Экологическая роль хемосинтеза
· Нитрифицирующие бактерии широко распространены в природе ; они встречаются в почве и в водоёмах и участвуют в осуществлении круговорота в природе в весьма крупных масштабах
· Серобактерии , образуя серную кислоту , способствуют постепенному разрушению и выветриванию горных пород , разрушению каменных и металлических сооружений , выщелачиванию руд и серных месторождений
· Многие виды серобактерий , окисляя до сульфатов различные соединения серы ,играют бльшую роль в процессах очистки промышленных сточных вод
· В результате деятельности железобактерий образуется Fе(ОН)3 , скопления которого образуют болотную железную руду
· Водородные бактерии уже используются для получения дешёвого пищевого и кормового белка , а также для регенерации ( восстановления ) атмосферы в замкнутых системах жизнеобеспечения ( например , система « Оазис –2 » была испытана на космическом корабле « Союз-3 » в 1973 г. )
· Водородные бактерии участвуют в окислении водорода , накапливающегося в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов , размельчающих органические вещества почвы , донные отложения водоёмов , в природных условиях
Отличия ( особенности ) процессов фотосинтеза и дыхания
ФОТОСИНТЕЗ | КИСЛОРОДНОЕ ДЫХАНИЕ | |
1. 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
Фотосинтез | Хемосинтез |
1. Для синтеза органических веществ используется световая энергия 2. Осуществляется в хлоропластах клеток эукариот ( растения) 3. Для синтеза необходимы фотосинтезирующие пигменты: хлорофилл, каротиноиды 4. Донором водорода для синтеза является вода | 1. 1. 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 , состоящаяиз трёх последовательных нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК и определяющая последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка , кодируемого этим геном
q 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
q Триплет АУГ является стартовым триплетом : с него начинается синтез всех белковых молекул эукариот
q Триплеты молекул тРНК , комплементарные триплетам мРНК ( кодонам ) называются антикодонами
2. Вырожденность – одна аминокислота кодируется более чем одним триплетом ( кодоном )
q Каждой аминокислоте ( кроме двух : метионина и триптофана ) может соответствовать несколько триплетов ) , например , серину – 6 кодонов , аланину – 4 кодона , большинству аминокислот – 2 кодона
q Вырожденность генетического кода обеспечивает возможность широкого изменения состава ДНК без изменения последовательности аминокислот в белках , кодируемых этой ДНК
3. Универсальность – все живые организмы от вирусов до человека используют практически единый генетический код ( служит доказательством единства органического мира )
4. Однозначность – кодон соответствует одной-единственной аминокислоте
5. Код не перекрывается - один нуклеотид не может входить в состав двух , а тем более трёх кодонов в цепи мРНК или состав другого гена
6. Непрерывность и однонаправленность – считывание кода идёт с одной точки ( стартового триплета – АУГ ) непрерывно только в одном направлении в пределах одного гена
7. Код не содержит знаков препинания – все нуклеотиды цепи мРНК следуют друг за другом без разделительных знаков : АГУГЦГААУУГЦГГ...
q Границами между генами ( « знаками препинания » ) служат стоп-кодоны , каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной полипептидной цепи
8. Специфичность – каждый кодон ( триплет ) соответствует не более чем одной аминокислоте
9. Линейность – кодоны образуют линейную цепочку
10. Имеет рамку считывания - условная граница между триплетами , определяющая последовательность транскрипции ( в ДНК ) или трансляции ( в мРНК ) кодонов
q 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
q 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 )
q 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
q Транскрипция начинается с присоединения фермента РНК-полимеразы к промотору ; присоединившись РНК-полимераза раскручивает примерно один виток ДНК ( 10 пар нуклеотидов )
q 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
q Продвигаясь вдоль ДНК , фермент РНК-полимераза продолжает дальнейшее расплетение ДНК и синтез растущей цепи мРНК по кодирующей цепи
q По мере движения РНК-полимеразы , увеличивающаяся цепь мРНК отходит от матрицы ДНК , а двойная спираль ДНК после « работы » восстанавливается
3. Терминация ( от лат. termination – окончание ) – фаза окончания синтеза мРНК
q 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
v 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
v Все изученные гены эукариотических клеток ( в отличие от клеток прокариот ) содержат участки , несущие информацию о какой–либо 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
v 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
v У прокариот интроны отсутствуют ( есть только экзоны ) , поэтому последовательность нуклеотидов их мРНК соответствует последовательности аминокислот в молекуле белка
v 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 )
v 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
v Процессинг мРНК у эукариот осуществляется многоступенчато
v 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
v Вырезанные интроны после процессинга расщепляются нуклеазами ( именно интроны препятствуют неверной стыковке экзонов , предотвращают мутации , которые могут сдвинуть рамку считывания )
v В транскрипции участвуют около 10 % всех геновклетки , остальные остаются неактивными ( комбинации транскрибированных генов в разных клетках определяют их дифференцировку и тканевую специфичность )
v После завершения транскрипции синтезированная молекула зрелой мРНК через ядерные поры переходит в цитоплазму , где осуществляется второй этап биосинтеза – трансляция