Занятие 4

 

Тема: Организация потока энергии и информации в клетке.

 

Цель:Изучить важнейшее свойство живого – обмен веществ и энергии, которое проявляется на разных уровнях организации.

 

Задание для самоподготовки

Ассимиляция и диссимиляция в живой клетке, их взаимосвязь, биологическое значение. Продукты ассимиляции и диссимиляции.

Типы ассимиляции (автотрофная, гетеротрофная, миксотрофная)

Фотосинтез. Организмы, способные к фотосинтезу.

Хемосинтез. Сходство и отличие фото- и хемосинтеза.

Строение, функции и образование АТФ.

Типы диссимиляции (аэробный и анаэробный). Дыхание и брожение. Отличие дыхания от брожения.

Характеристика основных этапов энергетического обмена (подготовительный, гликолиз, гидролиз).

Особенности строения ДНК и РНК. Типы РНК. Кодон, антикодон. Определение, строение, расположение в биомолекулах.

Местоположение исходной информации для биосинтеза белка. Условия, необходимые для биосинтеза белка.

Начало синтеза белка: транскрипция, процессинг, роль РНК-полимеразы в транскрипции. Промотор и терминатор транскрипции.

Трансляция, ее осуществление.

Формирование первичной, вторичной, третичной и четвертичной структуры белка. Органоиды, в которых осуществляется этот процесс.

Заполнить таблицы 7, 8, 9, 10, 11 (см. Приложение 2).

 

Обмен веществ и превращение энергии в клетке (метаболизм) – важнейшее свойство живого. Он представляет собой совокупность химических реакций, протекающих в клетках с поглощением или выделением энергии.

Ассимиляция (анаболизм) – совокупность всех процессов синтеза сложных органических веществ, сопровождающимся поглощением энергии (эндотермический процесс). Это пластический обмен: образуются различные вещества.

Диссимиляция (катаболизм) – совокупность реакций расщепления; переход веществ, богатых энергией, в простые, менее энергетически богатые (экзотермический процесс). Это энергетический обмен: образуются различные виды энергии.

Ассимиляция и диссимиляция являются противоположными сторонами одного процесса – обмена веществ. Реакции ассимиляции нуждаются в энергии, которая поступает из реакций диссимиляции; а для осуществления реакций диссимиляции необходим постоянный синтез белков-ферментов, которые образуются в реакциях ассимиляции.

Совокупность реакций ассимиляции и диссимиляции лежит в основе жизнедеятельности организмов и обусловливает связь организма с окружающей средой.

По характеру ассимиляции различают автотрофные, гетеротрофные и миксотрофные организмы. Автотрофные – это организмы, которые сами синтезируют органические вещества из неорганических. Они могут использовать разные источники энергии (энергия солнечного света или химических процессов) для производства углеводов, жиров, белков, необходимых для поддержания жизнедеятельности. Это все организмы, содержащие хлорофилл (сине-зеленые водоросли, бурые водоросли, высшие растения), и некоторые бактерии.

Гетеротрофы используют готовые органические соединения в качестве пищи с последующей ее механической и химической переработкой. Гетеротрофами являются все животные, грибы. Миксотрофы – организмы, способные как к синтезу органических веществ, так и использованию их в готовом виде (эвглена зеленая).

Фотосинтез – синтез органических соединений в зеленых растениях из воды и двуокиси углерода с использованием солнечной энергии, поглощаемой хлорофиллом. В гранах (тилакоидах) протекают реакции, вызываемые светом (световые), а в строме – реакции, не связанные со светом (темновые или реакции фиксации углерода).

Световая фаза фотосинтеза. Протекает в тилакоидах хлоропластов при участии солнечного света и молекул хлорофилла. При поглощении кванта света молекулой хлорофилла один электрон переходит в возбужденное состояние и поднимается на более высокий энергетический уровень. Одновременно с этим происходит фотолиз воды с образованием ионов Н⁺ и ОН^–.

Возбужденный электрон присоединяется к иону Н⁺, восстанавливая его до атома Н. Далее два образовавшихся атома Н соединяются с никотинамиддинуклеотидфосфатом (НАДФ) и восстанавливают его до НАДФ·Н₂. Электроны от гидроксид-ионов возвращаются в молекулу хлорофилла на место возбужденных, а сами гидроксид-ионы превращаются в свободные радикалы и, взаимодействуя друг с другом, образуют воду и свободный кислород.

В процессе переходов протоны скапливаются на внутренней стороне мембраны граны хлоропласта, а электроны на наружной поверхности, создавая, таким образом, разность потенциалов. Когда разность потенциалов достигает критического уровня, протоны проходят по специальным каналам мембран, в которых находятся ферменты, синтезирующие АТФ.

Таким образом, в световую фазу происходят следующие процессы: фотолиз воды с выделением кислорода, восстановление НАДФ, синтез АТФ.

Темновая фаза фотосинтеза не зависит от света и протекает в строме хлоропластов, как на свету, так и в темноте. Энергия, накопленная в световую фазу, используется для синтеза моносахаридов из диоксида углерода (поступает из воздуха через устьица) и водорода (отщепляется от НАДФ·Н₂) путем сложных ферментативных реакций в цикле Кальвина:

 

6 СО₂ + 24 Н⁺ → С₆Н₁₂О₆ + 6 Н₂О

Хемосинтез – синтез органических соединений из неорганических с использованием энергии химических процессов (окислительно-восстановительных реакций). В отличие от фотосинтезирующих автотрофов, использующих световую энергию, хемосинтезирующие автотрофы используют энергию окислительно-восстановительных реакций. К хемоавтотрофам относятся некоторые бактерии (нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии).

 

По характеру диссимиляции различают аэробные и анаэробные организмы. Аэробы – это организмы, использующие для процесса окисления (дыхания) свободный кислород. Дыхание – совокупность процессов, обеспечивающих газообмен между организмами и внешней средой (внешнее дыхание) и окислительные процессы в клетках с выделением энергии (внутреннее или клеточное дыхание). Энергия, выделяющаяся в результате окисления органических веществ, обеспечивает разнообразные процессы жизнедеятельности. Анаэробы – организмы, осуществляющие окисление веществ без присутствия кислорода. Это могут быть различные типы брожения: спиртовое (конечный продукт – этиловый спирт), молочнокислое (конечный продукт – молочная кислота), пропионовокислое (конечный продукт – пропионовая кислота).

Углеводы, жиры, белки подвергаются расщеплению, а затем окислению. Выделяющаяся энергия фиксируется в виде макроэргических связей в молекулах АТФ, которые являются переносчиками энергии от одного процесса к другому. Синтез АТФ происходит в митохондриях в процессе окислительного фосфорелирования (образование АТФ из АДФ с участием фосфата) в результате цикла Кребса. АТФ представляет собой нуклеотид, состоящий из остатков аденина, рибозы и трифосфата.

Этапы энергетического обмена:

1. Подготовительный этап. Он заключается в распаде белков, жиров, углеводов на мономеры. У человека это происходит в желудочно-кишечном тракте под действием пищеварительных ферментов. При этом выделяется только тепловая энергия. Белки расщепляются до аминокислот, липиды – до глицерина и жирных кислот, крахмал – до глюкозы.

2. Гликолиз (бескислородный этап) осуществляется в цитоплазме клетки. Идет с участием различных ферментов. Происходит анаэробное расщепление 1 молекулы глюкозы на 2 молекулы пировиноградной кислоты. При этом образуются 2 молекулы АТФ, что составляет 35% энергии 1 молекулы глюкозы.

В анаэробных условиях глюкоза расщепляется на 2 молекулы молочной кислоты, или этилового спирта, или пропионовой кислоты. Этот процесс называется брожением.

3. Гидролиз (кислородный этап) осуществляется в митохондриях, связан с матриксом и внутренней мембраной митохондрий. Происходит конечное окисление пировиноградной кислоты с участием различных ферментов до углекислого газа и воды с регенерацией всей оставшейся энергии в цикле Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты). При этом образуются 36 молекул АТФ.

 

Главенствующая роль в хранении и потоке информации принадлежит нуклеиновым кислотам. В каждый нуклеотид входит молекула фосфорной кислоты, пентоза и одно из четырех азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т) или урацил (У). Цепь чередующихся нуклеотидов, соединенных фосфодиэфирными связями, образует первичную структуру нуклеиновых кислот.

ДНК является биополимером, состоит из двух цепей нуклеотидов, в состав которых кроме молекулы фосфорной кислоты, входит дезоксирибоза и азотистые основания: А, Т, Г, Ц. ДНК может иметь вторичную и третичную структуры. Вторичная структура ДНК – двойная спираль: две цепи комплементарны, антипараллельны, закручены в правую спираль, азотистые основания внутри соединены водородными связями, снаружи – фосфатно-сахарная лента.

РНК состоит из одной цепи нуклеотидов, в состав которых входит рибоза и азотистые основания: А, Г, Ц, У. РНК не способна к редупликации. Существует несколько типов РНК:

матричная (м-РНК) или информационная (и-РНК) РНК – метаболически нестабильная копия гена или группы генов, она имеет вторичную (короткая спираль) и третичную структуры (образует комплексы с белками – информасома);

рибосомная РНК (р-РНК) – образует рибосому, она имеет вторичную (короткая спираль, образованная 1 цепью, принцип комплементарности не соблюдается) и третичную структуру (образует комплексы с белками – домены, которые образуют субъединицы рибосомы);

транспортная РНК (т-РНК) – переносит аминокислоты к рибосоме, имеет вторичную структуру в виде трилистника; антикодон – участок молекулы т-РНК, состоящий из трех нуклеотидов и «узнающий» соответствующий ему участок из трех нуклеотидов в молекуле м-РНК, с которым взаимодействует комплементарно.

Транскрипция – процесс копирования генетической информации с ДНК с образованием РНК. Осуществляется с помощью фермента – РНК-полимеразы, который копирует одну из цепей ДНК и действует по принципу комплементарности.

Начальный участок ДНК, с которого начинается транскрипция, называется промотор. К нему присоединяются белки, облегчающие начало транскрипции, и фермент транскрипции РНК-полимераза. Оператор – участок ДНК, связывающий белки-регуляторы транскрипции. К оператору примыкают структурные гены, содержащие перемежающиеся участки интронов и экзонов. Отдельные участки генов несут разную функцию. Одна группа участков относится к информативным, а другая – к неинформативным. К информативным относятся структурные гены, несущие информацию о структуре полипептидной цепи или нематричных РНК (р-РНК, т-РНК); неинформативные выполняют другие функции и не содержат генетической информации. Но и во многих структурных генах, особенно эукариотов, генетическая информация записана с перерывами. Участки в структурных генах, несущие информацию, называются экзонами, а неинформативные – интронами. В конце транскриптона имеется последовательность нуклеотидов – терминатор, которая является своего рода сигналом об окончании транскрипции.

Процесс транскрипции можно разбить на три фазы:

1. Инициация: фермент РНК-полимераза присоединяется к промотору, расплетает спираль ДНК на 1 виток и начинает синтезировать короткие фрагменты РНК, которые отщепляются: идет абортивная транскрипция. После достижения определенной массы РНК-продукта, начинается продуктивная транскрипция.

2. Элонгация: РНК-полимераза скользит вдоль матрицы ДНК и читает только одну цепь. Каждый следующий нуклеотид спаривается с комплементарным основанием в ДНК-матрице, а РНК-полимераза "скрепляет" его с растущей цепью РНК фосфодиэфирными связями. Для движения РНК-полимеразы необходима энергия АТФ.

Терминация: РНК-полимераза достигает нуклеотидных последовательностей терминатора ДНК, являющихся стоп-сигналами. После окончания транскрипции синтезированная РНК отделяется от ДНК. На этом этапе РНК представляет собой точную копию ДНК и называется проинформационная РНК (про-и-РНК).

В ядре про-и-РНК проходит стадию созревания, или процессинга. Процессинг включает в себя три операции:

Вырезание неактивных участков (интронов) и сращивание информативных участков (экзонов) РНК – сплайсинг.

Модификация концевых участков про-и-РНК с образованием и-РНК.

При транскрипции генетический текст ДНК переписывается в последовательность нуклеотидов и-РНК.

Трансляция – синтез белка, перевод генетической информации с кода ДНК и и-РНК в последовательность аминокислот. В биосинтезе белка участвуют 20 аминокислот. Каждая аминокислота кодируется 3 нуклеотидами – триплет или кодон.

Процесс трансляции делят на 4 этапа:

1. Активирование аминокислот: образуется комплекс аминокислоты и т-РНК (аминоацил-т-РНК).

2. Инициация: связывание м-РНК с малой субъединицей рибосомы и связывание большой субъединицы рибосомы с инициальным комплексом аминоацил-т-РНК; антикодон т-РНК комплементарен инициальному кодону м-РНК, в большой субъединице рибосомы имеются 2 активных участка (аминоацильный и пептидильный).

3. Элонгация: рост полипептидной цепи

поступление активированной аминокислоты в рибосому (в аминоацильный участок): идет процесс узнавания до полной комплементарности, при соответствии комплекс аминокислота-т-РНК запирается в рибосоме;

образуется пептидная связь (инициальная аминокислота присоединяется к другой аминокислоте);

транслокация: ферменты катализируют передвижение пептидил-т-РНК из аминоацильного участка в пептидильный участок, вытесняя освободившуюся т-РНК, при этом пептидил-т-РНК тянет за собой м-РНК; образовался дипептид, дальше читается следующий триплет и стадии элонгации повторяются до терминальных триплетов.

4. Терминация: при достижении терминальных триплетов ферменты узнают их и отщепляют полипептид от т-РНК в среду, при этом т-РНК освобождается из рибосомы и тоже выходит в среду.

 

Белковые молекулы имеют различную структуру. Выделяют первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Первичная структура белка – полипептидная цепь с ковалентными связями. Также могут образовываться дисульфидные мостики: их образуют две рядом располагающиеся серосодержащие аминокислоты. Вторичная структура белка – α-спирали (1 виток – 3,6 аминокислоты) и β-структуры (имеют вид зигзага, образуются в местах с повышенной концентрацией серосодержащих аминокислот) характеризуются образованием водородных связей. Третичная структура белка – упаковка белка в трехмерном пространстве. Большинство белков имеют глобулярную структуру (глобула – комочек), ряд белков – фибриллярную (фибрилла – нить), и множество белков имеют промежуточные формы. Четвертичная структура характерна только для олигомерных (содержат до 50 аминокислот) белков, которые состоят из нескольких субъединиц (дыхательные ферменты). Но любую структуру белка определяет его аминокислотная последовательность.