Обмен веществ и энергии. Биосинтез белка. Супрун З.М. г. Ивантеевка МОУ школа 5

Энергия поступает в клетку Клетка – это открытая система Используется клеткой для химического синтеза веществ, используемых для построения и восстановления структур клетки и организма. Поток энергии в клетке

Обмен веществ и энергии в клетке.

Главным структурным элементом органических молекул является углерод. Живые организмы Автотрофы Гетеротрофы Образуют органические вещества из неорганических веществ неживой природы (СО 2 ), (Н 2 О), минеральных веществ. Не могут синтезировать органические вещества. Должны получать готовые органические вещества.

Откуда берут энергию? Фототрофы ХемотрофыГетеротрофы Поглощение энергии солнечного света растениями или бактериями Окислительно – восстановительные реакции некоторых бактерий (серобактерий, железобактерий) Используют энергию окисления части органических веществ пищи. (все животные, грибы, большинство бактерий). МИКСОТРОФЫ – смешанное питание.

В общем виде поток энергии можно представить следующим образом. Энергия Солнца автотрофы органические вещества АТФ различные формы работы. Энергия Солнца автотрофы органические вещества гетеротрофы АТФ различные формы работы.

Существуют два типа клеточных механизмов, обеспечивающих поток энергии. Питание Процесс приобретения энергии и вещества живыми орга­ низмами. Дыхание Процесс, с помощью которого живые организмы высвобождают энергию из богатых ею веществ, полученных с пищей.

МЕТАБОЛИЗМ –совокупность анаболизма и катаболизма. Анаболизм Ассимиляция Пластический обмен Катаболизм Диссимиляция Энергетический обмен Совокупность реакций синтеза сложных органических молекул из простых веществ, идущих с поглощением энергии. Совокупность реакций синтеза сложных органических молекул из простых веществ, идущих с поглощением энергии. Совокупность реакций расщепления сложных органических молекул до простых соединений, идущих с выделением энергии.

Превращение энергии у гетеротрофов. Энергия химических связей органических веществ пищи. Механическая работа Тепловая энергия Окружающая среда. Электрические импульсы А Т Ф Макроэргическ ие связи Энергия химических связей собственных органических соединений.

Превращение энергии у автотрофов. Электромагнитная энергия солнца Всасывание веществ корнями Транспорт веществ по стеблю. Энергия химических связей (темновая фаза фотосинтеза ) А Т Ф ( световая фаза фотосинтеза)

Подчиняется законам термодинамики: -закон превращения и сохранения энергии. -при всех превращениях энергии, часть её неизбежно теряется. (потери идут на всех этапах.)

Анаболизм Белки являются необходимыми компонентами всех клеток, поэтому наиболее важным процессом пластического обмена является биосинтез белка. Ген – это участок молекулы ДНК, ответственный за синтез одной молекулы белка.

Гены располагаются линейно. Ген непосредственного участия в синтезе белка не принимает.

Свойства генетического кода 1. Генетический код триплетный: Триплеты нуклеотидов Аминокислоты УЦУсерин ГЦУаланин ГУЦвалин

2. Код вырожден. Это означает, что каждая аминокислота кодируется более чем одним кодоном (от 2 до 6): Триплеты нуклеотидов Аминокислоты УУГ УУА ЦУУ ЦУЦ Лейцин

3. Код не перекрывающийся. Это значит, что последовательно расположенные кодоны являются последовательно расположенными триплетами нуклеотидов: кодоныУУЦУЦУУУГ аминокислоты фенилаланин серинлейцин

4. Универсален для всех клеток (человека, животных, растений). 5. Специфичен. Один и тот же триплет не может соответствовать нескольким аминокислотам. 6. Синтез белка начинается со стартового (начального) кодона АУГ, который кодирует аминокислоту метионин. 7. Заканчивается синтез белка одним из трех стоп-кодонов, не кодирующих аминокислоты: УАГ, УАА, УГА.

Белок-синтезирующая система

Белок-синтезирующая система включает в себя: информационную РНК (иРНК) в качестве главного компонента системы; набор из 20 аминокислот, входящих в состав молекулы минимум 20 разных транспортных РНК (тРНК), является посредником между триплетным кодом, содержащимся в иРНК, и аминокислотной последовательностью полипептидной цепи;

набор минимум 20 различных ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз, обладающих двойной специфичностью, т. е. «узнающих» только одну какую-либо аминокислоту и одну тРНК; рибосомы (точнее полисомы, состоящие из 412 моно рибосом с присоединенной к ним иРНК); АТФ- и АМФ-генерирующую систему ферментов; цитоплазматические факторы инициации, элонгации, терминации; ионы магния.

В состав РНК входят нуклеотиды 4 типов: А, Г, Ц, У. В состав белковых молекул входит 20 аминокислот. Каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью 3 нуклеотидов, называемых триплетом, или кодоном. Из 4 нуклеотидов можно создать 64 различные комбинации по 3 нуклеотида в каждой (4 3 =64).

Биосинтез белка ДНК иРНК (принцип комплементарности) рибосома (биосинтез белка) Белок биополимер, мономер аминокислоты

Биосинтез белка

Этапы биосинтеза белка Первый этап синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскрипты» переписывание). Фермент РНК-полимераза и использование энергии АТФ.

1. Транскрипция ДНК передает закодированную в ней последовательность аминокислот информационной или матричной РНК посредством однонаправленного механизма, основанного на принципе комплементарности между азотистыми основаниями нуклеиновых кислот.

Транскрипция (лат. переписывание)

2. Трансляция, состоящая в преобразовании линейного четырехбуквенного кода нуклеиновой кислоты в линейный же двадцати буквенный белковый код. Двадцати буквенное линейное сообщение принимает затем трехмерную конфигурацию, уникальную для каждого белка.

Синтез белка осуществляется в цитоплазме на рибосомах, где иРНК служит матрицей. Синтезированная иРНК выходит через поры в ядерной оболочке в цитоплазму клетки, объединяется с рибосомами, образуя полирибосомы (полисомы). Каждая рибосома состоит из двух субъединиц - большой и малой. иРНК присоединяется к малой субъединице в присутствии ионов магния.

Активация свободных аминокислот осуществляется при помощи специфических ферментов аминоацил- тРНК-синтетаз в присутствии АТФ. Активирование аминокислот – необходимое условие синтеза белка.

Этот процесс протекает в две стадии:

Аминокислота присоединяется к концевому 3-ОН- гидроксилу адениловой кислоты, которая вместе е двумя остатками цитидиловой кислоты образует концевой триплет (ЦЦА), являющийся постоянным для всех транспортных РНК. Одна тРНК от другой тРНК отличается своими антикодонами,

Процессы трансляции Синтез белка процесс многоступенчатый протекающий в рибосоме, условно делят на 3 стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициация трансляции. Стадия инициации, являющаяся «точкой отсчета» начала синтеза белка. Экспериментально доказано, что синтез белка инициирует единственная аминокислота метионин. Синтез белка начинается с образования инициирующего комплекса. Поступившая из ядра в цитоплазму иРНК соединяется с малой субъединицей рибосомы. Первый кодон у всех иРНК (АУГ) несет информацию об аминокислоте метионине.

Взаимодействуя с соответствующим антикодоном, тРНК-мет, именуемая инициатор ной тРНК, формирует комплекс, который обеспечивает связь малой субъединицы рибосомы с большой. Формилметионин

Большая субъединица имеет два участка: пептидильный (донорный), связанный с удлиняющейся цепью полипептида, а второй, аминоацильиый (акцепторный), присоединяющий новую аминоацил-тРНК.

Группа факторов элонгации доставляет аммноацил-тРНК в аминоацильный участок рибосомы. Затем рибосомный фермент пептидилтрансфераза переносит (транслирует) аминокислоту (первая аминокислота метионин) из пептидильного центра в аминоацильный, и образуется первая пептидная связь между аминокислотами

После этого под действием факторов элонгации происходит перемещение рибосомы относительно иРНК, и дипептидил-тРНК оказывается в области пептидильного центра рибосомы, по-прежнему связанная с первым кодоном иРНК. При перемещении тРНК-мет освобождается из рибосомы.

В результате транслокации (движении рибосомы) дипептидил-тРНК занимает место в пептидильном центре рибосомы, а аминоацильный центр освобождается для нового цикла узнавания и может присоединить новую следующую аминокислоту -тРНК, соответствующую кодону мРНК.

А П АУГГЦГГГЦУЦГ УАЦ мет ЦГЦ Ала про ЦЦГ 1. Кислота мет. аминоацильный центр 2. Возникает пептидная связь 3. Рибосома делает скачок 4. Дипептид в пептидильном центре 5. В аминоациальный центр поступает новая тРНК согласно кодону несёт нужную аминокислоту 1. Кислота мет. аминоацильный центр 2. Возникает пептидная связь 3. Рибосома делает скачок 4. Дипептид в пептидильном центре 5. В аминоациальный центр поступает новая тРНК согласно кодону несёт нужную аминокислоту

элонгация

Терминация трансляции. Удлинение полипептидной цепи продолжается до тех пор, пока на пути рибосомы не встретится один из терминирующих (бессмысленных) триплетов РНК (УАА, ЦАГ, УГА). В области этих триплетов под действием факторов терминации (внерибосомные белки) происходит гидролитическое расщепление связи между пептидом и последней тРНК, и освобождается готовый белок.

Процесс синтеза белковой молекулы требует больших затрат энергии. На соединение каждой аминокислоты с тРНК расходуется энергия одной молекулы АТФ. Средний по размерам белок состоит из 500 аминокислот, следовательно, столько же молекул АТФ расщепляются в процессе его синтеза. Кроме того, энергия нескольких молекул АТФ нужна для движения иРНК по рибосоме.

На пятом этапе происходит образование вторичной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.

Роль ферментов. Энергетика биосинтеза.

Итог. Синтез белка. А - связывание аминоацил - тРНК; Б - образование пептидной связи между метионином и 2-ой аминокислотой; В - перемещение рибосомы на один кодон. Выходит из рибосомы и приобретает структуру, свойственную данному белку.

Непосредственная функция отдельного гена состоит в кодировании структуры определенного белка-фермента, который катализирует одну биохимическую реакцию, протекающую в определенных условиях среды. Ген (участок ДНК) иРНК белок- фермент биохимическая реакция наследственный признак.

Если синтез происходит на гранулярной эндоплазматической сети, то полипептидная цепь поступает в канальца эндоплазматической сети. Далее белок поступает в комплекс Гольджи и выносится из клетки. Если синтез происходит на рибосомах в цитоплазме, то синтезированные молекулы используются клеткой. Весь процесс синтеза длится от 20 до 500 сек и зависит от длины полипептида.

Особенности матричного синтеза 1. Свойственна только живым системам. 2. Отражает основное свойство всего живого – воспроизведение себе подобных. 3. Обеспечивает специфическую последовательность мономеров в синтезируемых полимерах и строго направленное стягивание мономеров в определённое место клетки. 4. Способствует быстроте реакции.

Рассмотрим регуляцию синтеза белка на уровне а) структурные гены, содержащие генетическую информацию о синтезе ферментов метаболического пути; б) ген-регулятор, который может находиться на некотором расстоянии от структурных генов и таким образом непосредственно не входить в организацию оперона. Ген-регулятор обеспечивает синтез особого белка - репрессора. Репрессор обладает очень сильным сродством к гену - оператору и может легко присоединяться к нему: Регуляция синтеза белка

в) ген-оператор управляет функционированием структурных генов оперона, т, е. «включает» или «выключает» их. Если этот ген свободен, то это значит, что работа структурных генов разрешена, если он связывается с репрессором, то работа этих генов прекращается; г) ген-промотор служит местом прикрепления РНК-полимеразы, которая узнает этот ген с помощью субъединицы, имеющей особую конфигурацию.

оперон - генетическая единица, включающая в себя следующие гены: а) структурные гены, содержащие генетическую информацию о структуре иРНК о структуре белка.

Промотор – «посадочная площадка» для ферментов РНК-полимеразы. Оператор, если с оператором связан репрессор, то РНК-полимераза не может начать синтез иРНК.

Механизм регуляции синтеза белка у прокариот. Вещество Фермент Вещество 1 Вещество 2 Процесс Вещество Х связывается с репрессором. РНК-полимераза начинает синтез иРНК. Фермент синтезируется.

Когда всё вещество будет разрушено Репрессор вновь связывается с оператором Синтез фермента прекращает ся.

1. Первый этап биосинтеза называется А. Трансляция Б. Транскрипция В. Ассимиляция 2. Транскрипция осуществляется: А. в ядре Б. в митохондриях В. В цитоплазме на рибосомах А. Тест

3. Трансляция осуществляется: А. в ядре Б. в цитоплазме на рибосомах В. В митохондриях А 4. Рибосома по цепи и-РНК перемещается А. плавно Б. скачками с одного триплета на другой В. Скачками через триплет А

Тест 1. Какое из утверждений неверно? А. генетический код универсален Б. генетический код вырожден В. генетический код индивидуален Г. генетический код триплетен 2. Один триплет ДНК кодирует: А. один признак организма Б. одну аминокислоту В. несколько аминокислот Г. последовательность аминокислот в белке

3. «Знаки препинания» генетического кода А. запускают синтез белка Б. прекращают синтез белка В. кодируют определенные белки Г. кодируют группу аминокислот 4. Если у лягушки аминокислота ВАЛИН кодируется триплетом ГУУ, то у собаки эта аминокислота может кодироваться триплетами (см. таблицу): А. ЦУЦ и ЦУА Б. ГУА и ГУГ В. УУЦ и УЦА Г. УАГ и УГА

5. Синтез белка завершается в момент А. узнавания кодона антикодоном Б. поступления и-РНК на рибосомы В. появления на рибосоме «знака препинания» Г. присоединения аминокислоты к т-РНК 6. Укажите пару клеток в которой у одного человека содержится разная генетическая информация? А. клетки печени и желудка Б. нейрон и лейкоцит В. мышечная и костная клетки Г. клетка языка и яйцеклетка

7. Функция и-РНК в процессе биосинтеза А. хранение наследственной информации Б. транспорт аминокислот на рибосомы В. передача информации на рибосомы Г. ускорение процесса биосинтеза 8. Антикодон т-РНК состоит из нуклеотидов УЦГ. Какой триплет ДНК ему комплементарен? А. УУГ Б. ТЦГ В. ТТЦ Г. ЦЦГ

Используемая литература. Общая биология. В.Б. Захаров, С.Г. Мамонтов, Н.И. Сонин Москва «Дрофа» 2007 г. Общая биология А.А.Каменский, Е.А. Криксунов, В.В. Пасечник М. «Дрофа» 2005 г. Биология. Н.Грин, У Стаун, Д. Тейлор изд-во М. «Мир» 1990 г. Биология. Пособие для поступающих в ВУЗы под редакцией Н.В. Чебышева Москва «Новая волна» 2004 г. Общая биология кл. под редакцией пр. А.О. Рувинского. Москва «Просвещение» 1993 г. Задания демоверсий ЕГЭ 2002 – 2012 г. Слайд 26 презентации по биологии школа 66 учитель Буранова З.В. Фильмы сайта You Tube.