки или изменение характера индивидуального развития.
Мутации, связанные с заменой, выпадением или вставкой в кодирующей части гена фенотипически проявляются в виде замены аминокислот в белке. В зависимости от природы аминокислот и функциональной значимости нарушенного участка, наблюдается полная или частичная потеря функциональной активности белка. Это выражается в снижении жизнеспособности, изменении признаков организмов и т.д.
Вторая группа – это генные мутации с заменой пар оснований нуклеотидов. Существуют два типа замены оснований:
1. Транзиция – замена одного пуринового на другое пуриновое основание (А на Г или Г на А) или одного пиримидинового на другое пиримидиновое (Ц на Т или Т на Ц).
2. Трансверсия– замена одного пуринового основания на пиримидиновое или наоборот (А на Ц, или Г на Т, или А на У). Примером трансверсии является серповидно-клеточная анемия, возникающая из-за наследственного нарушения структуры гемоглобина. У мутантного гена, кодирующего одну из цепей гемоглобина, нарушен всего один нуклеотид, и в и-РНК происходит замена аденина на урацил (ГААна ГУА). В результате происходит изменение биохимического фенотипа, в β-цепи гемоглобина глутаминовая кислота заменена на валин. Эта замена изменяет поверхность гемоглобиновой молекулы: вместо двояковогнутого диска клетки эритроцитов становятся похожи на серпы и либо закупоривают мелкие сосуды, либо быстро удаляются из кровообращения, что быстро приводит к анемии.
Таким образом, значимость генных мутаций для жизнедеятельности организма неодинакова:
· некоторые «молчащие мутации» не оказывают влияния на структуру и функцию белка (например, замена нуклеотида, не приводящая к замене аминокислот);
· некоторые мутации ведут к полной потере функции белка и гибели клеток (например, нонсенс-мутации);
· другие мутации - при качественном изменении и-РНК и аминокислот ведут к изменению признаков организма;
· некоторые мутации, изменяющие свойства белковых молекул, оказывают повреждающее действие на жизнедеятельность клеток – такие мутации обусловливают тяжелое течение болезней (например, трансверсии).
Реакции синтеза органических веществ идут в клетке одновременно с процессами расщепления. Сложные специфические биополимеры (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты) синтезируются из простых веществ, образовавшихся в результате процессов диссимиляции.
Синтезируемые органические вещества используются для построения различных органоидов клетки, ферментов, секретов и запасных веществ, взамен израсходованных. Все эти процессы идут с поглощением энергии. Синтез веществ, идущий в клетке, называют биосинтезом или пластическим обменом.
На этом этапе на ряде промежуточных звеньев суммарно выделяется 2600 кДж энергии.
На образование 36 макроэргических связей при превращении АДФ в АТФ затрачивается 1440 кДж, или 54% освобождаемой энергии, которая переходит в потенциальную энергию АТФ. Следовательно, при кислородном расщеплении образуется в 13 раз больше энергии, чем при бескислородном, а клеткой в форме АТФ ее сберегается в 18 раз больше.
Суммарное уравнение полного расщепления глюкозы на двух этапах можно записать так:
По способу получения органических соединений все клетки делятся на автотрофные и гетеротрофные (см. раздел «Ботаника»).
Образовавшаяся при этом АТФ по каналам эндоплазматической сети направляется в другие участки клетки, где возникает в ней потребность. Таким образом, из образовавшейся энергии при расщеплении глюкозы для клетки суммарно сохраняется 80 кДж + 1440 кДж = 1520 кДж, или 55% энергии, которая переходит в потенциальную энергию и в дальнейшем используется клеткой. Поэтому реакция расщепления называется энергетическим обменом.
Фотосинтез (цв. табл. I) - это уникальный процесс образования органических соединений из неорганических веществ с использованием энергии света. Впервые процесс фотосинтеза и роль в нем хлорофилла растений описал выдающийся русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев (1843-1920). Фотосинтез - это сложный многоступенчатый процесс, протекающий в две фазы - световую и темновую.
Световая фаза начинается с освещения хлоропласта видимым светом. Под действием квантов света некоторые из подвижных электронов молекул хлорофилла переходят на более высокий энергетический уровень и приобретают потенциальную энергию. Часть таких «возбужденных» электронов возвращается на прежнее место, а выделяющаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. Другая их часть при участии переносчиков выступает в роли восстановителей и присоединяется к ионам водорода, постоянно образующимся в клетках при диссоциации молекул воды (Н 2 O =Н + +ОН —). Ионы водорода, присоединив электрон, превращаются в атомы водорода (Н + +е — = Н) и соединяются с молекулами веществ-переносчиков.
Ионы ОН — , оставшиеся без противоионов водорода, отдают свои электроны другим ионам и превращаются в радикалы ОН (ОН =е — +ОН). Взаимодействуя между собой, они образуют воду и молекулярный кислород (40Н= 2Н 2 O+O 2).
Процесс образования молекулярного кислорода при разложении воды под влиянием энергии света называется фотолизом воды. Его впервые изучил и описал советский ученый Александр Павлович Виноградов (1895 -1975), используя метод меченых атомов. По своему механизму фотолиз воды сходен с электролизом воды.
Кроме того, в световую фазу некоторые из «возбужденных» электронов хлорофилла и электронов, отделившихся от ионов ОН — , участвуют в образовании макроэргической фосфатной связи при синтезе АТФ из АДФ и неорганического фосфата (ф) (АДФ + Ф = АТФ).
Таким образом, в световую фазу фотосинтеза в результате поглощения хлорофиллом световой энергии за счет «возбужденных» электронов происходит фотолиз воды с выделением кислорода и синтез АТФ.
Темновая фаза фотосинтеза состоит из ряда последовательных ферментативных реакций по связыванию СO 2 , в результате которых образуется глюкоза, служащая исходным материалом для биосинтеза других органических веществ растения. Этот процесс идет за счет энергии АТФ при участии атомов водорода, образовавшихся в световую фазу (6СO 2 +24Н=С 6 Н 12 O 6 +6Н 2 O).
Суммарное уравнение фотосинтеза следующее:
6СO 2 +6Н 2 O = С 6 Н 12 O 6 + 6O 2
Мембранная структура хлоропласта осуществляет при этом разграничение реакционноспособных веществ.
Продуктивность фотосинтеза - 1 г органического вещества на 1 м 2 листьев в 1 ч. Ежегодно в результате фотосинтеза образуется около 400 млрд. т органического вещества. Годовая потребность одного человека в кислороде обеспечивается функционированием 10-12 деревьев среднего возраста в течение вегетации. Установлено, что продуктивность фотосинтеза возрастает с повышением, до определенного уровня, интенсивности освещения, содержания СO 2 , температуры и влажности окружающего воздуха. Эти закономерности широко используют при выращивании растений в защищенном грунте.
Хемосинтез был открыт в 1888 г. русским биологом С. Н. Виноградским, доказавшим способность некоторых бактерий ассимилировать углекислоту за счет химической энергии. Существует несколько групп хемосинтезирующих бактерий, из которых наибольшее значение имеют нитрофицирующие, серобактерии и железобактерии. Например, нитрофицирующие бактерии получают энергию для синтеза органических веществ, окисляя аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты; серобактерии - окисляя сероводород до сульфатов, а железобактерии - превращая закисные соли железа в окисные. Освобожденная энергия аккумулируется в клетках хемосинтезирующих бактерий в форме АТФ. Процесс хемосинтеза, при котором из СO 2 образуется органическое вещество, протекает аналогично темновой фазе фотосинтеза.
Благодаря жизнедеятельности бактерий - хемосинтетиков в природе накапливаются большие залежи селитры и болотной руды.
Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки, идущие на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.
Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, состоящий из нескольких сот нуклеотидов, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Одна макромолекула ДНК содержит несколько сот генов. В молекуле записан код о последовательности аминокислот в белке в виде Определенно сочетающихся нуклеотидов. Сущность кода ДНК состоит в том, что каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов - триплетов . Например, А - - Ц - А соответствует аминокислоте цистеину, А - А - Ц - лейцину, Т - Т - Т - лизину и т. д. Разных аминокислот 20, число возможных сочетаний из 4 нуклеотидов по 3 равно 64. Следовательно, триплетов с избытком хватит для всех аминокислот.
Биосинтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.
Суть реакций матричного синтеза состоит в том, что новые молекулы белка синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре существующих молекул ДНК. В этих реакциях обеспечивается точная специфическая последовательность мономеров в синтезируемых полимерах.
В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в различных частях клетки.
Синтез и-РНК (происходит в ядре). Информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптис» - переписывание).
При этом против каждого нуклеотида одной из цепей ДНК встает комплементарный ему нуклеотид и-РНК. Молекулы и-РНК индивидуальны, каждая из них несет информацию одного гена.
Соединение аминокислот с молекулами т-РНК (происходит в цитоплазме). Молекулы т-РНК состоят из 70-80 нуклеотидов. В цепочке т-РНК имеется ряд нуклеотидных звеньев, комплементарных друг другу. При сближении они слипаются, образуя структуру, напоминающую лист клевера (61). К «черешку» листа присоединяется определенная аминокислота, а на «верхушке» листа расположен кодовый триплет нуклеотидов, соответствующий определенной аминокислоте. Для каждой из 20 аминокислот существует своя т-РНК.
«Сборка белка» (происходит в рибосомах). К рибосомам направляются из ядра и-РНК. При этом на одной молекуле и-РНК одновременно располагаются несколько рибосом, образующих комплекс, называемый полирибосомой. Это обеспечивает одновременный синтез большого количества одинаковых молекул белка.
Из цитоплазмы т-РНК с «навешенными» на них аминокислотами подходят к рибосомам и своим кодовым концом дотрагиваются до триплета нуклеотидов и-РНК, проходящего в данный момент через рибосому. В это время противоположный конец т-РНК с аминокислотой попадает в место «сборки» белка и, если кодовый триплет т-РНК окажется комплементарным триплету и-РНК, находящемуся в данный момент в рибосоме, аминокислота отделяется от т-РНК и попадает в состав белка, а рибосома делает «шаг» на один триплет по и-РНК (триплеты и-РНК, соответствующие каждой из 20 аминокислот, см. в приложении).
Отдав аминокислоту, т-РНК покидает рибосому, ей на смену приходит другая, с иной аминокислотой, составляющей следующее звено в строящейся белковой молекуле (62). Так звено за звеном собирается полипептидная цепь белка, а информация о структуре белка, записанная в и-РНК в виде последовательности нуклеотидов, воспроизводится на полипептидной цепи белка в виде последовательности аминокислот. Этот процесс называется трансляцией (от лат. «трансляция» - перенос) (см. приложение, задачу 2 и таблицу). Когда синтез молекулы белка закончен, рибосома сходит с и-РНК. Образовавшийся белок поступает в эндоплазматическую сеть и по ее каналам в другие части клетки, а рибосома поступает на другую и-РНК и участвует в синтезе другого белка. Все реакции белкового синтеза катализируются специальными ферментами, а энергию доставляет АТФ.
