Урок Получить доступ за 50 баллов Метаболизм. Пластический обмен

Ведение

Нашему организму для жизни постоянно необходимы следующие составляющие :

  • энергия для поддержания постоянства внутренней среды (например, температуры тела на уровне нормы) на построение структур клеток, для синтеза веществ
  • различные органические и неорганические вещества, из которых строятся клеточные структуры, высвобождается энергия при окислении, образуются новые соединения (например, из углеводов могут образовываться жиры)

На уроках в школе организм школьника в ходе умственной и физической деятельности затрачивает много энергии.

Например, за 6 уроков школьник весом 45 кг тратит около 324 ккал (1356 кДж) энергии.

Если перевести эти данные в кВт в час, то получится 0,37 кВт в час - этой энергии хватило бы для горения лампы мощностью 100Вт почти 4 часа (лампа мощностью в 100Вт израсходует 0,1 киловатт электроэнергии за 1 час)

Для того чтобы эта энергия была, необходимы питательные вещества, которые поступают в наш организм с пищей.

В любом живом организме постоянно идут биохимические процессы, которые необходимы для поддержания жизнедеятельности - все эти процессы называют обменом веществ или метаболизмом.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Метаболизм (обмен веществ)

Метаболизм- это совокупность протекающих в живых организмах биохимических превращений веществ и энергии, а также обмен веществами и энергией с окружающей средой.

Одним из критериев живого как раз считается метаболизм.

Вещества, поступившие в организм в ходе процесса обмена веществ, претерпевают различные химические превращения, благодаря чему выделяется или поглощается энергия, столь нужная организму, образуются простые вещества для построения структур клетки, тканей и органов.

Можно сказать, что метаболизм складывается из двух взаимосвязанных и противоположных процессов:

  • пластический обмен (анаболизм или ассимиляция)- процессы биосинтеза (образования) органических веществ, компонентов клеток и тканей с затратой энергии (примеры: биосинтез белка, фотосинтез)
  • энергетический обмен (катаболизм или диссимиляция)- расщепление сложных молекул и компонентов клеток с образованием энергии (например, при отщеплении одного фосфорного остатка АТФ образуется 40кДж энергии)

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

При энергетическом обмене образуется несколько видов энергии:

  • тепловая (поддержание постоянной температуры тела)
  • механическая (мышечное сокращение)
  • механическо- электрическая (проведение нервного импульса)
  • химическая (биосинтетические процессы, протекающие с поглощением энергии)
  • энергия для работы, связанной с переносом веществ через биологические мембраны (железы, кишечник, почки и др.)

Организм человека для своего существования главным образом использует химическую энергию.

В таблице приведены данные о количестве энергии, выделяемой при распаде органических веществ:

 

Вещество

Сколько энергии выделяется

На что расщепляются

Дополнения

Белки

При окислении 1 г белка выделяется 17,2 кДж (4,1 ккал)

Распадаются на аминокислоты

В процессе обмена веществ белки окончательно распадаются до углекислого газа, воды, азотсодержащих веществ

Жиры

При распаде 1 г жира выделяется 38,9 кДж (9,3 ккал)

Распадаются на жирные кислоты и глицерин

Молекулы жиров состоят из углерода, кислорода и водорода.

При полном их окислении из них образуется вода и углекислый газ

Сложные углеводы

При распаде 1 г углеводов выделяется 17,2 кДж (4,1 ккал) энергии.

Распадаются в процессе пищеварения до простого сахара глюкозы

Основная часть глюкозы окисляется в организме до углекислого газа и воды

 

Пластический обмен необходим для «строительства» утраченных частей, создания новых клеток, для роста и развития не только клеток, но и всего организма.

В среднем у человека каждые 80 дней меняется половина всех тканевых белков. Ферменты печени (в ней идут особенно интенсивные реакции) обновляются через 2-4 часа, а некоторые - через несколько десятков минут.

Соотношение равновесия или неравновесия анаболизма и катаболизма зависит от возраста.

У детей преобладают анаболические процессы, то есть дети активно и быстро растут, увеличивают массу тела.

У взрослых оба процесса находятся в равновесии, но их соотношение может меняться в зависимости от состояния здоровья, физической и психоэмоциональной нагрузки.

У пожилых преобладают процессы катаболизма, что приводит к частичному разрушению тканевых структур, уменьшению массы тела, требуется больше энергии для поддержания гомеостаза.

Функции обмена веществ:

  • получение энергии для функционирования организма, поддержания постоянства внутренней среды
  • получение строительного материала для роста и восстановления организма: синтез белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и других клеточных компонентов из полученных с пищей веществ
  • запасание питательных веществ в клетках и тканях
  • выведение продуктов метаболизма

 

Скорость обмена веществ

Стоит отметить, что обмен веществ в живом организме идет непрерывно, даже в состоянии полного покоя, хотя и интенсивность его замедляется.

Скорость обмена веществ оценивают по общему расходу энергии.

Если организм выполняет большую физическую нагрузку, то расход энергии будет большой, помимо физической работы, на скорость обмена веществ могут влиять возраст, пол и другие факторы.

Непосредственным помощником в реакциях обмена веществ служат ферменты.

Ферменты- это биологические катализаторы, которые участвуют во всех химических реакциях расщепления веществ, осуществляют превращение веществ в организме и ускоряют все процессы, направляя и регулируя тем самым обмен веществ.

 

Факторы, влияющие на скорость метаболизма:

  • физическая нагрузка (при физической нагрузке обмен веществ усиливается)
  • возраст- начиная с 5 лет интенсивность основного обмена веществ постепенно уменьшается, у пожилых людей обмен веществ снижен
  • температура- при повышенной температуре тела интенсивность обмена веществ увеличивается (к примеру, с повышением температуры тела на 1 градус величина основного обмена веществ возрастает на 13%)

Если в окружающей среде температура низкая, то для того чтобы поддержать постоянную температуру тела срабатывают защитные механизмы и обмен веществ усиливается, выделяется больше энергии для согревания организма.

У некоторых организмов, наоборот, происходит замедление обмена веществ при пониженной температуре- впадают в спячку пресмыкающиеся, некоторые млекопитающие и насекомые

  • половой фактор- у молодых мужчин основной обмен веществ составляет 1300- 1600 килокалорий (ккал) в сутки, у женщин величина основного обмена 1100- 1400 ккал

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Пластический обмен. Биосинтез белка. Генетический код

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Белковые молекулы являются неотъемлемой частью клетки, без которых она не сможет существовать, ведь белки выполняют в организме множество функций: они входят в состав мембран, гормонов, ферментов, мышечных волокон и др.

Организмы, будь то растения, животные, бактерии имеют строго определенный набор белковых молекул.

Именно белки и различия в их структуре формируют индивидуальный и неповторимый набор признаков у особи, у целых популяций и видов.

За сутки в организме человека распадается около 400 грамм различных белков, следовательно, такую же массу нужно образовывать снова, поэтому в клетке происходит постоянный процесс образования белков, что является одним из примеров пластического обмена.

Пластический обмен- совокупность реакций образования органических веществ в клетке с использованием энергии.

Биосинтез белка, фотосинтез, синтез нуклеиновых кислот- это примеры пластического обмена, во время которых образуются органические вещества.

Значение пластического обмена:

  • образование строительного материала для создания клеточных структур (синтез белков, углеводов, жиров)
  • образование органических веществ, которые могут компенсировать энергетические затраты организма
  • образование нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), которые отвечают за хранение наследственной информации и синтез белка

Один из самых важных процессов пластического обмена- это синтез белка.

 

Синтез белка

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Вещества и структуры клетки участвующие в биосинтезе белка:

Вещества и структуры клетки

Функции в биосинтезе белка

ДНК

Содержит информацию о структуре белка, служит матрицей для синтеза белка и для всех видов РНК

иРНК (информационная или матричная РНК)

Переносит информацию от ДНК к месту сборки белковой молекулы.

Содержит генетический код

тРНК

Переносит кодирующие аминокислоты к месту биосинтеза на рибосоме.

Содержит антикодон

Рибосомы

Органоид, где происходит биосинтез белка

Ферменты

Катализируют биосинтез белка

Аминокислоты

Строительный материал для построения белковой молекулы

АТФ

Вещество, обеспечивающее энергией все процессы биосинтеза белка и других процессов пластического обмена

Автотрофные организмы (растения) образуют белок из неорганических веществ.

Гетеротрофные организмы (животные) образуют белок из аминокислот.

Важно помнить, что белок состоит из аминокислот, то есть аминокислота является мономером белка (самой мельчайшей составляющей молекулы белка).

20 Аминокислот (АК) в различных комбинациях формируют огромное множество белковых молекул.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Генетический код

Каким же образом происходит синтез такой большой и сложной белковой молекулы?

Конечно, основная роль в определении структуры белка и последовательность аминокислот в белке принадлежит молекулам ДНК.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

ДНК- носитель всей генетической информации в клетке, но непосредственного участия в синтезе белков не принимает, хотя одна молекула ДНК содержит информацию о нескольких десятков белков.

Из предыдущих уроков мы помним, что молекула ДНК очень длинная и разные ее участки отвечают за образования определенного вида белка.

Участок ДНК, определяющий синтез одной молекулы белка называется ген.

Ген представляет собой участок двойной спирали ДНК, который содержит информацию о первичной структуре какого-то одного белка.

Информация о белке может быть записана в нуклеиновой кислоте только одним способом: в виде последовательности нуклеотидов.

В ДНК содержится информация о последовательности аминокислот всех белков организма. Именно эта информация и называется генетической (наследственной) информацией.

Для перевода последовательности нуклеотидов из молекул ДНК и иРНК в последовательность аминокислот синтезируемой молекулы белка используется специальный «шифр» - генетический код.

Генетический код- запись наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах.

Схематично это выглядит так:

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Реакции синтеза органического вещества на основе другой органической молекулы (матрицы) относят к реакциям матричного синтеза.

Биосинтез белка происходит на основе иРНК, являющейся матрицей в процессе его создания.

 

Одна аминокислота белка закодирована тремя нуклеотидами, и эта комбинация из трех нуклеотидов ДНК называется триплет, или кодон.

В настоящее время генетический код полностью расшифрован.

Ниже представлена таблица с аминокислотами, их название сокращено.

Генетический код (основания без скобок- это основания иРНК; в скобках красным цветом- это основания ДНК)

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Как пользоваться таблицей генетического кода?

В таблице представлены три вида оснований (первое, второе и третье), обратите внимание на то, что они даются в двух вариантах: без скобок- нуклеотиды РНК, а в скобках- нуклеотиды ДНК.

Пользоваться ей не сложно.

Предположим, нам известно, что в ДНК есть участок со следующим составом нуклеотидов АЦЦ- ЦТТ- АТЦ. Таким образом мы имеем три триплета. Определим аминокислоты, которые закодированы этими триплетами.

Ищем основания, что в скобках (так как нам дана ДНК), но чаще в задачах необходимо найти аминокислоты, которые кодирует участок иРНК, поэтому ДНК обычно не ищут и на самом экзамене в задачах дается таблица с основаниями только для иРНК.

Первый триплет ДНК: А-Ц-Ц, смотрим в таблице первое основание (А), это первый горизонтальный столбец.

Далее ищем второе основание (Ц) на пересечении этих двух столбцов видим прямоугольник, в котором расположены четыре аминокислоты. Далее в крайнем правом столбце находим третье основание (Ц), это четвертая строчка, там указана аминокислота Три (триптофан).

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Зная алгоритм действия, мы можем решать биологические задачи и расшифровывать генетический код ДНК, используя таблицу Генетического кода.

Продолжим решать нашу задачу до конца, Ц-Т-Т кодирует аминокислоту Глу (глутаминовая кислота).

АТЦ- прочерк- это стоп-кодон, он не кодирует ни одну аминокислоту и означает конец синтеза данного белка.

Таким образом мы расшифровали генетический код и перевели его в аминокислотный состав белка.

Генетический код обладает рядом свойств:

1.     Код триплетный

Необходимо закодировать 20 аминокислот всего четырьмя нуклеотидами.

Если бы один нуклеотид кодировал одну аминокислоту, то возможно было закодировать только 4 аминокислоты.

Для того, чтобы закодировать 20 аминокислот, нужны комбинации из нескольких нуклеотидов.

Если взять комбинации из двух нуклеотидов, то мы получим 42=16 различных комбинаций- этого недостаточно, так как у нас 20 аминокислот.

Комбинаций из трёх нуклеотидов будет уже 64 (43= 64), т. е. даже больше, чем нужно, поэтому код триплетный, то есть одну аминокислоту могут кодировать три нуклеотида (триплет).

2.     Код обладает свойством однозначности и вырожденности

Кажется непонятным- для чего необходимы 64 комбинации нуклеотидов, ведь аминокислот всего 20?

Оказывается, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (до 6), что позволяет разнообразить генетический материал.

Например, один и тот же белок у бактерии кишечной палочки и вируса табачной мозаики записаны разными триплетами.

Также разные триплеты по-разному распознаются, что влияет на скорость синтеза белка рибосомами и повышается надежность кодирования информации.

Способность разных кодонов кодировать одну аминокислоту называется вырожденностью кода.

В дальнейшем было выяснено, что существуют три триплета, не кодирующие аминокислоты- это стоп-кодоны, они означают конец синтеза одного белка.

Однако, несмотря на вырожденность, в генетическом коде полностью отсутствует двусмысленность. Кодоны РНК- ГАА и ГАГ кодируют аминокислоту глутамат, но ни один из них не кодирует одновременно ещё какую-то аминокислоту, т.е. каждый триплет кодирует строго одну определённую аминокислоту- это свойство генетического кода называется однозначность.

3. Генетический код универсален

Гены всех организмов одинаковым образом кодируют информацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.

К примеру, белок актин есть в составе цитоскелета вирусов и мышц человека.

Аминокислоты этого белка могут кодироваться одинаковыми последовательностями нуклеотидов в цепи ДНК, что в организме вируса, что в клетке человека.

Но не нужно забывать и про свойство вырожденности кода. То есть не всегда одна аминокислота кодируется одинаковыми последовательностями нуклеотидов у разных организмов.

Это свойство имеет большое практическое значение и активно используется в генной инженерии. Благодаря универсальности генетического кода мы можем заставить гены одного организма работать в другом организме и производить функционально активные белки.

Так ген для гормона роста переносят в бактерию, чтобы она была способна производить его. Таким образом получают гормон роста для медицинских целей, который в обычном организме производится в очень небольших количествах.

Таким же генно-инженерным способом научились производить гормон инсулин.

Однако универсальность генетического кода оказалась не абсолютной.

Известно несколько генетических систем, в которых генетический код немного отличается от универсального - это митохондрии. Также отклонения от универсального генетического кода найдены у некоторых инфузорий и паразитических бактерий, но во всех этих случаях отклонения незначительны.

4.     Внутри гена нет «знаков препинания»- свойство компактности

Между кодонами внутри одного гена нет знаков препинания.

Иными словами, триплеты не отделены друг от друга, к примеру, одним ничего не значащим нуклеотидом.

Отсутствие в генетическом коде «знаков препинания» было доказано в экспериментах Ф.Крика и С. Бреннера.

В ходе этих экспериментов учёные при помощи мутагенных веществ (акридиновых красителей) вызывали в генах возникновение определённого типа мутаций- выпадения или вставки 1 нуклеотида.

Оказалось, что выпадение или вставка 1 или 2 нуклеотидов всегда вызывает поломку кодируемого белка, а вот выпадение или вставка 3 нуклеотидов (или числа, кратного 3) практически не сказывается на функции кодируемого белка.

5.     Неперекрываемость (дискретность)

Код может быть перекрывающимся и не перекрывающимся.

У большинства организмов код не перекрывающийся, исключением являются вирусы.

Сущность не перекрывающего кода заключается в том, что нуклеотид одного триплета не может быть одновременно нуклеотидом другого триплета.

6.     Полярность

Считывание информации с ДНК и с иРНК происходит только в одном направлении.

Полярность имеет важное значение для определения структур белка (первичной, вторичной и третичной).

Этапы биосинтеза белка

Процесс биосинтеза белка можно разделить на два этапа:

  • транскрипция- синтез РНК, происходит в ядре клетки
  • трансляция- это процесс синтеза белка, происходит в цитоплазме

Для того чтобы понять этапы биосинтеза белка необходимо вспомнить основные понятия.

ДНК и РНК состоят из множества нуклеотидов.

Нуклеотид- это мономер нуклеиновых кислот.

 

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

 

 

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Целый нуклеотид принято обозначать каким- либо одним азотистым основанием, например, А (аденин) или Г(гуанин).

Последовательность трех нуклеотидов называют триплетом (кодон) и он обозначается, например, АГЦ.

 

Первый этап биосинтеза белка- транскрипция

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Транскрипция- это процесс переписывания информации с последовательности нуклеотидов ДНК в последовательность нуклеотидов РНК. Этот процесс происходит в ядре клетки.

При этом против каждого нуклеотида одной из цепей ДНК встает комплементарный ему нуклеотид иРНК.

Транскрипции предшествует процесс раскручивания участка ДНК.

Двойную спираль ДНК разрывает фермент ДНК- полимераза и далее начинается считывание информации с одной спирали ДНК и формирование матричной РНК (иРНК) за счет работы РНК- полимеразы.

Процесс переписывания информации идет по принципу комплементарности.

Комплементарность- это взаимное дополнение азотистых оснований в молекуле ДНК и РНК.

Комлементарность нуклеотидов ДНК к РНК:

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Так как в одной молекуле ДНК может находиться множество генов, то очень важно, чтобы РНК-полимераза начала синтез иРНК со строго определенного места ДНК, иначе в структуре иРНК будет записана информация о белке, которого нет в природе, что может привести к повреждению синтезируемой молекулы белка.

Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором.

РНК-полимераза «узнает» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки иРНК с нужного места.

Фермент продолжает синтезировать иРНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, до тех пор, пока не дойдет до очередного «стоп- кодона» (терминатора) в молекуле ДНК (это последовательность нуклеотидов, указывающая на то, что синтез иРНК нужно прекратить).

После копирования, сформированная иРНК выходит из ядра клетки в цитоплазму к рибосоме и начинается второй этап биосинтеза белка.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Прежде чем переходить к рассмотрению второго этапа биосинтеза белка давайте поймем принцип комплементарности и попробуем решить задачи.

Задача

Фрагмент цепи ДНК имеет последовательность нуклеотидов:

А-Г-Ц-Т-А-Ц-Г-А-Т

Постройте мРНК по принципу комплементарности.

Решение:

Мы знаем принцип комплементарности

44

Если на ДНК нуклеотид А, то ему по принципу комплементарности соответствует нуклеотид У на мРНК.

Если на ДНК нуклеотид Г, то на мРНК это нуклеотид Ц и так далее.

Таким образом дописываем цепь мРНК, используя принцип комплементарности:

цепь ДНК: А-Г-Ц-Т-А-Ц-Г-А-Т

цепь иРНК: У-Ц-Г-А-У-Г-Ц-У-А

Второй этап биосинтеза белка- трансляция

Трансляция- перевод последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот белка.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Триплет нуклеотидов на верхушке тРНК называется антикодон.

Кодон- это триплет нуклеотидов на иРНК.

У эукариотических организмов иРНК синтезируется в ядре, потом она переносится через ядерную мембрану в цитоплазму к месту синтеза белка-  рибосомам.

В цитоплазме обязательно должен иметься полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков.

Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей.

Аминокислоты должны попасть на рибосому, а переносит их к рибосоме транспортная РНК (тРНК).

К одной транспортной РНК прикрепляется одна аминокислота, для каждой аминокислоты существует своя тРНК.

На одном конце транспортной РНК имеется структура «черешок», к которой прочно прилепляется аминокислота.

На верхушке тРНК находится триплет нуклеотидов (антикодон), который соответствует по коду данной аминокислоте.

Триплет нуклеотидов на верхушке т-РНК называется антикодон.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

В основном все белки (за исключением некоторых случаев) начинаются с аминокислоты метионин, закодированный кодоном АУГ, который является знаком начала трансляции.

Рибосома взаимодействует с иРНК именно с того конца, где находится код метионина АУГ.

После связывания рибосома начинает двигаться по иРНК, от 3 штрих конца к 5 штрих концу, задерживаясь на каждом ее участке, состоящим из 6 нуклеотидов (2 кодона).

Пятый штрих конец- это место, где прикрепляется фосфорный остаток, третий штрих конец - где присоединена пентоза (рибоза, у ДНК дезоксирибоза).

Время задержки составляет всего 0,2 с.

За это время молекула тРНК, несущая аминокислоту, успевает распознать комплементарный триплет, то есть антикодон тРНК по принципу комплементарности соответствует кодону иРНК.

Далее аминокислота отделяется от «черешка» тРНК и присоединяется с образованием пептидной связи к растущей цепочке белка.

В тот же самый момент к рибосоме подходит следующая т-РНК, антикодон которой комплементарен следующему триплету в иРНК, и следующая аминокислота, принесенная этой тРНК, включается в растущую цепочку белка.

После этого рибосома сдвигается по иРНК, задерживается на следующих нуклеотидах, и все повторяется сначала.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Далее рибосома доходит до одного из так называемых стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА), которые не кодируют аминокислоту и сигнализируют о завершении синтеза данного белка.

Белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует определенную структуру (первичную, вторичную, третичную, четвертичную в зависимости от функции молекулы белка).

Процесс синтеза белка осуществляется за очень короткие промежутки времени.

Подсчитано, что на синтез крупной молекулы белка, состоящего из 300 аминокислотных остатков уходит всего около одной- двух минут. А, например, на синтез актина, который состоит из 376 аминокислот уйдет чуть больше минуты.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Клетке необходима не одна, а множество молекул каждого белка, поэтому, как только рибосома, первой начавшая синтез белка на молекуле иРНК, продвигается вперед, тут же на эту иРНК нанизывается вторая рибосома, которая начинает синтезировать такой же белок.

На одну иРНК может быть нанизана и третья, и четвертая рибосома, и т. д.

Поэтому рибосомы можно назвать «заводом» по производству белков.

Все рибосомы, синтезирующие белок на одной молекуле иРНК, называются полисомой.

Когда синтез белка окончен, рибосома может связаться с другой молекулой иРНК и начать синтезировать новый белок, закодированный в этой молекуле иРНК.

Последовательность аминокислот в первичной структуре белка не зависит от рибосом, а определяется только последовательностью нуклеотидов иРНК.

Таким образом, трансляция- это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка.

Краткая схема биосинтеза белка:

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Этапы биосинтеза белка:

  • подготовительный этап к синтезу белка- удвоение ДНК за счет ДНК-полимеразы
  • 1 этап- транскрипция: переписывание информации с ДНК на иРНК, за счёт работы РНК-полимеразы
  • 2 этап- трансляция: на рибосоме идет синтез белка, в направлении с 3 штрих конца в сторону 5 штрих конца иРНК до стоп кодона с участием тРНК, которые приносят аминокислоты
  • рибосома, дойдя до стоп-кодона распадается на 2 части (большая и малая субъединица) и освобождается образовавшийся белок, который готов выполнять свои, свойственные ему функции

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Регуляция биосинтеза белка в клетке и организме

Оперон и репрессор

Гены всех организмов одинаковым образом кодируют информацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.

В этих генах записана информация о всех белках, которые способен синтезировать любой живой организм.

То есть клетка растения, к примеру, может синтезировать любой белок, который характерен для человека и эту способность используют в генной инженерии.

Сразу хочется задать такой вопрос: почему же клетки, содержащие в своем ядре одинаковую генетическую информацию, не производят различные белки и не синтезируют сразу все белки?

Ответ лежит в изучении механизмов контроля синтеза белка в клетках, хотя природа регуляторных процессов изучена недостаточно.

Среди теорий, объясняющих природу регуляторных процессов, наибольшую популярность приобрела «теория оперона», сформулированная Ф. Жакобом и Ж. Моно на основании исследования синтеза ферментов у бактерий.

Генетической единицей механизма регуляции синтеза белков следует считать оперон.

В состав оперона прокариот входят:

1. Структурные гены

  • кодируют белки
  • может быть один или несколько
  • в ходе транскрипции работают как один единый ген: на них синтезируется одна общая молекула иРНК, которая в последующем расщепляется

 2. Регуляторные элементы

  • промотор- последовательность нуклеотидов ДНК, узнаваемая РНК-полимеразой как стартовая площадка для начала транскрипции
  • оператор- это последовательность нуклеотидов ДНК, с которой связывается регуляторный белок- репрессор или активатор
  • терминатор (не путать с геном-регулятором)- участок ДНК в конце оперона, узнаваемая РНК-полимеразой как сигнал к прекращению синтеза молекулы РНК

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

На работу оператора оперона влияет самостоятельный регуляторный ген, синтезирующий соответствующий регуляторный белок-репрессор или белок- активатор.

Ген-регулятор не обязательно располагается рядом с опероном.

Если на операторе белок репрессор, то РНК- полимераза не может начать синтез иРНК, так как не может связаться с промотором.

 

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Если на операторе белок-активатор, то его можно сравнить с клеем, который склеивает РНК-полимеразу и оперон.

В итоге РНК-полимераза находит промотор и начинается синтез иРНК.

РНК-полимераза продвигается по структурному гену ДНК и считывает информацию, переводя ее в нуклеотиды иРНК.

После того как РНК-полимераза дошла до терминатора, синтез на иРНК заканчивается. Затем РНК-полимераза отделяется от участка ДНК и направляется снова на процесс образования иРНК.

Образовавшаяся иРНК покидает ядро и направляется в цитоплазму, где и происходит образование белка на рибосомах.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

У эукариот регуляция синтеза белка намного сложнее и еще недостаточно изучена, но известно следующее:

  • белки могут быть закодированы в генах различных ДНК, а не в одной ДНК, как у бактерий
  • сами гены устроены сложнее, у них есть «молчащие» участки, с которых не считывается иРНК, при этом они способны регулировать работу соседних участков ДНК
  • координация работы генов осуществляется на уровне целого организма и, главным образом, при помощи гормонов, которые могут заблокировать работу гена, а могут и активировать

Стоит отметить, что синтез белка требует от клетки больших энергетических затрат.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Решение задач на синтез белка

В ЕГЭ встречаются задачи по синтезу белка.

Примеры задач с решением:

Задача

Фрагмент цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:

ТТА-ГАА-ТАТ-ЦАГ-ГАЦ

Определите последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны соответствующих тРНК и последовательность аминокислот во фрагменте молекулы белка, кодируемом указанным фрагментом ДНК, используя таблицу генетического кода.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Решение:

1) Необходимо определить последовательность нуклеотидов на иРНК: строим цепь иРНК. используя принцип комплементарности А=У; Г=Ц:

ДНК- ТТА-ГАА-ТАТ-ЦАГ-ГАЦ

иРНК- ААУ-ЦУУ-АУА-ГУЦ-ЦУГ

2) тРНК также образуем по принципу комплементарности перекодировать нужно уже с построенной иРНК

иРНК- ААУ-ЦУУ-АУА-ГУЦ-ЦУГ

тРНК – УУА ГАА УАУ ЦАГ ГАЦ

3)    Фрагмент молекулы белка(аминокислоты) определяем ПО ТАБЛИЦЕ, как было описано выше по иРНК: ААУ ЦУУ АУА ГУЦ ЦУГ первому кодону иРНК ААУ- соответствует аминокислота Асн (аспарагин), второму кодону иРНК ГАА- соответствует аминокислота Лей (лейцин) и т.д

Ответ: фрагмент белка состоит из следующих аминокислот: Асн– Лей – Иле – Вал - Лей

 

Задача

Последовательность аминокислот во фрагменте молекулы белка, следующая:

Фен- Глу- Мет

Определите, пользуясь таблицей генетического кода, возможные триплеты ДНК, которые кодируют этот фрагмент белка.

Решение:

Для решения пользуемся таблицей генетического кода.

Аминокислота Фен кодируется следующими триплетами иРНК: УУУ или УУЦ, следовательно, на ДНК ее кодируют триплеты ААА или ААГ.

Аминокислота Глу кодируется следующими триплетами иРНК: ГАА или ГАГ. Следовательно, на ДНК ее кодируют триплеты ЦТТ или ЦТЦ.

Аминокислота Мет кодируется триплетом иРНК АУГ. Следовательно, на ДНК ее кодирует триплет ТАЦ.

 

Задача

Антикодоны тРНК поступают к рибосомам в следующей последовательности нуклеотидов:

УЦГ, ЦГА, ААУ, ЦЦЦ

Определите последовательность нуклеотидов на иРНК, последовательность нуклеотидов на ДНК, кодирующих определенный белок и последовательность аминокислот во фрагменте молекулы синтезируемого белка, используя таблицу генетического кода.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

Решение:

1)    По принципу комплементарности последовательность нуклеотидов из тРНК переводим в иРНК

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

АГЦ- ГЦУ- УУА- ГГГ

1)    По принципу комплементарности на основе иРНК находим нуклеотиды ДНК:

ТЦГ-ЦГА-ААТ-ЦЦЦ

2)    С помощью таблицы генетического кода на основе иРНК определяем последовательность аминокислот: Сер- Ала - Лей- Гли

 

Задача

Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице.

Фрагмент молекулы ДНК, на котором синтезируется участок тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов:

ТТГ- ГАА- ААА- ЦГГ- АЦТ

Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте.

Какой кодон иРНК будет соответствовать центральному антикодону этой тРНК?

Какая аминокислота будет транспортироваться этой тРНК?

Ответ поясните.

Решение:

Для решения задания используйте таблицу генетического кода.

Пояснение: обратите внимание на условие задачи: «ИЗВЕСТНО, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице», т. е. нам необходимо найти именно тРНК, которые синтезируются на ДНК.

Затем находим тот триплет, который является центральным, именно его по принципу комплементарности переводим в иРНК и только теперь по таблице генетического кода находим аминокислоту.

 

1) По принципу комплементарности на основе фрагмента ДНК находим последовательность нуклеотидов участка тРНК:

ААЦ- ЦУУ- УУУ- ГЦЦ- УГА

2) Находим центральный участок тРНК- антикодон, его нуклеотидная последовательность: УУУ

3) По принципу комплементарности на основе антикодона тРНК находим нуклеотидную последовательность кодона иРНК:

ААА

4) По таблице генетического кода на основе кодона иРНК определяем аминокислоту:

лизин

 

Задача

В процессе трансляции участвовало 30 молекул тРНК.

Определите число аминокислот, входящих в состав синтезируемого белка, а также число триплетов и нуклеотидов в гене, который кодирует этот белок.

Решение:

1) Одна т-РНК транспортирует одну аминокислоту. Так как в синтезе белка участвовало 30 тРНК, то белок состоит из 30 аминокислот

2) Одну аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов, значит, 30 аминокислот кодирует 30 триплетов

3) Триплет состоит из 3 нуклеотидов, значит, количество нуклеотидов в гене, кодирующем белок из 30 аминокислот, равно 30х3=90

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit. Adipisci autem beatae consectetur corporis dolores ea, eius, esse id illo inventore iste mollitia nemo nesciunt nisi obcaecati optio similique tempore voluptate!

Adipisci alias assumenda consequatur cupiditate, ex id minima quam rem sint vitae? Animi dolores earum enim fugit magni nihil odit provident quaerat. Aliquid aspernatur eos esse magnam maiores necessitatibus, nulla?

Эта информация доступна зарегистрированным пользователям

В бесплатной версии урока недоступны:

  • Видео
  • Изображения
  • Дополнительная информация
  • Таблицы
  • Тесты
Получить доступ