Сущность жизни


Отличия ( особенности ) процессов фотосинтеза и дыхания



жүктеу 12.9 Mb.
бет11/47
Дата04.09.2018
өлшемі12.9 Mb.
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   47

Отличия ( особенности ) процессов фотосинтеза и дыхания
ФОТОСИНТЕЗКИСЛОРОДНОЕ ДЫХАНИЕ1. СО2 поглощается

2. О2 выделяется

3. Органические вещества синтезируются

4. Энергия затрачивается

5. Осуществляется в клетке в хлоропластах

6. Осуществляется только в клетках с пигментом хлорофиллом и каротином(зелёных)

7. Осуществляется только на свету

8. Химические связи образуются

9. Относится к реакциям ассимиляции ( пластического обмена ) – анаболизма

10. Функции в клетке и организме – синтез органических веществ ( пластического и энергетического материала )1. СО2 выделяется

2. О2 поглощается

3. Органические вещества расщепляются

4. Энергия выделяется

5. Осуществляется в клетке в митохондриях

6 Осуществляется во всех живых клетках

7. Осуществляется всегда ( в темноте и на свету )

8. Химические связи расщепляются

9 Относится к реакциям диссимиляции ( энергетического обмена ) - катаболизма

10 Функции в клетке и организме – источник энергии для жизнедеятельности Сходства процессов дыхания и фотосинтеза


  1. Реакции фотосинтеза и дыхания являются ферментативными реакциями метаболизма ( обмена веществ )

  2. Осуществляется у аэробов

  3. Связаны с двумембранными органоидами клетки ( хлоропласты и митохондрии )

  4. Процессы протекают при наличии мембранной электронно-транспортной цепи, связаны с функционированием протонных каналов ( АТФ-синтетазы)

  5. Осуществляется синтез АТФ

  6. Участвуют в поддержании постоянства газового состава атмосферы

Связь фотосинтеза и дыхания

  1. При дыхании расщепляются органические вещества, образующиеся в процессе фотосинтеза

  2. При дыхании используется кислород, выделяющийся при фотосинтезе

  3. При фотосинтезе используется углекислый газ, выделяющийся при дыхании


Отличия фотосинтеза от хемосинтеза
ФотосинтезХемосинтез1. Для синтеза органических веществ используется световая энергия

2. Осуществляется в хлоропластах клеток эукариот ( растения)

3. Для синтеза необходимы фотосинтезирующие пигменты: хлорофилл, каротиноиды


  1. 4. Донором водорода для синтеза является вода1. Для синтеза органических веществ используется химическая энергия, выделяющаяся при окислении неорганических веществ

2. Осуществляется в цитоплазме некоторых прокариот ( нитрифицирующие, серо-, железобактерии )

3. Для синтеза пигменты не нужны



4. Донором водорода для синтеза являются Н2О, Н2S, NH3, Н2
Биосинтез белка

  • Относится к важнейшим реакциям анаболизма

  • Всё многообразие свойств и биологических функций белков определяется их первичной структурой представляющей линейную последовательность аминокислот в полипептидных макромолекулах

  • Информация о первичной структуре белков ( полипептидов ) является генетической и наследственной ; функция хранения и передачи генетической информации осуществляется нуклеиновыми кислотами - ДНК и РНК


Ген – единица генетической информации – участок молекулы ДНК ( РНК у вирусов и фагов ) , расположенный в определённом участке ( локусе ) хромосомы и содержащий наследственную информацию о первичной структуре одного белка ( полипептида , фермента ) , молекулы тРНК или рРНК

  • Наследственная информация о первичной структуре белков записана в гене в виде генетического кода

Генетический код

Генетический код свойственный живым организмам единый принцип записи наследственной информации о последовательности аминокислот в полипептиде ( белке ) в виде последовательности нуклеотидов ДНК и м-РНК ( расшифрован в 1966 г. )
Свойства генетического кода

  1. Триплетность – каждая аминокислота кодируется тремя рядом расположенными нуклеотидами – триплетом ( кодоном )

Кодон (триплет) – дискретная ( структурно - функциональная ) единица генетического кода , состоящая из трёх последовательных нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК и определяющая последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка , кодируемого этим геном

  • Поскольку в каждом виде нуклеиновой кислоты существуют 4 типа нуклеотидов , объединяясь по три , они дают 43 = 64 варианта триплетов ; из них 61 триплет кодируют 20 аминокислот , а 3 ( для мРНК -– УАА , УГА и УАГ – « нонсенс-кодоны » ) не кодируют аминокислот , являются стоп-сигналами и означают конец гена и прекращение трансляции

  • Триплет АУГ является стартовым триплетом : с него начинается синтез всех белковых молекул эукариот

  • Триплеты молекул тРНК , комплементарные триплетам мРНК ( кодонам ) называются антикодонами

  1. Вырожденность – одна аминокислота кодируется более чем одним триплетом ( кодоном )

  • Каждой аминокислоте ( кроме двух : метионина и триптофана ) может соответствовать несколько триплетов ) , например , серину – 6 кодонов , аланину – 4 кодона , большинству аминокислот – 2 кодона

  • Вырожденность генетического кода обеспечивает возможность широкого изменения состава ДНК без изменения последовательности аминокислот в белках , кодируемых этой ДНК

  1. Универсальность – все живые организмы от вирусов до человека используют практически единый генетический код ( служит доказательством единства органического мира )

  2. Однозначность – кодон соответствует одной-единственной аминокислоте

  3. Код не перекрывается - один нуклеотид не может входить в состав двух , а тем более трёх кодонов в цепи мРНК или состав другого гена

  4. Непрерывность и однонаправленность – считывание кода идёт с одной точки ( стартового триплета – АУГ ) непрерывно только в одном направлении в пределах одного гена

  5. Код не содержит знаков препинания – все нуклеотиды цепи мРНК следуют друг за другом без разделительных знаков : АГУГЦГААУУГЦГГ...

  • Границами между генами ( « знаками препинания » ) служат стоп-кодоны , каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной полипептидной цепи

  1. Специфичность – каждый кодон ( триплет ) соответствует не более чем одной аминокислоте

  2. Линейность – кодоны образуют линейную цепочку

  3. Имеет рамку считывания - условная граница между триплетами , определяющая последовательность транскрипции ( в ДНК ) или трансляции ( в мРНК ) кодонов

  • При выпадении одного или двух нуклеотидов , а также изменении точки « старта » рамка считывания сдвигается и вся последующая информация делается бессмысленной ( не считываемой ) или синтезируется другой белок :

ГУУ ГУЦ ГУА ...... ГУ УГУ ЦГУ

рамка считывания не сдвинута рамка считывания сдвинута




  • Реализация генетической информации , записанной в генах , называется экспрессией генов ; этот процесс осуществляется в два этапа : первый – транскрипция , второй – трансляция


Транскрипция

Транскрипция ( лат. transcrptio – переписывание ) – ферментативный матричный синтез молекул РНК , осуществляемый на генах-матрицах одной из цепей ДНК из свободных нуклеотидов по принципу комплементарности

  • В результате возникает три типа РНК : - матричная ( мРНК )

- рибосомальная ( рРНК )

- транспортная ( тРНК )



  • Осуществляется в ядре , так как ДНК локализуется в ядре

  • В процессе синтеза мРНК происходит « переписывание » информации о первичной структуре полипептида с гена ДНК на мРНК ; образовавшаяся мРНК поступает из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка на рибосомы

  • Процесс транскрипции требует больших затрат энергии в виде АТФ и осуществляется ферментом ДНК-зависимой-РНК-полимеразой трёх типов и рядом вспомогательных ферментов

  • Одномоментно транскрибируется не вся молекула ДНК , а лишь её отдельные отрезки ; они называются единицами транскрипции – транскриптонами

Транскриптон участок ДНК , ограниченный промотором и терминатором ,на котором идёт синтез РНК ( выполняет функции матрицы ) ; по сути транскриптон является геном с точки зрения молекулярной биолгии

Промотор – участок ДНК в несколько десятков нуклеотидов , куда присоединяется РНК-полимераза и откуда начинается транскрипция

Терминатор – участок ДНК , содержащий сигнал ( стоп-кодон , терминальный триплет ) окончания транскрипции

  • В районе терминатора фермент РНК-полимераза отделяется от ДНК , что ведёт к прекращению реакции

Р Z Т

=== ****** ============================ ***

Р – промотор , Т- терминатор , Z – транскрибируемый ген


  • У эукариот за один раз транскрибируется только один ген

  • Транскрипция основана на способности азотистых оснований к комплементарному связыванию ( принципе комплементарности )

  • Отличительной особенностью транскрипции является то , что в РНК нет тимидина , его замещает уридин ( урацил ) соответственно при транскрипции аденозин молекулы ДНК комплементарно соединяется с урацилом синтезируемой РНК


Механизм транскрипции

  • На время транскрипции двойная цепь ДНК разрывается под действием фермента и синтез РНК осуществляется по одной цепи ДНК , которая называется кодирующей ( содержит закодированную в виде генетического кода информацию о первичной структуре полипептида ) ; вторая цепь называется некодирующей или замыкающей ( какая цепь будет кодирующей , определяется тем , на какой из них находится промотор )

  • В процессе транскрипции образуется локальный гибрид ( комплекс ) одноцепочечной ДНК с РНК , который существует короткое время и очень быстро распадается , при этом восстанавливается двуцепочечность ДНК

  • Цикл транскрипции состоит из трёх последовательных стадий : инициации , элонгации , терминации

1. Инициация – фаза начала синтеза РНК



  • Транскрипция начинается с присоединения фермента РНК-полимеразы к промотору ; присоединившись РНК-полимераза раскручивает примерно один виток ДНК ( 10 пар нуклеотидов )

  • На образовавшемся одноцепочечном участке ДНК из свободных нуклеотидов кариоплазмы по принципу комплементарности синтезируется начальные звенья мРНК ( так называемый синтез критической длинны , т.к. до этого комплекс РНК-полимераза – ДНК не стабилен и способен распадаться )

2. Элонгация ( от лат. elongate – вытягивать ) – фаза удлинения РНК

  • Продвигаясь вдоль ДНК , фермент РНК-полимераза продолжает дальнейшее расплетение ДНК и синтез растущей цепи мРНК по кодирующей цепи

  • По мере движения РНК-полимеразы , увеличивающаяся цепь мРНК отходит от матрицы ДНК , а двойная спираль ДНК после « работы » восстанавливается

  1. Терминация ( от лат. termination – окончание ) – фаза окончания синтеза мРНК

  • Транскрипция мРНК продолжается до тех пор , пока РНК-полимераза не достигнет терминатора или ( стоп-кодона ) ; на этом участке РНК-полимераза отделяется от цепи ДНК , локальный гибрид ДНК – мРНК разрушается и вновь синтезированная молекула м РНК транспортируется из ядра в цитоплазму – транскрипция заканчивается

  • С каждого гена ДНК последовательно происходит транскрипция нескольких молекул мРНК ; поэтому на одном гене ДНК можно обнаружить одновременно несколько молекул фермента , соединённых с молекулами мМРК на разных стадиях синтеза

  • На соответствующих генах ДНК синтезируются все виды РНК ( мРНК , тРНК , рРНК ) ; синтезируется 20 видов тРНК , т. к. в биосинтезе принимают участие 20 аминокислот


Созревание РНК

  • Все изученные гены эукариотических клеток ( в отличие от клеток прокариот ) содержат участки , несущие информацию о какойлибо аминокислоте экзоны , а также некодирующие участки , не несущие информации об аминокислотах полипептида – интроны ( суммарная длинна всех интронов ряда организмов может составлять свыше 80% общей длины ДНК )

Экзон – информативная последовательность нуклеотидов ДНК, кодирующая аминокислоты первичной структуры белка

Инторон – последовательность нуклеотидов ДНК эукариотов , не несущая генетичесокй информации

  • Значение интронов до конца не ясно ; предполагается , что интроны играют роль сигналов , регулируют поток информации от ДНК к белкам или являются средством защиты от мутагенного воздействия

  • У прокариот интроны отсутствуют ( есть только экзоны ) , поэтому последовательность нуклеотидов их мРНК соответствует последовательности аминокислот в молекуле белка

  • Все образовавшиеся РНК эукариот непосредственно после транскрипции не способны функционировать , т. к. они синтезируются в виде молекул предшественников , содержащих и экзоны и интроны ( пре- мРНК , пре -тРНК , пре- рРНК )

  • Для начала работы пре-РНК подвергаются процессингу ( от англ. рrocessing –обработка ) , или созреванию

Процессинг ( созревание ) совокупность биохимических реакций удаления интронов из молекул предшественников РНК , их укорочения и модифицирования , в результате чего образуются функционально активные зрелые РНК

  • Процессинг мРНК у эукариот осуществляется многоступенчато

  • Оставшиеся в молекуле мРНК экзоны подвергаются сплайсингу , т. е. соединяются в единую цепочку полинуклеотида с помощью четвёртого известного типа РНК малой ядерной РНК ( мяРНК ) , которая удерживает концы экзонов после вырезании интронов

Сплайсинг ( от англ. splice – сращивание ) ферментативный процесс сращивания экзонов в молекуле мРНК

  • Вырезанные интроны после процессинга расщепляются нуклеазами ( именно интроны препятствуют неверной стыковке экзонов , предотвращают мутации , которые могут сдвинуть рамку считывания )

  • В транскрипции участвуют около 10 % всех геновклетки , остальные остаются неактивными ( комбинации транскрибированных генов в разных клетках определяют их дифференцировку и тканевую специфичность )

  • После завершения транскрипции синтезированная молекула зрелой мРНК через ядерные поры переходит в цитоплазму , где осуществляется второй этап биосинтеза – трансляция


Схема транскрипции и процессинга мРНК в эукариотических клетках

ДНК


5 3

Промотор Экзон I Интрон Экзон 2 Интрон Экзон 3 Стоп- сигнал , терминатор

3 5

Старт Кодирующая цепь



РНК-полимераза

Инициация Транскрипция


Экзон I Интрон Экзон 2 Интрон Экзон 3

Предшественник мРНК – пре-мРНК
Процессинг

Интрон Интрон

Экзон 1 Экзон 2 Экзон 3

Сплайсинг



Экзон 1 Экзон 2 Экзон 3
Функционально активная , зрелая мРНК транспорт в цитоплазму

Трансляция
Трансляция ( от лат. translatio – передавать , передача ) – ферментативный матричный синтез полипептидных цепей белков, осуществляемый в рибосомах из свободных аминокислот , с использованием мРНК в качестве информационной матрицы

Трансляция – процесс перевода генетической информации в виде последовательности нуклеотидов мРНК в последовательность аминокислот в полипептиде , осуществляемый в рибосомах

  • Осуществляется на рибосомах

  • Многостадийный процесс , требующий больших затрат энергии АТФ и участия большого числа ( до 300 ) вспомогательных молекул

  • В трансляции участвуют все три основных типа РНК : м- , р- , и тРНК :

  • мРНК является информационной матрицей

  • тРНК доставляют к месту синтеза аминокислоты (сырьё ) и считывают кодоны мРНК

  • рРНК вместе с белками образуют рибосомы и осуществляют синтез полипептидной цепи ( белка )

  • Генетический код расшифровывают ( реализуют ) тРНК

Механизм трансляции

  • Транскрипция состоит из подготовительного и трёх основных этапов

Подготовительный этап

  • На этом этапе происходит присоединение аминокислот к соответствующим тРНК ( осуществляется в цитоплазме )

  • тРНК имеет структуру , состоящую из четырёх петель : антикодоновой , акцепторной и двух боковых

  • К акцепторной петле соответствующих тРНК с помощью ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз присоединяются аминокислоты , которые транспортируются к рибосомам ( соответствие аминокислот тРНК определяется триплетом нуклеотидов - антикодоном , расположенным на антикодоновой петле тРНК )

  • Триплеты нуклеотидов антикодона тРНК комплементарны триплетам кодонов мРНК

  1. Инициация

  • Осуществляется в рибосомах




  • Рибосома состоит из двух субъединиц – большой и малой ; в нерабочем состоянии они обычно не связаны друг сдругом ( диссоциированы ) ; в процессе трансляции субъединицы объединяются , образуя функциональный центр рибосомы ФРЦ , состоящий из мРНК и двух субъединиц ( в ФЦР всегда находятся два триплета мРНК )

  • В цельной рибосоме выделяют два активных центра ( сайта )

А - сайт ( аминокислотный или акцепторный ) центр присоединения тРНК с аминокислотой и её декодирования

Р - сайт ( пептидальный ) центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочке и удержания тРНК с растущей полипептидной цепью

  • Непосредственной связи между мРНК и растущей белковой цепью нет – она осуществляется через тРНК в Р-сайте




  • Инициация начинается с того , что малая субъединица рибосомы перекрывает два кодона мРНК ( в том числе первый из них - кодон инициации АУГ , с которого начинаются все мРНК эукариот )

  • К кодону инициации , который локализуется в Р-сайте , присоединяется ( связывается ) комплементарный ему антикодон тРНК с первой аминокислотой метионином ( с метионина начинается синтез любой молекулы белка эукариот ; она является неспецифической и после окончания синтеза удаляется )

  • После образования комплекса между кодоном и антикодоном присоединяется большая субъединица рибосомы

  • Ко второму триплету мРНК ( в А-сайте ) присоединяется другая тРНК со второй аминокислотой ( начиная со второй все аминокислоты специфичны для каждого белка ) , антикодон которой комплементарен кодону мРНК

  • Между обеими аминокислотами на Р- и А-сайтах образуется первая пептидная связь ( образуется дипептид )

2. Элонгация ( продолжение синтеза )



  • После этого первая аминокислота отсоединяется от своей тРНК и « повисает » на соединённой с ней аминокислоте второй тРНК ( свободная первая тРНК освобождается из комплекса с рибосомой и уходит в цитоплазму , а Р-сайт становится незанятым )

  • Рибосома « делает шаг » , продвигается вдоль мРНК на следующий триплет ( кодон ) ; при этом тРНК с аминокислотами перемещается из А-сайта в Р-сайт ( движение рибосомы вдоль мРНК называется транслокацией )

  • Цикл элонгации повторяется многократно , что сопровождается удлинением полипептида

3. Терминация ( окончание синтеза )



  • Синтез полипептидной цепи идёт до тех пор , пока один из трёх стоп-кодонов мРНК ( это кодоны УАА , УГА и УАГ ) не достигнут А-сайта рибосомы ; в этот момент готовая белковая цепь отделяется , а рибосома диссоциирует на субъединицы

  • Таким образом , последовательность нуклеотидов в мРНК определяет последовательность аминокислот в полипептиде




  • Вновь синтезированные полипептидные молекулы ( белки ) подвергается различным посттрансляционным модификациям созреванию или процессингу : приобретают вторичную , третичную или четвертичную структуру , претерпевают фосфорилирование и т. д. ( после этого белковые молекулы поступают в каналы эндоплазматической сети и транспортируются по ней к месту назначения )

  • Скорость сборки одной молекулы белка состоящей из 300 аминокислот , составляет 1 – 2 мин.

  • Синтез белка могут вести одновременно несколько рибосом ( до 80 ) ; такие группы рибосом , осуществляющие синтез белка на одной молекуле мРНК называются полисомами ( полирибосомами )

  • Таким образом , реализация генетической информации ( экспрессия генов ) происходит по следующей схеме : транскрипция трансляция

ген ДНК мРНК полипептид ( белок-фермент ) ------ реакция метаболизма ( обмена веществ ) ------признак организма -------свойство организма


  • Передача генетической информации у организмов с клеточной формой жизни имеет одностороннюю направленность


Энергетика биосинтеза

  • На включение одной аминокислоты в растущую полипептидную цепь затрачивается энергия , соответствующая расщеплению 4 молекул АТФ до АДФ , однако непосредствено используется лишь около 10 % выделяющейся энергии , остальная же её часть (90 % ) рассеивается в виде тепла



Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   47


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет