Пластический обмен. Фотосинтез

Фотосинтез - синтез органических соединений из неорганичес­ких за счет энергии света. Суммарное уравнение фотосинтеза:

_hv

6 С0₂ + 6 Н₂0 → С₆H₁₂O₆ + 6 О₂,

Фотосинтез протекает при участии фотосинтезирующих пигментов, обладающих уникальным свойством преобразования энергии солнечного света в энергию химической связи в виде АТФ. Наиболее важным является пигмент хлорофилл.

Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой.

1. Световая фаза фотосинтеза протекает только на свету в мембране тилакоидов граны. К ней относятся: поглощение хлорофиллом квантов света, фотолиз воды и образование молекулы АТФ.

Во время световой фазы фотосинтеза происходят три процесса: образование кислорода вследствие разложения воды, синтез АТФ и образование атомов водорода в форме НАДФ∙Н₂. Кислород диффундирует в атмосферу, а АТФ и НАДФ∙Н₂ участвуют в процессах темновой фазы.

Тем новая фаза фотосинтеза протекает в матриксе хлоропласта как на свету, так и в темноте и представляет собой ряд последовательных преобразований СО₂, поступающего из воздуха, в цикле Кальвина. Осуществляются реакции темновой фазы за счет энергии АТФ. В цикле Кальвина СО₂ связывается с водородом из НАДФ∙Н₂ с образованием глюкозы.

В процессе фотосинтеза кроме моносахаридов (глюкоза и др.) синтезируются мономеры других органических соединений - аминокислоты, глицерин и жирные кислоты.

Хемосинтез. Хемосинтез (хемоавтотрофия) - процесс синтеза органических соединений из неорганических (СО₂ и др.) за счет химической энергии окисления неорганических веществ (серы, сероводорода, железа, аммиака, нитрита и др.).

К хемосинтезу способны только хемосинтезирующие бактерии: нитрифицирующие, водородные, железобактерии, серобактерии и др. Они окисляют соединения азота, железа, серы и других элементов. Все хемосинтетики являются облигатными аэробами, так как используют кислород воздуха.

Высвобождающаяся в ходе реакций окисления энергия запасается бактериями в виде молекул АТФ и используется для синтеза органических соединений, который протекает сходно с реакциями темновой фазы фотосинтеза.

Биосинтез белка. Генетическая информация практически у всех организмов хранится в виде определенной последовательности нуклеотидов ДНК (или РНК у РНК-содержащих вирусов). Прокариоты и многие вирусы содержат генетическую информацию в виде одной молекулы ДНК. Все ее участки кодируют макромолекулы. В эукариотических клетках генетический материал распределен в нескольких молекулах ДНК, организованных в хромосомы.

Ген - участок молекулы ДНК (реже РНК), кодирующий синтез одной макромолекулы: мРНК (полипептида), рРНК или тРНК. Участок хромосомы, где расположен ген называется локус. 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. То есть, реализация генетической информации происходит следующим образом:

ДНК → РНК → белок

Этот процесс осуществляется в два этапа:

1) транскрипция;

2) трансляция.

Транскрипция - синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. В результате возникает мРНК. 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 - участком ДНК куда присоединяется РНК-полимераза и откуда начинается транскрипция, а заканчивается терминатором - участком ДНК, содержащим сигнал окончания транскрипции. Транскриптон - это и есть 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.

Трансляция - синтез полипептидной цепи с использованием мРНК в роли матрицы.

В трансляции участвуют все три типа РНК: мРНК является 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 полисомами. На включение одной аминокислоты в полипептидную цепь необходима энергия 4АТФ.

Код ДНК. 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 3 нуклеотида, объединенных в триплет (кодон). Поскольку существуют 4 типа нуклеотидов, объединяясь по 3 в триплет, они дают 4³ = 64 варианта триплетов (в то время как кодируются только 20 аминокислот). Из них 3 являются «стоп-кодонами», прекращающими трансляцию, остальные 61 - кодирующими. Разные аминокислоты кодируются разным числом триплетов: от 1 до 6.

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). Кодон 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.

Вопросы для самопроверки:

1. Что является главным источником энергии на Земле, определяющим возможность жизни?

2. Какие организмы называют автотрофными, гетеротрофными, миксотрофными?

3. Из каких двух противоположных процессов складывается обмен веществ?

4. Что называется пластическим обменом клетки?

5. Из каких двух стадий состоит фотосинтез? Где они протекают?

6. Какие структуры и какие вещества принимают участие в темновых реакциях фотосинтеза?

7. Какова роль ДНК, иРНК в процессе биосинтеза белка?

8. Каково строение рибосом, где они образуются и размещаются?

9. Почему синтез белка в клетке называют матричным?

Раздел 4. ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ И СЕЛЕКЦИИ

Дата добавления: 2014-01-07