Фотосинтез
Первые фотосинтетики появились на Земле ~ 3 млрд. лет назад. Это были сине-зеленые водоросли. Благодаря фотосинтезу в атмосфере стал накапливаться свободный кислород, и через 1,5 млрд. лет появились аэробные организмы. О космической роли растений-фотосинтетиков впервые писал Темерязев.
Растения используют для фотосинтеза волны красной и синей частей спектра. Фотосинтез идет в хлоропластах и состоит из двух стадий: световой и темновой.
Световая фаза. В мембранах тилакоидов встроены молекулы хлорофилла. Электроны хлорофилла улавливают кванты света, возбуждаются, переходят на более высокие энергетические уровни и по цепи переносчиков переносятся на наружную сторону мембраны тилакоида, и она заряжается отрицательно. Внутри тилакоида происходит фотолиз воды – процесс расщепления молекулы воды под действием света на протоны, электроны и кислород. Кислород путем диффузии уходит в окружающую среду. Электроны идут в хлорофилл, заменяя потерянные электроны. Протоны накапливаются на внутренней поверхности мембраны тилакоида и заряжают ее положительно. Возникает разность потенциалов, и когда она достигает критического уровня, то за счет силы электрического тока открываются каналы в белках АТФ-синтетазы, встроенных в мембрану тилакоида. По этим каналам из тилакоида в строму идет поток протонов, и за счет энергии их прохождения из АДФ и фосфорной кислоты синтезируется АТФ. Этот процесс называется фотофосфорилирование. На наружной стороне мембраны тилакоида протоны и электроны соединяются с веществом НАДФ и образуется НАДФ∙Н. Таким образом, в световую фазу происходит возбуждение электронов хлорофилла, фотолиз воды с выделением кислорода, фотофосфорилирование и образование НАДФ∙Н.
Темновая фаза идет в строме и не требует света. В строму путем диффузии поступает СО2, и происходит ряд реакций, при которых используется водород и АТФ, образовавшаяся в световой фазе, и в результате синтезируется глюкоза.
Растения используют для фотосинтеза 1% энергии падающего света. 1 г органики образуется на 1 м2 листьев за 1 ч.
Биосинтез белка
Биосинтез белка – это цепь реакций, которая идет по принципу матричного синтеза. Молекула белка синтезируется в соответствии с планом, заложенным в последовательности нуклеотидов ДНК. Система записи генетической информации в виде последовательности нуклеотидов называется генетический/наследственный код.
Свойства генетического кода:
Триплетность – информация об одной аминокислоте кодируется тремя расположенными рядом нуклеотидами. Такие три нуклеотида называются триплет/кодон
Универсальность – он одинаков для всех живых организмов
Избыточность – аминокислот 20, а сочетаний 64
Вырожденность/множественность – одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами
Однозначность/специфичность – один триплет может кодировать только одну аминокислоту
Дискретность – один нуклеотид не может одновременно входить в два триплета
Существуют три триплета, которые не кодируют аминокислоты, а играют роль "знаков препинания" и находятся между генами
Первый этап биосинтеза – транскрипция – синтез иРНК. Информация из последовательности нуклеотидов ДНК переписывается в соответствии с принципом комплементарности в последовательность нуклеотидов иРНК. Транскрипция идет при помощи фермента РНК-полимераза с одной цепи ДНК. иРНК является копией не всей молекулы ДНК, а только структурного гена у эукариот или оперона у прокариот. Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий информацию об одном белке. Оперон – это группа рядом лежащих генов, несущих информацию о белках, необходимых для выполнения одной функции. В начале структурного гена или оперона находится промотор – участок ДНК, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза. За промотором находится оператор – участок ДНК, с которого начинается операция синтеза иРНК. Если к оператору присоединен белок-репрессор, то транскрипция не происходит. Синтезированная иРНК выносится в цитоплазму и соединяется с рибосомой таким образом, что между субъединицами рибосомы находятся два кодона иРНК, и начинается следующий этап – трансляция.
Второй этап – трансляция – перевод информации из последовательности нуклеотидов иРНК в последовательность аминокислот. К кодону иРНК, находящемуся внутри рибосомы, подходит тРНК с аминокислотой, если ее антикодон комплементарен кодону иРНК, то аминокислота остается на большой субъединице рибосомы, а рибосома перемещается на один кодон. Подходит следующая тРНК, и если ее антикодон комплементарен, то к принесенной аминокислоте присоединяется уже имеющаяся, а рибосома передвигается дальше. Когда рибосома доходит до конца иРНК, она отсоединяется, и от рибосомы отделяется полипептидная цепочка. Все эти процессы идут с участием ферментов и с затратой энергии АТФ. На синтез одной молекулы белка в среднем затрачивается 1-2 минуты. Часто иРНК соединяется с несколькими рибосомами, и такая структура называется полирибосома/полисома.