Реализация и пути переноса наследственной информации. Реакции матричного синтеза: репликация, транскрипция, обратная транскрипция, трансляция. Регуляция транскрипции.

Живая клетка представляет собой активную, динамичную систему. Она осуществляет поглощение веществ и их преобразование (синтез свойственных клетке веществ, расщепление сложных веществ на более простые, выделение конечных продуктов обмена за пределы клетки), а также преобразование энергии из одного вида в другой. Совокупность химических реакций, происходящих в клетке, на­зывается обменом веществ, или метаболизмом. В зависимости от общей направленности процессов различают анаболизм и катаболизм. Анаболизм (ассимиляция) совокупность реакций синтеза сложных органических веществ из более простых. Сюда можно отнести, например, биосинтез белка, об­разование углеводов из углекисло­го газа и воды в ходе фотосинтеза, синтез полисахаридов, липидов, нуклеотидов, ДНК, РНК и других веществ. Катаболизм (диссимиляция) — совокупность реакций, приводящих к образованию простых соединений из более сложных. К катаболичес-ким относят, например, реакции гидролиза полимеров до мономеров и расщепление последних до угле­кислого газа, воды, аммиака. К катаболическим относят реакции энергетического обмена, в ходе ко­торых происходит окисление орга­нических веществ и синтез АТФ. Синтез веществ в клетках живых организмов часто обозначают поня­тием пластический обмен, а рас­щепление веществ и их окисление с последующим синтезом АТФ — по­нятием энергетический обмен. Пластический обмен и энергети­ческий обмен составляют основу жизнедеятельности любой клетки, а следовательно, и любого организ­ма и тесно связаны между собой. С одной стороны, все реакции плас­тического обмена нуждаются в зат­рате энергии. С другой стороны, для осуществления реакций энергети­ческого обмена необходим постоян­ный синтез ферментов, так как про­должительность их жизни невели­ка.

Биосинтез белка. Важнейшим болическим процессом является синтез белка. Процесс биосинтеза белка осуществляется на рибосомах, расположенных в цитоплазме. Рибосомы — это сферические гранулы диаметром 15—35 нм, явяются местом синтеза белка из аминокислот.

Они обнаружены в клетках всех организмов, в том числе прокариотических. Каждая рибосома состо­ят из двух неравных нуклеопротеядных субъединиц, малой и боль­шой, удерживающихся вместе. Рибосомы состоят из примерно равных количеств белка и рРНК.

В цитоплазме десятки тысяч рибосом расположены свободно (по­одиночке или группами) или при­креплены к нитям микротрабекулярной системы, наружной повер­хности мембраны ядра и эндоплаз-матической сети. Они содержатся также в митохондриях и хлоропластах.

Для передачи генетической ин­формации с ДНК, находящейся в ядре, к месту синтеза белка требу­ется посредник. Его роль выполня­ет иРНК, которая на основе прин­ципа комплементарности синтези­руется на одной из цепей молеку­лы ДНК. Переписывание наслед­ственной информации с ДНК на иРНК называется транскрипцией, или переписыванием.

Транскрипция. Этот процесс происходит не на всей молекуле ДНК одновременно, а лишь на не­большом ее участке, отвечающем определенному гену. При этом часть двойной спирали ДНК раскручивается, обнажая короткий участок одной из цепей, который теперь будет служить матрицей для синтеза иРНК. Вдоль этой цепи движется фермент РНК-полимера-за, соединяя между собой нуклео-тиды в растущую цепь иРНК. Та­кая иРНК является комплементар­ной транскрибируемой цепи ДНК, а это значит, что порядок нуклео-тидов в ней строго определен по­рядком нуклеотидов в ДНК. Так, комплементарный цитидиловому (Ц) нуклеотиду ДНК является гу-аниловый (Г) нуклеотид РНК, и наоборот: тимидиловому (Т) — аде-ниловый (А), адениловому — не ти-мидиловый, а урациловый (У) нук­леотид, так как в состав иРНК вместо тимина входит урацил. Таким образом, одна и та же информация кодируется теперь уже другими знаками (нуклеотидами РНК), по­этому этот процесс и был назван транскрипцией, а не копировани­ем. Транскрипция может происхо­дить одновременно на нескольких генах одной хромосомы и на генах, расположенных на разных хромо­сомах.

На специальных генах синтези­руются и два других типа РНК — тРНК и рРНК. Начало и конец син­теза всех типов РНК на матрице ДНК строго фиксирован специаль­ными триплетами, которые контро­лируют запуск (инициирующие триплеты) и остановку (термини­рующие триплеты) синтеза РНК. Эти триплеты выполняют функцию знаков препинания между генами.

Синтезированная в ядре иРНК отделяется от ДНК и через поры ядерной оболочки поступает в ци­топлазму, где прикрепляется к ри­босоме.

Молекула иРНК может связы­ваться одновременно с нескольки­ми рибосомами. Их число опреде­ляется длиной иРНК. Комплекс из иРНК и рибосом (от 5—6 до не­скольких десятков) называется полисомой. Образование полисом повышает эффективность функци­онирования иРНК, так как одно­временно позволяет осуществлять синтез нескольких идентичных по­липептидных цепей. Именно на по­лисомах происходит синтез белка, или трансляция.

Трансляция. Трансляция — это процесс перевода кодовой последо­вательности нуклеотидов иРНК в первичную структуру белка. Син­тез белка начинается со стартового кодона АУГ. От него молекула иРНК прерывисто, триплет за трип­летом, продвигается через рибосо­мы, что сопровождается ростом по­ли пептидной цепочки.

Выстраивание аминокислот в соответствии с кодонами иРНК осуществляется на рибосомах при по­мощи тРНК — главных участников синтеза белка. Благодаря определенному расположению комплемен­тарных нуклеотидов цепочка тРНК имеет форму, напоминающую лист клевера. При этом тРНК имеет акцепторный конец, к кото­рому присоединяется активирован­ная энергией АТФ аминокислота. Активацию аминокислот осуществ­ляют специфические ферменты аминоа-цил-тРНК-синтетазы, т.е. для каждой аминокислоты существует свой фермент. Механизм активации заклю­чается в том, что фермент одновременно взаимодействует с соответствующей ами­нокислотой и с АТФ, которая теряет при этом пирофосфат. Тройной комплекс из фермента, аминокислоты и АТФ назы­вается активированной (богатой энерги­ей) аминокислотой, которая способна спонтанно образовать пептидную связь с соседней аминокислотой, что приводит к синтезу полипептидов. Данный про­цесс активации — необходимый этап белкового синтеза, поскольку свободные аминокислоты не могут прямо присое­диняться к полипептидной цепи.

В противоположной части моле­кулы тРНК располагается специфический триплет (антикодон), ответственный за прикрепление по прин­ципу комплементарности к определенному триплету иРНК (кодон). Молекула тРНК с присоединен­ной к ней активированной амино­кислотой своим антикодоном при­соединяется к кодону иРНК. Затем в соответствии со следующим ко-доном иРНК к той же рибосоме прикрепляется вторая тРНК с активированной аминокислотой. В рибосоме оказываются две амино­кислоты, между которыми возни­кает пептидная связь. Первая тРНК, освободившись от аминокис­лоты, покидает рибосому. Далее к образованному дипептиду таким же образом пристраивается третья, чет­вертая и т.д. аминокислоты, при­несенные в рибосому своими тРНК. Процесс продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадет один из трех терминирующих ко донов: УАА, УАГ или УГА, после чего синтез белка прекращается. После завершения синтеза белка иРНК под действием ферментов распада­ется на отдельные нуклеотиды. Таким образом, роль нуклеино­вых кислот в биосинтезе белка зак­лючается в преобразовании генети­ческой информации, представлен­ной в виде последовательности нуклеотидов ДНК, в структуру моле­кулы иРНК, а затем в последова­тельность аминокислот в молекуле белка. Реакции синтеза иРНК (транскрипция) и белка (трансля­ция) осуществляются по матрицам (ДНК и иРНК соответственно), по­этому они получили названия ре­акций матричного синтеза.

Каждый этап биосинтеза белка катализируется соответствующими ферментами и снабжается энергией за счет расщепления АТФ. Синте­зированные белки поступают в ка­налы эндоплазматической сети, где происходит их усложнение, приоб­ретение вторичной, третичной и чет­вертичной структуры и накопление.

Синтез белковых молекул происходит непрерывно и идет с большой скоростью: за 1 мин образуется от 50 до 60 тыс. пеп­тидных связей. Синтез одной молекулы белка длится всего 3—-4 с. В результате половина белков тела человека (в сред­нем в нем около 17 кг белка) обновляет­ся за 80 суток. За всю жизнь организм обновляет свои белки около 200 раз.

 

3. Высвобождение потенциальной энергии химических связей. Клеточное дыхание. Анаэробное и аэробное восстановление энергии Дыхание — основной процесс обмена веществ,обязательное условие-кислород для большинства многоклеточных организмов.

Клеточное дыхание. Высвобождение потенциальной энергии химических связей. Образующиеся в процессе фотосинтеза органические вещества и заключенная в них химическая энергия служат источником веществ и энергии для осуществления жизнедеятельности всех организмов. Однако использование животными, грибами, многими бактериями создаваемых зелеными растениями органических веществ, синтез на их основе специфических для каждого вида соединений возможны лишь после предварительных преобразований, которые заключаются в расщеплении этих сложных веществ до мономеров и низкомолекулярных веществ: полисахаридов — до моносахаридов, белков — до аминокислот, нуклеиновых кислот —до нуклеотидов, жиров —до высших карбоновых кислот и глицерина.

Субстратами клеточного дыхания являются питательные вещества, поступающие в организм с пищей (углеводы, липиды, белки). Значительная часть энергии, образующейся в процессе окисления питательных веществ, запасается в универсальном носителе энергии - молекулах нуклеотида, называемого аденозинтрифосфатом (АТФ). Когда клетка для осуществления процессов жизни, в том числе и для осуществления внешнего дыхания, нуждается в энергии, единственное, что требуется для её получения - гидролиз АТФ. Таким образом, АТФ - это связующее звено между клеточным дыханием и процессами жизнедеятельности, требующими затрат энергии.

Реакции окисления в клетке могут осуществляться как с участием кислорода, так и без участия кислорода. Если окисление питательных веществ осуществляется с участием кислорода, его называют аэробным клеточным дыханием. Если окисление питательных веществ осуществляется без участия кислорода (окисление одного субстрата за счет восстановления другого), то его называют анаэробным клеточным дыханием.

Клеточное дыхание, или тканевое дыхание, или внутреннее дыхание - это совокупность управляемых окислительно-восстановительных реакций в клетке, главным назначением и результатом которых является образование энергии.

Это же касается и содержащейся в органических веществах энергии. Будучи заключенной в химических связях, она недоступна для непосредственного использования клетками, в том числе и клетками растений, которые преобразовали эту энергию из световой в химическую. Для этого потенциальная энергия органических молекул должна быть высвобождена и переведена в пригодную для использования форму.

Образование и накопление энергии, доступной клетке, происходит в процессе клеточного дыхания. Для осуществления клеточного дыхания большинству организмов необходим кислород — в этом случае говорят об аэробном дыхании или аэробном высвобождении энергии. Однако некоторые организмы могут получать энергию из пищи без использования свободного атмосферного кислорода, т. е. в процессе так называемого анаэробного дыхания (анаэробного высвобождения энергии).

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ - совокупность процессов превращения веществ и энергии, происходящих в живых организмах, и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Является основой жизнедеятельности и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи, отличающих живое от неживого. Обмен веществ представляет собой единство двух процессов: ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция— совокупность реакций синтеза сложных органических молекул из более простых с накоплением энергии. Диссимиляция — совокупность реакций расщепления сложных органических веществ (в том числе и пищевых) до более простых, сопровождающихся выделением энергии. Процессы ассимиляции и диссимиляции неразрывно связаны между собой, так как синтез веществ невозможен без затрат энергии, которая высвобождается при расщеплении сложных органических молекул до простых. Органические вещества пищи — основной строительный материал и единственный источник энергии для организма. Нарушение баланса между этими двумя процессами жизнедеятельности неизбежно приводит к расстройству обмена веществ в организме.

4. Разнообразие организмов по типам питания. Автотрофы (фототрофы и хемотрофы), гетеротрофы (биофаги и сапрофаги). Голозойный, сапрофитный и симбиотический типы питания.

Обязательным условием суще­ствования любого организма явля­ется постоянный приток питатель­ных веществ и постоянное выделе­ние конечных продуктов жизнеде­ятельности. Питательные вещества являются источником энергии и атомов химических элементов (прежде всего атомов углерода), необходимых для построения либо обновления всех структур организ­ма. Процесс приобретения орга­низмами вещества и энергии на­зывается питанием. Преобразова­ние недоступной для выполнения работы энергии химических связей органических веществ в доступные формы происходит в процессе кле­точного дыхания.

Главным элементом, из которо­го живые организмы строят орга­нические вещества, является угле­род. В зависимости от того, какой источник атомов углерода исполь­зуют организмы, их можно разде­лить по типу питания на несколь­ко групп.

Организмы, которые для синте­за органических веществ потребля­ют диоксид углерода (С0₂), назы­ваются автотрофными, или автотрофами (от греч. autos — сам и trophe — питание), а способ пи­тания — автотрофным. Другие организмы используют в качестве источников атомов углерода и дру­гих элементов готовые органичес­кие вещества. Такой тип питания называется гетеротрофным (от греч. heteros — иной, разный и...троф), а организмы, питающие ся готовой органической пищей, — гетеротрофными, или гетеротрофами.

Для осуществления процессов синтеза органических веществ автотрофным организмам необходима энергия. Те из них, которые исполь­зуют для этого энергию солнечного света, называются фототрофами (от греч. photos — свет и...троф), а те организмы, которым нужна энер­гия химических реакций, — хе-мотрофами. Для фототрофов ха­рактерно наличие в их клетках пигментов (в том числе какой-либо формы хлорофилла), которые по­глощают солнечную энергию, ис­пользуемую в процессе синтеза органических веществ в клетке.

К фотоавтотрофным организ­мам принадлежат все зеленые рас­тения, некоторые протисты, циано-бактерии, зеленые и пурпурные се­робактерии. Эти организмы осуще­ствляют фотосинтез — синтезиру­ют первичные органические веще­ства из неорганических с исполь­зованием энергии света.

К гетеротрофным организмам относятся все животные, грибы, часть протистов, большинство бак­терий. Гетеротрофы потребляют органические вещества, создавае­мые фотоавтотрофами.

Между автотрофными и гетеро­трофными организмами существу­ет тесная взаимосвязь. Так, авто-трофы в результате процессов фо­тосинтеза и хемосинтеза создают запасы первичного органического вещества на Земле. Гетеротрофные организмы потребляют это первич­ное органическое вещество и все­цело зависят от него. В то же вре­мя, расщепляя органические веще­ства в процессе своей жизнедеятель­ности, они превращают их в про­стые неорганические вещества, до­ступные автотрофам, и способству­ют таким образом осуществлению круговорота веществ в природе, что является одним из обязательных условий длительного существова­ния жизни на Земле.

Способы добывания и поглоще­ния пищи у гетеротрофных орга­низмов очень разнообразны, одна­ко путь превращения питательных веществ у большинства из них схо­ден. По существу, это превращение состоит из трех процессов: расще­пления сложных молекул (по­лимеров) на более простые (моно­меры), или переваривания, после­дующего всасывания про­стых молекул и транспорта их ко всем клеткам и тканям орга­низма.

Известны три способа гетеро­трофного питания: голозойный, сапротрофный и симбионтный.

Голозойный тип питания (от греч. holos — целый, полный, zoo — жи­вотное) характерен для животных. Эта группа организмов обладает специальным пищеварительным трактом, в разных отделах которо­го осуществляется ферментативное расщепление (переваривание) пи­щи, всасывание, транспорт простых органических веществ к клеткам и тканям, ассимиляция (использова­ние всосавшихся молекул для по­лучения энергии и синтеза соб­ственных органических веществ), экскреция, т.е. выделение из орга­низма в окружающую среду непе­реваренных остатков пищи. Этот тип питания свойствен и однокле­точным (например, амебе), осуще­ствляющим фагоцитоз и пищеваре­ние в фаголизосомах.

Сапротрофный тип питания (от греч. sapros — гнилой и...троф) ха­рактерен для грибов и большинства бактерий. Сапротрофы питаются мертвым или разлагающимся орга­ническим материалом, выделяя ферменты непосредственно на него. Растворимые конечные продукты такого внеорганизменного перева­ривания всасываются и ассимили­руются сапротрофами.

Симбиотный тип питания (от греч. symbiosis — совместная жизнь) характерен для организмов, ведущих совместное существова­ние. При этом организмы могут извлекать из этого объединения обоюдную пользу (мутуалистический тип питания) или одно­стороннюю пользу (паразити­ческий тип). Мутуалистический тип питания наблюдается» например» когда клубеньковые бак­терии, поселяющиеся в клетках корней бобовых растений» снабжа­ют их азотистыми соединениями, а растение в свою очередь постав­ляет бактериям углеводы.

При паразитическом типе пита­ния организм паразита получает органические вещества от организ­ма хозяина» причиняя последнему существенный вред. Паразитичес­кий способ питания характерен для некоторых бактерий (дифтерийная и столбнячная палочки» стафило­кокк, холерный вибрион и др.), жи­вотных (сосальщики, ленточные черви, аскариды и др.), высших ра­стений (повилика европейская» за­разиха, петров крест и др.).

Существует группа организмов, которые в зависимости от условий обитания могут переходить с одно­го типа питания на другой. Они называются миксотрофами, или организмами со смешанным типом питания. К ним принадлежат не­которые виды цианобактерий, а также эвглена.

Следует отметить, что все жи­вые организмы нуждаются не толь­ко в органических веществах. Для их нормального существования не­обходим целый ряд неорганических веществ: вода, кислород, минераль­ные соли, содержащие натрий, кальций, магний, азот, фосфор, серу, железо, а также бор, марга­нец, цинк, молибден, медь, кобальт и др.

Питание — способ получения из внешней среды источников энергия и веществ, необходимых для построения или обновления структур организма. Выделяют два основных типа питания — автотрофный м гетеротрофный.