Биология / Биология / ЕГЭ. Биология. Пошаговая подг. Садовниченко, 2019, 368с

НЕДЕЛЯ 5. Клетка как биологическая система

хлорофилл теряет электрон, передавая его на первичный акцептор. По цепи переносчиков электроны передаются от фотосистемы I на кофермент НАДФ, который восстанавливается.

Электроны от хлорофилла фотосистемы II передаются по электронтранспортной цепи и заполняют «электронные дырки» хлорофилла фотосистемы I. Недостаток электронов в хлорофилле фотосистемы II восполняется за сч¸т электронов молекул воды. В результате разложения молекул воды, которое называется фотолизом, образуются протоны и выделяется молекулярный кислород — побочный продукт фотосинтеза:

H2O → 2H+ + 2e− + 21 O2 ↑.

Как и при аэробном дыхании, функционирование электронтранспортной цепи в тилакоидных мембранах приводит к формированию разницы концентраций протонов. Этому способствует также выделение протонов в процессе фотолиза воды. Накопившиеся в полости тилакоида протоны выходят из тилакоида в строму через АТФ-синтазу, при этом из АДФ синтезируется АТФ. Данный процесс называется фотофосфорилированием.

Суммарное уравнение реакций световой фазы фотосинтеза:

2Í2Î + 2ÍÀÄÔ+ + 3ÀÄÔ + 3Í3ÐÎ4 2НАДФН + Н+ + 3ÀÒÔ + O2 .

Первичным продуктом фотосинтеза являются тр¸хуглеродные сахара, а конечным — глюкоза, из которой образуется крахмал и другие продукты жизнедеятельности.

Таким образом, в процессе фотосинтеза энергия солнечного света при участии хлорофилла преобразуется в энергию химических связей углеводов.

Суммарное уравнение фотосинтеза можно записать следующим образом:

6ÑÎ2 + 6Í2Î Ñ6Í12Î6 + 6Î2 .

На скорость фотосинтеза оказывают влияние различные факторы окружающей среды: освещ¸нность, концентрация углекислого газа в атмосфере, температура воздуха и почвы, доступность воды и др.

Для характеристики фотосинтеза используется понятие его продуктивности. Продуктивность фотосинтеза — это масса синтезируемой за 1 час глюкозы на 1 дм2 листовой поверхности. Этот показатель фотосинтеза максимален при оптимальных условиях.

К фотосинтезу способны многие бактерии, в том числе цианобактерии, зел¸ные и пурпурные. Фотосинтетический аппарат и механизм фотосинтеза у цианобактерий идентичен растительным. У остальных присутствует только фотосистема I, и они не могут использовать воду в качестве источника электронов и не выделяют кислород. У некоторых фотосинтезирующих бактерий вместо цикла Кальвина функционируют альтернативные механизмы.

ХЕМОСИНТЕЗ.

РОЛЬ ХЕМОСИНТЕЗИРУЮЩИХ БАКТЕРИЙ НА ЗЕМЛЕ

Хемосинтез — это процесс синтеза органических соединений за сч¸т химической энергии неорганических соединений.

КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ

Заполните таблицу.

Сравнительная характеристика процессов метаболизма

Определение

Исходные вещества

Продукты реакций

Энергия выделяется или поглощается?

Примеры реакций

НЕДЕЛЯ 5. Клетка как биологическая система

НЕДЕЛЯ 5. Клетка как биологическая система

Заполните таблицу.

Сравнительная характеристика основных процессов метаболизма

К какому типу обмена веществ относится?

Источник энергии

Исходные вещества

Конечные продукты

Стадии, химиче- ские уравнения

Локализация

Значение

Решите задачи.

1.Сколько молекул АТФ образуется при полном окислении 6 молекул глюкозы?

2.Сколько молекул АТФ образуется при окислении 16 молекул глюкозы, если известно, что полностью окислилась лишь половина глюкозы, а остальные подверглись только гликолизу?

3.Сколько молекул глюкозы было использовано в процессе энергетического обмена, если при этом образовалось 420 молекул АТФ? Полному расщеплению подверглись 10 молекул глюкозы, а остальные — только гликолизу.

Ответы на тестовые задания (неделя 5)

1 — 4. 2 — 3. 3 — 2. 4 — 2. 5 — 2. 6 — 1. 7 — 3. 8 — 2. 9 — 4. 10 — 2. 11 — 4.

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ В КЛЕТКЕ

Воспроизведение себе подобных является одним из фундаментальных свойств живого. Благодаря этому явлению существует сходство не только между организмами, но и между отдельными клетками, а также их органоидами (митохондриями и пластидами). Материальной основой этого сходства является передача зашифрованной в последовательности нуклеотидов ДНК генетической информации, которая осуществляется благодаря процессам репликации (самоудвоения) ДНК. Реализуются все признаки и свойства клеток и организмов благодаря белкам, структуру которых в первую очередь и определяют последовательности нуклеотидов ДНК. Поэтому первостепенное значение в процессах метаболизма играет именно биосинтез нуклеиновых кислот и белка.

ГЕНЫ, ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД И ЕГО СВОЙСТВА

Генетическая информация в клетке не является монолитной, она закодирована в отдельных «словах» — генах.

Ãåí — это структурная единица генетической информации. У человека всего около 25– 30 тыс. генов.

Генетический код. Генетическая информация организмов заш-ифрована в ДНК в виде определ¸нных сочетаний нуклеотидов и их последовательности — генетического кода. Основными свойствами генетического кода являются: триплетность, специфичность, универсальность и избыточность. Кроме того, в генетическом коде отсутствуют «знаки препинания».

Каждая аминокислота закодирована в ДНК тремя нуклеотидами — триплетом (табл. 1). Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту, в ч¸м заключается его специфичность или однозначность. Генетический код универсален для всех живых организмов, то есть наследственная информация о белках человека может считываться бактериями и наоборот. Это свидетельствует о единстве происхождения органического мира. Однако 64 комбинациям нуклеотидов по три соответствует только 20 аминокислот, вследствие чего одну аминокислоту могут кодировать 1–6 триплетов и имеется три стоп-кодона, то есть генетический код избыточен, или вырожден. Три триплета не имеют соответствующих аминокислот, их называют стоп-кодонами (УАА, УАГ, УГА), так как они обозначают окончание синтеза полипептидной цепи.

МАТРИЧНЫЙ ХАРАКТЕР РЕАКЦИЙ БИОСИНТЕЗА. БИОСИНТЕЗ БЕЛКА И НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Репликация ДНК, а также синтез РНК и белков в клетках осуществляются по принципу матричного синтеза, который заключается в том, что новые молекулы белков и нуклеиновых кислот синтезируются в соответствии с программой, заложенной в структуре ранее существовавших молекул нуклеиновых кислот (ДНК или РНК).

НЕДЕЛЯ 6. Клетка как биологическая система

НЕДЕЛЯ 6. Клетка как биологическая система

*Стоп-кодон, означающий конец синтеза полипептидной цепи.

Репликация ДНК. Процесс самовоспроизведения молекулы ДНК, обеспечивающий точное копирование наследственной информации и передачу е¸ из поколения в поколение, называется репликацией (îò ëàò. репликацио — повторение). В результате репликации образуются две абсолютно точные копии материнской молекулы ДНК, каждая из которых нес¸т по одной копии материнской (рис. 42). Ключевым ферментом репликации является ДНК-полимераза. Репликация ДНК является полуконсервативной, так как молекула ДНК расплетается, и на каждой из е¸ цепей синтезируется новая цепь по принципу комплементарности.

Образовавшиеся в результате репликации две молекулы ДНК в процессе деления расходятся по двум вновь образующимся дочерним клеткам.

Ошибки в процессе репликации возникают крайне редко, но если они происходят, то устраняются ДНК-полимеразами или ферментами репарации.

Биосинтез белка является сложнейшим клеточным процессом — в н¸м участвует до тр¸х- сот различных ферментов и других макромолекул. Выделяют два основных этапа синтеза белка: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция (îò ëàò. транскрипцио — переписывание) — это биосинтез молекул иРНК на соответствующих участках ДНК (рис. 43).

1

2

Биосинтез молекул иРНК происходит только на одной из цепей, которую называют матричной. Транскрибируется только один ген или группа генов. Процесс транскрипции катализирует фермент РНК-полимераза, которая подбирает нуклеотиды РНК по принципу комплементарности. Этот процесс у эукариот протекает в ядре и в органоидах, имеющих собственную ДНК, — митохондриях и пластидах, а у прокариот — в нуклеоиде.

Синтезированные в процессе транскрипции в ядре молекулы иРНК проходят сложный процесс подготовки к трансляции, после чего они выходят в цитоплазму.

предварительная активация аминокислот, в ходе которой аминокислота присоединяется к соответствующей тРНК. Этот процесс катализируется специальным ферментом и требует затраты АТФ.

Для начала трансляции (инициации) к готовой к синтезу молекуле иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, а затем к первому кодону иРНК (АУГ) подбирается тРНК с комплементарным антикодоном, несущая аминокислоту метионин. Лишь после этого присоединяется большая субъединица рибосомы. В пределах собранной рибосомы оказываются два кодона иРНК, первый из которых уже занят. К соседнему с ним кодону подбирается вторая тРНК, также несущая аминокислоту, после чего между остатками аминокислот с помощью

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

1.Какой процент гуаниловых нуклеотидов содержит фрагмент двухцепочечной молекулы ДНК, если доля

её нуклеотидов с цитозином составляет 22 % от общего числа?

1) 78 % 2) 50 % 3) 28 % 4) 22 %

2.Выберите правильную последовательность процессов реализации наследственной информации в клетке, отражающей основную догму молекулярной биологии.

1)ДНК РНК белок

2)белок ДНК РНК

3)РНК ДНК белок

4)ДНК белок РНК

3.Молекулярной основой размножения является процесс

4.Точная последовательность нуклеотидов в молекуле нуклеиновой кислоты обеспечивается

1)консервативностью структуры нуклеиновых кислот

2)оптимальностью структуры молекулы

3)матричным характером биосинтеза нуклеиновых кислот

4)низкой скоростью химических реакций биосинтеза

5.иРНК, синтезируемая в процессе транскрипции, является копией

1)одного гена или группы генов

2)молекулы рРНК

3)целой хромосомы

4)полипептидной цепи

6.Свойствами генетического кода являются

1)точность и консервативность

2)вариабельность и избыточность

3)специфичность и универсальность

4)индивидуальность и неперекрываемость

7.Транскрипция в клетке происходит

1)только в ядре

2)в ядре и на рибосомах

3)на свободных рибосомах и шероховатой эндоплазматической сети

4)в ядре, митохондриях и пластидах

НЕДЕЛЯ 6. Клетка как биологическая система

НЕДЕЛЯ 6. Клетка как биологическая система

ферментов образуется пептидная связь. Рибосома передвигается на один кодон иРНК; первая из тРНК, освободившаяся от аминокислоты, покидает рибосому, а фрагмент синтезирующейся полипептидной цепи удерживается на оставшейся тРНК. К новому кодону, оказавшемуся в пределах рибосомы, присоединяется следующая тРНК, процесс повторяется и шаг за шагом полипептидная цепь удлиняется, т. е. происходит е¸ элонгация.

Окончание синтеза белка (терминация) происходит, когда рибосома сдвинется на некодирующую последовательность нуклеотидов — стоп-кодон. После этого рибосома, иРНК и полипептидная цепь разделяются, а вновь синтезированный белок транспортируется в ту часть клетки, где он будет выполнять свои функции.

Решение задач по молекулярной биологии

Задача 1. Фрагмент одной из цепей ДНК имеет следующую последовательность: АТГТТЦГАГТАЦЦАТГТААЦГ...

Какова последовательность нуклеотидов во второй цепи этой молекулы ДНК?

Решение:

1)Записываем исходную последовательность нуклеотидов в цепи ДНК: АТГТТЦГАГТАЦЦАТГТААЦГ...

2)Под ней строим вторую цепь ДНК по принципу комплементарности: АТГТТЦГАГТАЦЦАТГТААЦГ...

| | |

ÒÀÖ...

3)Последовательность нуклеотидов во второй цепи ДНК будет иметь следующий вид: ТАЦААГЦАЦАТГГТАЦАТТГЦ...

4)Записываем ответ.

Ответ: ТАЦААГЦАЦАТГГТАЦАТТГЦ...

Задача 2. Запишите последовательность оснований в иРНК, синтезированной на цепи ДНК

с такой последовательностью:

ТААЦГАТГАЦЦЦТЦТ...

Решение:

1)Переписываем последовательность нуклеотидов в цепи ДНК: ТААЦГАТГАЦЦЦТЦТ...

2)Вспоминаем, что РНК вместо тимина содержит урацил.

3)По принципу комплементарности строим последовательность нуклеотидов в цепи иРНК:

ТААЦГАТГАЦЦЦТЦТ ...

| | | | | | | | | | | | | | |

АУУГЦУАЦУГГГАГА ...

4) Записываем ответ.

Ответ: АУУГЦУАЦУГГГАГА...

Задача 3. Сколько аминокислот будет содержать белок, синтезированный на иРНК со сле-

дующей последовательностью:

УАЦААГУАЦУУГУУУЦУУ...

Решение:

1)Записываем последовательность нуклеотидов в цепи иРНК: УАЦААГУАЦУУГУУУЦУУ...

2)Поскольку генетический код является триплетным, то есть каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами, разбиваем цепь на кодоны по три:

ÓÀÖ | ÀÀÃ | ÓÀÖ | ÓÓÃ | ÓÓÓ | ÖÓÓ...

3)Подсчитываем количество кодонов: всего их в данной цепи 6. Таким образом, и аминокислот на данной цепи иРНК будет синтезировано 6.

4)Записываем ответ.

Ответ: 6 аминокислот.

Задача 4. Участок молекулы иРНК имеет следующее строение: АУГУУУГААААУАГАЦГАГГУ… Определите первичную структуру белка, который закодирован в данном гене.

Решение:

1)Разбиваем данный участок иРНК на триплеты (кодоны): АУГ УУУ ГАА ААУ АГА ЦГА ГГУ…

2)В таблице генетического кода (иРНК) (см. с. 64) находим все три основания первого кодона (третье бер¸м из той же строки, что и первое, но из последнего столбца) и на пересе- чении стрелок от них находим первую аминокислоту — метионин.

3)Таким же образом находим все остальные аминокислоты.

4)Записываем ответ.

Ответ: мет–фен–глу–асн–арг–арг–гли–…

Задача 5. В молекуле ДНК содержится 15% нуклеотидов с аденином. Определите процентное содержание остальных нуклеотидов в этой молекуле ДНК.

Решение:

1)Согласно правилам Чаргаффа, количество аденина в молекуле ДНК равно количеству

тимина:

À Ò 15%.

2)Определяем суммарное содержание аденина и тимина:

À + Ò 30%.

3)Следовательно, суммарное содержание гуанина и цитозина составляет: Г + Ц 100% — 30% 70%.

4)Так как количество гуанина в молекуле ДНК равно количеству цитозина, то можно

определить содержание каждого из них: Г Ц 70% 2 35%.

5)Записываем ответ.

Ответ: Ò 15%, Ã Ö 35%.

Задача 6. Цепь иРНК содержит: А — 12%, Г — 16%, У — 28%, Ц — 44%. Определите содержание нуклеотидов в молекуле ДНК, которая служила матрицей для этой иРНК.

Решение:

1) Рисуем таблицу и заносим в не¸ данные по содержанию нуклеотидов в иРНК:

кодирующая цепь ДНК

некодирующая цепь ДНК

среднее содержание нуклеотида в ДНК

2) По принципу комплементарности сначала заполняем содержание нуклеотидов в кодирующей цепи ДНК, которая послужила матрицей для иРНК (вторая строка таблицы):

НЕДЕЛЯ 6. Клетка как биологическая система

НЕДЕЛЯ 6. Клетка как биологическая система

3) Поскольку ДНК — двухцепочечная молекула, то вторая цепь будет комплементарна первой:

4) Поскольку масса цепей приблизительно равна, доля каждого из нуклеотидов в цепи ДНК может быть найдена как среднее арифметическое содержаний нуклеотидов в каждой из цепей:

5) Записываем ответ.

Ответ: À — 20%, Ò — 20%, Ã — 30%, Ö — 30%.

Задача 7. Определите длину молекулы ДНК, если известно, что она состоит из 564 нуклеотидов.

Решение:

1)Поскольку молекула ДНК двухцепочечная, сначала следует найти количество нукле-

отидов в одной цепи ДНК: 564 : 2 282.

2)Так как средняя длина нуклеотида составляет 0,34 нм, то умножаем эту постоянную

на количество нуклеотидов в одной цепи ДНК: 282 0,34 нм 95,88 нм.

3)Записываем ответ.

Ответ: l (ÄÍÊ) 95,88 íì.

Задача 8. Сколько аминокислот содержится в белке, который закодирован в гене длиной 459 нм?

Решение:

1)Определяем количество нуклеотидов в одной цепи ДНК, памятуя о том, что длина

нуклеотида составляет 0,34 нм: 459 нм : 0,34 нм 1350.

2)Так как генетический код триплетен, то для определения количества аминокислот

âбелке количество нуклеотидов следует разделить на 3:

1350 : 3 450.

2) Записываем ответ. Ответ: 450 аминокислот.

КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ

Заполните таблицу.

Сравнительная характеристика процессов синтеза нуклеиновых кислот и белка

Матрица

Синтезируемая

молекула

Ключевой фермент или структура

Используемые

мономеры

Принцип подбора мономеров

Локализация

процесса

Решите задачи.

1.Запишите последовательность нуклеотидов в комплементарной цепи ДНК, если известно, что в имеющейся она будет следующей: ЦГАТГТТТЦГААТТТААА…

2.Тирозиновая тРНК кишечной палочки содержит нуклеотидную последовательность АГЦУУЦАГЦУАЦУГЦЦГУЦУА… На цепи ДНК с какой нуклеотидной последовательностью она синтезировалась?

3.Сколько нуклеотидов содержится в цепи иРНК, если на синтез полипептида на ней потребовалось 93 аминокислотных остатка?

4.Участок молекулы ДНК имеет следующее строение: АТГТТТГААААТАГАЦГАГАТ… Определите первичную структуру белка, который закодирован в данном гене. Для решения задачи используйте таблицу генетического кода.

5.В молекуле ДНК содержится 32% гуаниловых нуклеотидов от общего числа азотистых оснований. Определите количество других нуклеотидов в этой молекуле ДНК.

6.Какова длина первичной структуры молекулы иРНК, содержащей 340 нуклеотидов, если длина одного нуклеотида составляет 0,34 нм?

7.В одной цепи ДНК гена содержится 1200 нуклеотидов с аденином (А), 800 нуклеотидов с гуанином (Г), 1700 нуклеотидов с тимином (Т) и 500 нуклеотидов с цитозином (Ц). Какое количество нуклеотидов с А, Г, Т и Ц содержится во второй цепи ДНК? Сколько аминокислот должен содержать белок, кодируемый этим участком молекулы ДНК?

8.Фрагмент матричной цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ГЦГАТАЦЦАГТАТГЦ. Какова будет последовательность нуклеотидов иРНК, которая синтезируется на н¸м в процессе транскрипции? Установите последовательность аминокислот в белке, закодированном в этом фрагменте. Для решения задачи используйте таблицу генетического кода (с. 64).

Ответы на тестовые задания (неделя 6)

1 — 4. 2 — 1. 3 — 4. 4 — 3. 5 — 1. 6 — 3. 7 — 4.

НЕДЕЛЯ 6. Клетка как биологическая система