биосинтез белка какой обмен

Что такое биосинтез белка в клетке

В статье мы дадим опре­де­ле­ние био­син­те­зу и рас­смот­рим ос­нов­ные этапы син­те­за белков. Разберёмся, чем трансляция отличается от транскрипции.

В клетках непрерывно идут процессы обмена веществ — процессы синтеза и распада веществ. Каж­дая клет­ка син­те­зи­ру­ет необ­хо­ди­мые ей ве­ще­ства. Этот про­цесс на­зы­ва­ет­ся био­син­те­зом.

Био­син­тез — это про­цесс со­зда­ния слож­ных ор­га­ни­че­ских ве­ществ в ходе био­хи­ми­че­ских ре­ак­ций, про­те­ка­ю­щих с по­мо­щью фер­мен­тов. Биосинтез необходим для выживания — без него клетка умрёт.

Одним из важнейших процессов биосинтеза в клетке является процесс биосинтеза белков, который включает в себя особые реакции, встречающиеся только в живой клетке — это реакции матричного синтеза. Матричный синтез — это синтез новых молекул в соответствии с планом, заложенным в других уже существующих молекулах.

Синтез белка в клетке протекает при участии специальных органелл — рибосом. Это немембранные органеллы, состоящие из рРНК и рибосомальных белков.

Последовательность аминокислот в каждом белке определяется последовательностью нуклеотидов в гене — участке ДНК, кодирующем именно этот белок. Соответствие между последовательностью аминокислот в белке и последовательностью нуклеотидов в кодирующих его ДНК и иРНК определяется универсальным правилом — генетическим кодом.

Информация о белке может быть записана в нуклеиновой кислоте только одним способом — в виде последовательности нуклеотидов. ДНК построена из 4 видов нуклеотидов: аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г), цитозина (Ц), а белки — из 20 видов аминокислот. Таким образом, возникает проблема перевода четырёхбуквенной записи информации в ДНК в двадцатибуквенную запись белков. Генетический код — соотношения нуклеотидных последовательностей и аминокислот, на основе которых осуществляется такой перевод.

Процесс синтеза белка в клетке можно разделить на два этапа: транскрипция и трансляция.

Транскрипция — первый этап биосинтеза белка

Транскрипция — это процесс синтеза молекулы иРНК на участке молекулы ДНК.

Транскрипция (с лат. transcription — переписывание) происходит в ядре клетки с участием ферментов, основную работу из которых осуществляет транскриптаза. В этом процессе матрицей является молекула ДНК.

Спе­ци­аль­ный фер­мент на­хо­дит ген и рас­кру­чи­ва­ет уча­сток двой­ной спи­ра­ли ДНК. Фер­мент пе­ре­ме­ща­ет­ся вдоль цепи ДНК и стро­ит цепь ин­фор­ма­ци­он­ной РНК в со­от­вет­ствии с прин­ци­пом ком­пле­мен­тар­но­сти. По мере дви­же­ния фер­мен­та рас­ту­щая цепь РНК мат­ри­цы от­хо­дит от мо­ле­ку­лы, а двой­ная цепь ДНК вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся. Когда фер­мент до­сти­га­ет конца ко­пи­ро­ва­ния участ­ка, то есть до­хо­дит до участ­ка, на­зы­ва­е­мо­го стоп-ко­до­ном, мо­ле­ку­ла РНК от­де­ля­ет­ся от мат­ри­цы, то есть от мо­ле­ку­лы ДНК. Таким об­ра­зом, тран­скрип­ция — это пер­вый этап био­син­те­за белка. На этом этапе про­ис­хо­дит счи­ты­ва­ние ин­фор­ма­ции путём син­те­за ин­фор­ма­ци­он­ной РНК.

Копировать информацию, хотя она уже содержится в молекуле ДНК, необходимо по следующим причинам: синтез белка происходит в цитоплазме, а молекула ДНК слишком большая и не может пройти через ядерные поры в цитоплазму. А маленькая копия её участка — иРНК — может транспортироваться в цитоплазму.

После транскрипции громоздкая молекула ДНК остаётся в ядре, а молекула иРНК подвергается «созреванию» — происходит процессинг иРНК. На её 5’ конец подвешивается КЭП для защиты этого конца иРНК от РНКаз — ферментов, разрушающих молекулы РНК. На 3’ конце достраивается поли(А)-хвост, который также служит для защиты молекулы. После этого проходит сплайсинг — вырезание интронов (некодирующих участков) и сшивание экзонов (информационных участков). После процессинга подготовленная молекула транспортируется из ядра в цитоплазму через ядерные поры.

Транскрипция пошагово:

Проверьте себя: помните ли вы принцип комплементарности? Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей. Цепи в молекуле ДНК противоположно направлены. Остов цепей ДНК образован сахарофосфатными остатками, а азотистые основания одной цепи располагаются в строго определённом порядке напротив азотистых оснований другой — это и есть правило комплементарности.

Трансляция — второй этап биосинтеза белка

Трансляция — это перевод информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот.

Что же происходит в клетке? Трансляция представляет собой непосредственно процесс построения белковой молекулы из аминокислот. Трансляция происходит в цитоплазме клетки. В трансляции участвуют рибосомы, ферменты и три вида РНК: иРНК, тРНК и рРНК. Глав­ным по­став­щи­ком энер­гии при трансляции слу­жит мо­ле­ку­ла АТФ — аде­но­з­ин­три­фос­фор­ная кис­ло­та.

Во время транс­ля­ции нук­лео­тид­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти ин­фор­ма­ци­он­ной РНК пе­ре­во­дят­ся в по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот в мо­ле­ку­ле по­ли­пеп­тид­ной цепи. Этот про­цесс идёт в ци­то­плаз­ме на ри­бо­со­мах. Об­ра­зо­вав­ши­е­ся ин­фор­ма­ци­он­ные РНК вы­хо­дят из ядра через поры и от­прав­ля­ют­ся к ри­бо­со­мам. Ри­бо­со­мы — уни­каль­ный сбо­роч­ный ап­па­рат. Ри­бо­со­ма сколь­зит по иРНК и вы­стра­и­ва­ет из опре­де­лён­ных ами­но­кис­лот длин­ную по­ли­мер­ную цепь белка. Ами­но­кис­ло­ты до­став­ля­ют­ся к ри­бо­со­мам с по­мо­щью транс­порт­ных РНК. Для каж­дой ами­но­кис­ло­ты тре­бу­ет­ся своя транс­порт­ная РНК, ко­то­рая имеет форму три­лист­ни­ка. У неё есть уча­сток, к ко­то­рому при­со­еди­ня­ет­ся ами­но­кис­ло­та и дру­гой три­плет­ный ан­ти­ко­дон, ко­то­рый свя­зы­ва­ет­ся с ком­пле­мен­тар­ным ко­до­ном в мо­ле­ку­ле иРНК.

Це­поч­ка ин­фор­ма­ци­он­ной РНК обес­пе­чи­ва­ет опре­де­лён­ную по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот в це­поч­ке мо­ле­ку­лы белка. Время жизни ин­фор­ма­ци­он­ной РНК ко­леб­лет­ся от двух минут (как у неко­то­рых бак­те­рий) до несколь­ких дней (как, на­при­мер, у выс­ших мле­ко­пи­та­ю­щих). Затем ин­фор­ма­ци­он­ная РНК раз­ру­ша­ет­ся под дей­стви­ем фер­мен­тов, а нук­лео­ти­ды ис­поль­зу­ют­ся для син­те­за новой мо­ле­ку­лы ин­фор­ма­ци­он­ной РНК. Таким об­ра­зом, клет­ка кон­тро­ли­ру­ет ко­ли­че­ство син­те­зи­ру­е­мых бел­ков и их тип.

Трансляция пошагово:

По промокоду BIO92021 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 9 класса. Выберите нужный раздел и изучайте биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»!

Резюме

Теперь вы знаете, что биосинтез необходим для выживания — без него клетка умрёт. Процесс биосинтеза белков включает в себя особые реакции, встречающиеся только в живой клетке, — это реакции матричного синтеза.

Син­тез белка со­сто­ит из двух эта­пов: тран­скрип­ции (об­ра­зо­ва­ние ин­фор­ма­ци­он­ной РНК по мат­ри­це ДНК, про­те­ка­ет в ядре клет­ки) и транс­ля­ции (эта ста­дия про­хо­дит в ци­то­плаз­ме клет­ки на ри­бо­со­мах). Эти этапы сменяют друг друга и состоят из последовательных процессов.

Источник

Лекция № 10. Понятие об обмене веществ. Биосинтез белков

Обмен веществ

Обмен веществ — важнейшее свойство живых организмов. Совокупность реакций обмена веществ, протекающих в организме, называется метаболизмом. Метаболизм состоит из реакций ассимиляции (пластического обмена, анаболизма) и реакций диссимиляции (энергетического обмена, катаболизма). Ассимиляция — совокупность реакций биосинтеза, протекающих в клетке, диссимиляция — совокупность реакций распада и окисления высокомолекулярных веществ, идущих с выделением энергии. Эти группы реакций взаимосвязаны: реакции биосинтеза невозможны без энергии, которая выделяется в реакциях энергетического обмена, реакции диссимиляции не идут без ферментов, образующихся в реакциях пластического обмена.

По типу обмена веществ организмы подразделяются на две группы: автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы — организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических и использующие для этого синтеза или солнечную энергию, или энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ. Гетеротрофы — организмы, использующие для своей жизнедеятельности органические вещества, синтезированные другими организмами. В качестве источника углерода автотрофы используют неорганические вещества (СО₂), а гетеротрофы — экзогенные органические. Источники энергии: у автотрофов — энергия солнечного света (фотоавтотрофы) или энергия, выделяющаяся при окислении неорганических соединений (хемоавтотрофы), у гетеротрофов — энергия окисления органических веществ (хемогетеротрофы).

Большинство живых организмов относится или к фотоавтотрофам (растения), или к хемогетеротрофам (грибы, животные). Если организмы, в зависимости от условий, ведут себя как авто- либо как гетеротрофы, то их называют миксотрофами (эвглена зеленая).

Биосинтез белков

Биосинтез белков является важнейшим процессом анаболизма. Все признаки, свойства и функции клеток и организмов определяются в конечном итоге белками. Белки недолговечны, время их существования ограничено. В каждой клетке постоянно синтезируются тысячи различных белковых молекул. В начале 50-х гг. ХХ в. Ф. Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии: ДНК → РНК → белок. Согласно этой догме способность клетки синтезировать определенные белки закреплена наследственно, информация о последовательности аминокислот в белковой молекуле закодирована в виде последовательности нуклеотидов ДНК. Участок ДНК, несущий информацию о первичной структуре конкретного белка, называется геном. Гены не только хранят информацию о последовательности аминокислот в полипептидной цепочке, но и кодируют некоторые виды РНК: рРНК, входящие в состав рибосом, и тРНК, отвечающие за транспорт аминокислот. В процессе биосинтеза белка выделяют два основных этапа: транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК (гена) — и трансляция — синтез полипептидной цепи.

Генетический код и его свойства

Генетический код — система записи информации о последовательности аминокислот в полипептиде последовательностью нуклеотидов ДНК или РНК. В настоящее время эта система записи считается расшифрованной.

Свойства генетического кода:

Таблица генетического кода

Первое основание	Второе основание				Третье основание
	У(А)	Ц(Г)	А(Т)	Г(Ц)
У(А)	Фен Фен Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир — —	Цис Цис — Три	У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц)
Ц(Г)	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гис Гис Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц)
А(Т)	Иле Иле Иле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Лиз Лиз	Сер Сер Арг Арг	У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц)
Г(Ц)	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Глу Глу	Гли Гли Гли Гли	У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц)

* Первый нуклеотид в триплете — один из четырех левого вертикального ряда, второй — один из верхнего горизонтального ряда, третий — из правого вертикального.

Реакции матричного синтеза

Это особая категория химических реакций, происходящих в клетках живых организмов. Во время этих реакций происходит синтез полимерных молекул по плану, заложенному в структуре других полимерных молекул-матриц. На одной матрице может быть синтезировано неограниченное количество молекул-копий. К этой категории реакций относятся репликация, транскрипция, трансляция и обратная транскрипция.

Название реакции матричного синтеза	Характеристика процесса	Основные компоненты
Репликация	Синтез ДНК на матрице ДНК	Дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, ферменты
Транскрипция	Синтез РНК на матрице ДНК	Участок ДНК, рибонуклеозидтрифосфаты, ферменты
Трансляция	Синтез полипептида на матрице РНК	Рибосомы, иРНК, аминокислоты, тРНК, АТФ, ГТФ, ферменты
Обратная транскрипция	Синтез ДНК на матрице РНК	Дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, ферменты

Строение гена эукариот

Ген — участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортных и рибосомных РНК. ДНК одной хромосомы может содержать несколько тысяч генов, которые располагаются в линейном порядке. Место гена в определенном участке хромосомы называется локусом. Особенностями строения гена эукариот являются: 1) наличие достаточно большого количества регуляторных блоков, 2) мозаичность (чередование кодирующих участков с некодирующими). Экзоны (Э) — участки гена, несущие информацию о строении полипептида. Интроны (И) — участки гена, не несущие информацию о строении полипептида. Число экзонов и интронов различных генов разное; экзоны чередуются с интронами, общая длина последних может превышать длину экзонов в два и более раз. Перед первым экзоном и после последнего экзона находятся нуклеотидные последовательности, называемые соответственно лидерной (ЛП) и трейлерной последовательностью (ТП). Лидерная и трейлерная последовательности, экзоны и интроны образуют единицу транскрипции. Промотор (П) — участок гена, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза, представляет собой особое сочетание нуклеотидов. Перед единицей транскрипции, после нее, иногда в интронах находятся регуляторные элементы (РЭ), к которым относятся энхансеры и сайленсеры. Энхансеры ускоряют транскрипцию, сайленсеры тормозят ее.

Транскрипция у эукариот

Транскрипция — синтез РНК на матрице ДНК. Осуществляется ферментом РНК-полимеразой.

РНК-полимераза может присоединиться только к промотору, который находится на 3′-конце матричной цепи ДНК, и двигаться только от 3′- к 5′-концу этой матричной цепи ДНК. Синтез РНК происходит на одной из двух цепочек ДНК в соответствии с принципами комплементарности и антипараллельности. Строительным материалом и источником энергии для транскрипции являются рибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, УТФ, ГТФ, ЦТФ).

В результате транскрипции образуется «незрелая» иРНК (про-иРНК), которая проходит стадию созревания или процессинга. Процессинг включает в себя: 1) КЭПирование 5′-конца, 2) полиаденилирование 3′-конца (присоединение нескольких десятков адениловых нуклеотидов), 3) сплайсинг (вырезание интронов и сшивание экзонов). В зрелой иРНК выделяют КЭП, транслируемую область (сшитые в одно целое экзоны), нетранслируемые области (НТО) и полиадениловый «хвост».

Транслируемая область начинается кодоном-инициатором, заканчивается кодонами-терминаторами. НТО содержат информацию, определяющую поведение РНК в клетке: срок «жизни», активность, локализацию.

Транскрипция и процессинг происходят в клеточном ядре. Зрелая иРНК приобретает определенную пространственную конформацию, окружается белками и в таком виде через ядерные поры транспортируется к рибосомам; иРНК эукариот, как правило, моноцистронны (кодируют только одну полипептидную цепь).

Трансляция

Трансляция — синтез полипептидной цепи на матрице иРНК.

Органоиды, обеспечивающие трансляцию, — рибосомы. У эукариот рибосомы находятся в некоторых органоидах — митохондриях и пластидах (70S-рибосомы), в свободном виде в цитоплазме (80S-рибосомы) и на мембранах эндоплазматической сети (80S-рибосомы). Таким образом, синтез белковых молекул может происходить в цитоплазме, на шероховатой эндоплазматической сети, в митохондриях и пластидах. В цитоплазме синтезируются белки для собственных нужд клетки; белки, синтезируемые на ЭПС, транспортируются по ее каналам в комплекс Гольджи и выводятся из клетки. В рибосоме выделяют малую и большую субъединицы. Малая субъединица рибосомы отвечает за генетические, декодирующие функции; большая — за биохимические, ферментативные.

В малой субъединице рибосомы расположен функциональный центр (ФЦР) с двумя участками — пептидильным (Р-участок) и аминоацильным (А-участок). В ФЦР может находиться шесть нуклеотидов иРНК, три — в пептидильном и три — в аминоацильном участках.

Для транспорта аминокислот к рибосомам используются транспортные РНК, тРНК (лекция №4). Длина тРНК от 75 до 95 нуклеотидных остатков. Они имеют третичную структуру, по форме напоминающую лист клевера. В тРНК различают антикодоновую петлю и акцепторный участок. В антикодоновой петле РНК имеется антикодон, комплементарный кодовому триплету определенной аминокислоты, а акцепторный участок на 3′-конце способен с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы присоединять именно эту аминокислоту (с затратой АТФ). Таким образом, у каждой аминокислоты есть свои тРНК и свои ферменты, присоединяющие аминокислоту к тРНК.

1 — антикодон;
2 — участок, связывающий аминокислоту.

Транспорт аминокислот к рибосомам:
1 — фермент; 2 — тРНК; 3 — аминокислота.

Двадцать видов аминокислот кодируются 61 кодоном, теоретически может быть 61 вид тРНК с соответствующими антикодонами. Но кодируемых аминокислот всего 20 видов, значит, у одной аминокислоты может быть несколько тРНК. Установлено существование нескольких тРНК, способных связываться с одним и тем же кодоном (последний нуклеотид в антикодоне тРНК не всегда важен), поэтому в клетке обнаружено всего около 40 различных тРНК.

Синтез белка начинается с того момента, когда к 5′-концу иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, в Р-участок которой заходит метиониновая тРНК (транспортирующая аминокислоту метионин). Следует отметить, что любая полипептидная цепь на N-конце сначала имеет метионин, который в дальнейшем чаще всего отщепляется. Синтез полипептида идет от N-конца к С-концу, то есть пептидная связь образуется между карбоксильной группой первой и аминогруппой второй аминокислот.

Затем происходит присоединение большой субъединицы рибосомы, и в А-участок поступает вторая тРНК, чей антикодон комплементарно спаривается с кодоном иРНК, находящимся в А-участке.

Пептидилтрансферазный центр большой субъединицы катализирует образование пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. Отдельного фермента, катализирующего образование пептидных связей, не существует. Энергия для образования пептидной связи поставляется за счет гидролиза ГТФ.

Как только образовалась пептидная связь, метиониновая тРНК отсоединяется от метионина, а рибосома передвигается на следующий кодовый триплет иРНК, который оказывается в А-участке рибосомы, а метиониновая тРНК выталкивается в цитоплазму. На один цикл расходуется 2 молекулы ГТФ. В А-участок заходит третья тРНК, и образуется пептидная связь между второй и третьей аминокислотами.

Трансляция идет до тех пор, пока в А-участок не попадает кодон-терминатор (УАА, УАГ или УГА), с которым связывается особый белковый фактор освобождения. Полипептидная цепь отделяется от тРНК и покидает рибосому. Происходит диссоциация, разъединение субъединиц рибосомы.

Скорость передвижения рибосомы по иРНК — 5–6 триплетов в секунду, на синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислотных остатков, клетке требуется несколько минут. Первым белком, синтезированным искусственно, был инсулин, состоящий из 51 аминокислотного остатка. Потребовалось провести 5000 операций, в работе в течение трех лет принимали участие 10 человек.

В трансляции можно выделить три стадии: а) инициации (образование иницаторного комплекса), б) элонгации (непосредственно «конвейер», соединение аминокислот друг с другом), в) терминации (образование терминирующего комплекса).

Транскрипция и трансляция у прокариот

«Механизмы» сборки полинуклеотидных и полипептидных цепочек у прокариот и эукариот не различаются. Но в связи с тем, что гены прокариот не имеют экзонов и интронов (исключение — гены архебактерий), располагаются группами, и на эту группу генов приходится один промотор, появляются следующие особенности транскрипции и трансляции у прокариот.

1 — ДНК; 2 — РНК-полимераза; 3 — Нуклеозидтрифосфаты ГТФ, ЦТФ, АТФ, УТФ.

Можно добавить, что срок «жизни» прокариотических иРНК — несколько минут (у эукариот — часы и даже сутки).

Перейти к лекции №9 « Строение прокариотической клетки. Вирусы»

Перейти к лекции №11 « Понятие об обмене веществ. Биосинтез белков»

Смотреть оглавление (лекции №1-25)

Источник

Урок Бесплатно Метаболизм. Пластический обмен

Введение

Нашему организму для жизни постоянно необходимы следующие составляющие :

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.

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

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:

При энергетическом обмене образуется несколько видов энергии:

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

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

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

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.

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:

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:

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

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Пластический обмен. Биосинтез белка. Генетический код

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:

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

Синтез белка

Вещества и структуры клетки участвующие в биосинтезе белка:

Вещества и структуры клетки

Функции в биосинтезе белка

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

Переносит кодирующие аминокислоты к месту биосинтеза на рибосоме.

Органоид, где происходит биосинтез белка

Катализируют биосинтез белка

Строительный материал для построения белковой молекулы

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.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Человеческий организм самостоятельно может образовывать из 20 аминокислот всего 12, которые называют заменимые.

Остальные восемь аминокислот должны поступать в организм в готовом виде вместе с белками пищи, поэтому они называются незаменимыми.

Незаменимые аминокислоты:

Если в организм не попали какие-либо нужные аминокислоты, которые необходимы для срочного построения белка, то организм может предпринять меру по разрушению собственных белков, содержащих эту же аминокислоту.

Большинство животных белков содержат все восемь незаменимых аминокислот в достаточных количествах.

В растительной пище также есть белки с незаменимыми аминокислотами, например у бобовых растений очень большее их содержание.

Но не вся растительная пища так богата аминокислотами, уровень некоторых незаменимых аминокислот бывает очень низок.

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.

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 образование 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.

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

Схематично это выглядит так:

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)

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).

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 4 2 =16 различных комбинаций- этого недостаточно, так как у нас 20 аминокислот.

Комбинаций из трёх нуклеотидов будет уже 64 (4 3 = 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.

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:

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

ДНК и РНК состоят из множества нуклеотидов.

Нуклеотид— это мономер нуклеиновых кислот.

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

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:

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.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Ученые «увидели» как мРНК выходят из ядра.

Создав микроскоп, способный достичь не виданного ранее разрешения, ученые из Колледжа медицины Альберта Эйнштейна впервые увидели транспорт мРНК через ядерные поры живых клеток в режиме реального времени.

Ученые увидели, что через саму пору ядра мРНК проходит всего за 5 миллисекунд, но стыковка с порой занимает 80 миллисекунд ожидания.

И еще 80 миллисекунд мРНК ждет на другом конце поры, прежде чем перейти в цитоплазму.

10 процентов молекул мРНК остаются у ядерных пор, ожидая доступа, даже в течение секунд, а не миллисекунд.

Ученые предполагают, что в этих точках ожидания мРНК подвергаются проверке на качество.

Это открытие поможет понять, как лечить некоторые болезни, к примеру болезнь миотоническая дистрофия. В клетках таких больных молекулы мРНК не могут выйти из ядра и попасть в цитоплазму

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

Задача

Фрагмент цепи ДНК имеет последовательность нуклеотидов:

Постройте мРНК по принципу комплементарности.

Решение:

Мы знаем принцип комплементарности

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.

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.

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).

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.

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.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей.

Одна из них содержит 21 аминокислотный остаток (цепь А), вторая- 30 аминокислотных остатков (цепь В).

В 1963 г. был синтезирован первый искусственный белок- инсулин.

Сейчас методы синтеза белков значительно усовершенствованы и их синтез не является проблемой.

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:

Этапы биосинтеза белка:

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

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

2. Регуляторные элементы

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.

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.

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

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

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Можно было бы предположить, что часть «неработающих» генов в тех или иных клетках утрачивается и разрушается, однако целый ряд экспериментов доказал, что это не так.

Из клетки кишечника головастика при определенных условиях можно вырастить целую лягушку, что возможно только в том случае, если в ядре этой клетки сохранилась вся генетическая информация.

Следовательно, в каждой клетке многоклеточного организма используется только часть генетической информации, содержащейся в ее ДНК.

Значит, должны иметь место механизмы, «включающие» или «выключающие» работу того или иного гена в разных клетках»

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Источник