Биология_с_основами_экологии (1) учебно-метод. пособие. Чугайнова. 2010

Белки – полипептиды

Уровни организации белковой молекулы

Первичная–последовательностьрасположенияаминокислотных остатков в полипептидной цепи. Связь – ковалентная пептидная.

Вторичная – полипептидная цепь закручена в виде спирали. Связь – водородная.

Третичная – дальнейшая укладка полипептидной спирали в про- странстве(глобулаилифибрилла).Связь–гидрофобная,S-Sковалент- ная связь(дисульфидный мостик), ионная, сложно-эфирный мостик.

Четвертичная – укладка в пространстве нескольких полипептидных цепей.

Свойства белков

Денатурация – нарушение природной структуры белка (обратимая, необратимая).

Ренатурация – восстановление природной структуры белка.

Функции белков

Строительная. Транспортная. Каталитическая. Защитная. Сигнальная (рецепторная). Энергетическая. Двигательная (сократительная). Гормональная.

Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК)

Впервые обнаружены в ядре («нуклеус» – греч. – ядро). Биологическое значение – хранение и передача наследственной

информации.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)

Вядре: хромосома = ДНК + белок.

Вхлоропластах.

Вмитохондриях.

У прокариот ДНК – кольцевая.

Биологическая роль – хранит и передает наследственную информацию.

Строение:

Азотистых оснований 4 типа, таким образом, и 4 типа нуклеотидов, отличающихся лишь азотистым основанием.

Соединение нуклеотидов в одну полинуклеотидную цепь идет через фосфатную группу, которая, с одной стороны, соединяется с атомом «С» в 5 положении дезоксирибозы одного нуклеотида, с другой стороны соединяется с атомом «С» в третьем положении дезоксирибозы другого нуклеотида.

Образование двойной спирали ДНК: азотистые основания одной цепи«стыкуются»сазотистымоснованиемдругойпопринципукомплементарности (комплемент – от лат. – дополнение). Цепи подходят так близко, что между ними образуются водородные связи (∙∙∙).

А=Т Полинуклеотидные цепи в ДНК – параллельные (анти- Г= Ц параллельные), на один виток спирали приходится 10 нуклеотидов. Если известен порядок нуклеотидов одной 0,34 нм цепи, то по принципу комплементарности можно опреде-

лить порядок нуклеотидов в другой цепи.

РНК (рибонуклеиновая кислота)

Строение:

РНК – БИОПОЛИМЕР Состоит из одной полинуклеотидной цепи

Мономер – нуклеотид:

4 типа, так как 4 азотистых основания:

Соединение нуклеотидов в полинуклеотидную цепь РНК идет аналогично ДНК.

А=У (Т)

Г ≡ Ц.

Общая функция РНК – участие в биосинтезе белка

Метаболизм

Метаболизм – ( от греч. metabole – перемена, превращение).

То же, что и обмен веществ, – совокупность протекающих в живых организмах химических превращений, обеспечивающих их рост, жизнедеятельность, воспроизведение, постоянный контакт и обмен с окружающей средой.

Вболееузкомсмыслеметаболизм–промежуточныйобмен,охва- тывающий всю совокупность реакций, главным образом, ферментативных, протекающих вклеткахиобеспечивающихкакрасщепление сложных соединений, так и их синтез и взаимопревращение.

Энергетический обмен

Энергетическийобмен– это совокупность химических реакций, обеспечивающих клетку энергией.

Этапы энергетического обмена

1.Подготовительный.

2.Неполное окисление (анаэробный этап, бескислородный).

3.Полное окисление (аэробный этап, дыхание, аэробное дыхание, клеточное дыхание).

1 – Подготовительный.

• В желудочно-кишечном тракте (у высших животных Идёт и человека).

• В лизосомах клеток (у низших животных).

Требует затраты энергии, не сопровождается выделением энергии. Результат: расщепление органических соединений.

Белки → аминокислоты.

Жиры → глицерин и жирные кислоты. Углеводы → глюкоза (моносахариды).

2 – Неполное окисление (анаэробный этап, бескислородный).

Идет на внутриклеточной мембране. Вещества, образующиеся на первом этапе, подвергаются дальнейшему многоступенчатому ферментативному распаду.

Основным источником энергии в клетках является глюкоза, поэтому далее будем рассматривать распад глюкозы, он называется гликолиз.

Гликолиз – это многоступенчатый ферментативный процесс окисления молекулы глюкозы до двух молекул ПВК (пировиноградной кислоты).

Суммарное уравнение гликолиза:

C6H12O6 + 2АДФ + 2H3PO4 + 2НАД+ → 2C3H4O3 + 2АТФ + 2НАД∙ ∙Н2 + 2Н2О ПВК ↑

чистый выход, так как образуется 4АТФ, но 2АТФ сразу затрачиваются на гликолиз.

(Сокращенная форма уравнения:

С6Н12О6 → 2С3Н4О3 +2НАД∙Н2 + 2АТФ).

(4Н)

ПВК – неустойчивое соединение и подвергается дальнейшим преобразованиям:

•брожение (анаэробное дыхание).

•аэробное дыхание.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Если бескислородная среда, то дальнейший распад ПВК называ-

ется брожение:

а) молочно-кислое брожение:

ПВК→молочная кислота.

2С3Н4О3 + 2НАД∙Н2 →2С3Н6О3 + 2НАД.

(• Идет у некоторых бактерий; используется для приготовления молочнокислых продуктов;

• идет у многоклеточных в различных тканях в условиях кислородного голодания. Например, работающие скелетные мышцы постоянно испытывают дефицит О2 в результате пережатия своих кровеносных сосудов. Образующаяся при этом молочная кислота связывает Са2+ – это одна из причин болевых ощущений после работы мышц.)

б) спиртовое брожение:

I этап 2 этап

ПВК → уксусный альдегид → этиловый спирт;

I этап. 2С3Н4О3 → 2СО2 + 2СН3СОН;

II этап. 2СН3СОН + 2НАД∙Н2 → 2С2Н5ОН + 2НАД;

(• идет у одноклеточных грибов – дрожжей; используется в пивоварении, виноделии и приготовлении дрожжевого теста);

в) уксуснокислое брожение:

ПВК → уксусная кислота (• идет у некоторых бактерий);

г) и другие виды брожения:

ПВК → масляная кислота

↓

валериановая кислота

Чаще ПВК окисляется при участии О2 до СО2 и Н2О – это называ-

ется аэробное дыхание (полное окисление).

3 – Полное окисление

(аэробный этап, дыхание, аэробное дыхание, клеточное дыхание)

Фазы:

1)окислительноедекарбоксилированное(циклКребса,циклТрикарбоновых кислот, цикл Лимонной кислоты);

2)окислительное фосфорилирование (дыхательная цепь).

Суммарные уравнения процессов и энергетический эффект

Анаэробный этап – 2АТФ

Гликолиз:

С6Н12О6 → 2С3Н4О3 + 2НАД∙Н2 + 2АТФ (+Н2О)

ПВК 4Н

Аэробный этап – 36 АТФ, в 18 раз больше, чем при анаэробном этапе

Окислительное декарбоксилирование:

2С3Н4О3 + 6Н2О → 6СО2 + 8НАД∙Н2 + 2ФАД∙Н2 + 2АТФ

Окислительное фосфорилирование:

2НАД∙Н2 + 8НАД∙Н2 + 2ФАД∙Н2 + 6О2 →12Н2О + 34АТФ

Суммарное уравнение – 38 АТФ из 1 С6Н12О6

Σ С6Н12О6 + 6О2 Дыхание 6СО2 + 6Н2О + 38АТФ

1АТФ – 30,6 кДж (≈40 кДж)

38 АТФ – 1162 кДж

Всего энергии из 1С6Н12О6

2880 кДж

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Общая характеристика клеточного дыхания

Клеточное дыхание – это окисление субстрата, приводящее к получению химической энергии (АТФ).

Субстратами для дыхания служат органические соединения – углеводы, жиры, белки.

Углеводы. Большинство клеток используют в первую очередь именно углеводы. Клетки головного мозга млекопитающих вообще не способны использовать для дыхания ничего, кроме глюкозы.

Полисахариды вовлекаются в процесс дыхания лишь после того, как они будут гидролизированы до моносахаридов.

Крахмал

(у растений)

Глюкоза Гликоген

(у животных)

Жиры. Они являются «первым резервом» и пускаются в дело, главным образом, тогда, когда запас углеводов исчерпан.

В прочем, в клетках скелетных мышц при наличии глюкозы и жирных кислот, предпочтение отдается жирным кислотам.

Белки. Так как они выполняют ряд других важных реакций, то они используются лишь после того, как будут израсходованы все запасы углеводов и жиров, например: при длительном голодании.

Как идет дыхание при использовании белков и жиров?

Оказывается, сначала жирные кислоты (образующиеся из жиров) и аминокислоты (образующиеся при расщеплении белков) окисляются, образуя ацетил–коэнзим А или органические кислоты, которые далее окисляются в ц.Кребса.

Таким образом, что бы мы ни съели – хлеб, масло, мясо и т.д., они всегда окисляются до одинакового конечного продукта – ацетил– коэнзима А, который далее, как и у глюкозы, вступает в ц.Кребса.

Какого бы происхождения ацетил-коэнзим А ни был он всегда один и тот же.

Пластический обмен

Пластический обмен – это совокупность химических реакций, обеспечивающих синтез сложных органических соединений в клетке.

Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов клетки:

Автотрофные организмы самостоятельно синтезируют органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды:

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Пластический обмен (на примере биосинтеза белка)

ДНК – носитель генетической информации.

1.В ДНК заключена вся информация:

• структуре клетки;

• деятельности клетки;

• признаках клетки и организма в целом.

Эта информация и называется генетической (наследственной).

2.Свойства ДНК:

•цепи антипараллельны;

•цепи комплементарны.

3'(ОН) - АГЦ - ЦЦЦ - АТГ - … - … - … - 5'(р) 5'(р) - ТЦГ - ГГГ - ТАЦ - … - … - … - 3'(ОН)

Зная нуклеотидную последовательность одной цепи можно легко восстановить другую (по принципу комплементарности).

•цепиудваиваются(репликация)–свойствооснованонапринци- пе комплементарности.

Удвоение ДНК (репликация) происходит перед делением клетки. В результате репликации образуются две «дочерние» спирали ДНК, каждая из которых сохраняет в неизменном виде одну цепь «материнской» ДНК, вторые цепи синтезируются заново по принципу комплементарности нитям «материнской» ДНК. «Дочерние» ДНК ничем не отличаются друг от друга и от «материнской» ДНК. Таким образом, каждая из двух цепей молекул ДНК служит матрицей для синтеза комплементарной цепи.

Ген.

Ген – участок ДНК, несущий информацию об одной полипептидной цепи белка.

Ген – совокупность линейных участков ДНК, кодирующих одну полипептидную цепь белка.

Ген – нуклеотидная последовательность, выполняющая определенную функцию.

Биосинтез белка.

Закон Крика – закон передачи наследственной информации:

обратная транскрипция (ревертаза)

I. Транскрипция – это переписывание информации с матрицы ДНК на синтезируемую цепь и-РНК.

Процесс транскрипции требует:

•нуклеотиды (нуклеозидтрифосфаты: АТФ, ГДФ, ЦТФ, УТФ);

•м-ДНК.

•Фермент РНК-полимеразу = транскриптаза (она начинает синтез с 3'конца (+) цепи ДНК)

Принцип синтеза – матричный

3'(ОН) - АГЦ - ЦЦЦ - АТГ - … - … - … - 5'(р) м-ДНК 5'(р) - ТЦГ - ГГГ - ТАЦ - … - … - … - 3'(ОН)

и-РНК 3'(ОН) - АГЦ - ЦЦЦ - АУГ - … - …- … - 5'(р)

РНК-полимераза

3' 5'

Таким образом, РНК по полярности будет противоположна матрице – (+) цепи ДНК и комплементарна ей.

В синтезе РНК непосредственно участвует только одна цепь м-ДНК (+), которая называется – «тяжелая». За счет «легкой» цепи происходит исправление «ошибок», допущенных в процессе синтеза.

Транскрипция состоит из этапов:

•инициация – начало синтеза, образование первой связи между нуклеотидами;

•элонгация – рост цепи и-РНК;

•терминация – завершение синтеза и-РНК.

Генетический код и его свойства

Благодаря транскрипции в клетках осуществляется передача информации от ДНК к белку: ДНК→РНК→белок.

Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и в и-РНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах.

Каким же образом происходит перевод информации с «языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот? Такой перевод осуществляется с помощью генетического кода.

Генетический код – это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в и-РНК.

Таким образом, генетический код – это путь передачи генетической информации с нуклеотидного языка и-РНК в аминокислотную последовательность белков.

Для расшифровки генетического кода потребовалось более 10 лет упорного труда целого научного коллектива.

Основные свойства генетического кода:

1. Код триплетен.

Включение каждой аминокислоты в полипептидную цепь кодируется тройкой нуклеотидов (триплетом, кодоном).

2. Код вырожден.

Одна аминокислота кодируется более чем одним триплетом (от 2 до 6 триплетов)

Исключение: – аминокислота метионин (1 триплет);

– аминокислота триптофан (1 триплет).

3. Код однозначен.

Каждый кодон (триплет) кодирует (шифрует) только одну аминокислоту.

4. Код универсален.

Генетический код един (один и тот же) для всех живых организмов на Земле.

5. Код непрерывен.

Между триплетами в ДНК (РНК) отсутствуют знаки препинания, указывающие на конец одного и начало другого кодона.

6. Код неперекрывающийся.

Нуклеотид, входящий в один триплет, не может являться составной частью другого кодона.

Полный кодовый словарь содержит 64 кодона, из них 61 имеют смысл, а три кодона считаются «бессмысленными», так как не кодируют аминокислоты: УАА*

УАГ* УГА*

Они являются «стоп»-сигналами, или терминирующими при биосинтезе белка.

Кодоны матричной РНК

II.Трансляция–этопереводгенетическойинформациии-РНК на аминокислотную последовательность белка. (Это процесс де-

кодирования и-РНК).

Трансляция идет на рибосомах ЭПС. Несколько рибосом могут прикрепиться к молекуле и-РНК подобно бусинам на нитке, образуя структуру, называемую полисома.

Преимуществотакогокомплексавтом,чтоприэтомнаоднойи-РНК одновременно синтезируются несколько полипептидных цепей.

Весь процесс состоит из 3 стадий:

–инициация;

–элонгация;

–терминация.

Инициация

Этообразованиеинициирующегокомплексаилифункциональноактивной рибосомы.

1.Рибосома диссоциирует на составляющие ее единицы: малую (30 S) и большую (50 S) субъединицы.

2.Малая субъединица связывается с и-РНК, а также с первой инициирующей синтез АК, которая подходит к малой субъединице

всоставе т-РНК. Такой первой инициирующей АК у эукариот является метионин (у прокариот – N-формилметионин).

Информационная РНК связывается с субъединицей 5'концом. С этого конца расположен инициирующий кодон АУГ. Транспортная РНК, несущая инициируемую АК, узнает инициирующий кодон и-РНК.

3. После этого малая субъединица объединяется с большой субъединицей и образует функционально-активную 80 S рибосому: т-РНК, несущая инициирующую АК, связывается с рибосомой в пептидильном участке.

Итак, на стадии инициации связывание начинается с 5'-конца и-РНК, с ее инициирующего кодона, что обеспечивает полную трансляцию и-РНК.

Элонгация

Это образование первой пептидной связи и рост белковой молекулы (декодирование и-РНК идет с 5'-конца к 3'-концу).

1.Узнавание т-РНК, несущей следующую АК соответствующего кодона и-РНК. Эта т-РНК встает в аминоацильный участок большой субъединицы.

2.Образование (первой) пептидной связи в аминоацильном участке за счет переноса первой инициирующей АК (метионин) из пептидильного участка на свободный конец АК, находящийся в аминоацильном центре. Перенос осуществляет фермент пептидилтрансфераза.

Вследствие этого в пептидильном участке остается свободная (ненагруженная) т-РНК. А в аминоацильном участке к т-РНК прикреплен дипептид. Свободная т-РНК сходит с рибосомы, следовательно, пептидильный центр свободен.

3.Рибосома «шагает» на один триплет (кодон) от 5'-конца к 3'- концу, вследствие этого т-РНК с дипептидом оказывается в пептидильном участке, а аминоацильный участок свободен. В этот ами-

ноацильный участок вступает следующая АК3.

Далее дипептид переносится в этот аминоацильный участок и об-

разует пептидную связь с АК3. Пептидильный участок освобождается, рибосома «шагает» на один триплет в сторону 3'конца и-РНК, аминоацильный участок свободен … и весь цикл повторяется снова.

Элонгация идет до тех пор, пока не будет прочитана и переведена вся информация матрицы.

После того, как вся информация и-РНК будет декодирована, до аминоацильного участка доходит терминирующий кодон.

Терминация

Когда в аминоацильном центре оказывается терминирующий кодон, синтез прекращается: синтезированный полипептид освобождается из пептидильного центра, сходит с рибосомы (отделяется); т-РНК сходит с рибосомы, а рибосома снова диссоциирует на субъединицы, которые далее участвуют в процессе биосинтеза.

Итак, биосинтез белка идет по матричному принципу – белок синтезируется в точном соответствии с информацией, закодированной в м-ДНК (матрице).

Матричный принцип осуществляется благодаря комплементар-

ности.