лекция по биологии

Лекция 1

1. Молекулярный уровень организации живого. Поток информации и энергии в клетке.

Живые организмы являются открытыми биологическими системами. Упорядоченность и иерархическая подчиненность поддерживаются за счёт контролируемого обмена веществ и энергией с внешней средой.

Обмен веществ (метаболизм) для удобства изучения делят на 2 противоположных и взаимосвязанных процессов, происходящих одновременно.

1. Анаболизм (ассимиляция) включает процессы биосинтеза сложных веществ из простых. При этом организм расходует энергию: световую, химическую. Другие виды энергии организм расходовать не может. Сложные органические вещества синтезируются из неорганических соединений углерода (CO2) или других простых органических соединений.

Существует классификация живых организмов в соответствии с источниками углерода и энергии:

А) Фотоавтотрофы – зеленые растения, цианы, зеленые и пурпурные серобактерии

Б) Хемоавтотрофы – азотфиксирующие бактерии

В) Фотогетеротрофы – пурпурные несерные бактерии

Г) Хемгетеротрофы – все животные, грибы, большинство бактерий, паразитические растения.

Большинство живых организмов являются фотоавтотрофами, так как они дают химическую энергию для существования гетеротрофов, но видовое разнообразие больше у гетеротрофов.

Важнейшим процессом анаболизма является фотосинтез у растений и цианобактерий. В результате синтезируется крахмал из глюкозы и воды. Фотосинтез - основной источник увеличения биомассы на Земле. Также к анаболическим процессам относится биосинтез белка, ДНК, синтез углеводов, липидов, витаминов, восков, терпенов.

2.Катаболизм (диссимиляция) включает процесс распада сложных органических веществ до более простых с целью получения энергии, которая запасается в виде «носителей»-АТФ,ДТФ. Окисление органических веществ, приводящее к получению энергии, называется клеточным дыханием. Данный процесс необходимо отличать от внешнего дыхания, т.е. газообмена между лёгкими и внешней средой. Универсальным источником энергии большинства живых организмов является глюкоза. Она в присутствии кислорода расщепляется до конечных продуктов (CO2 и H2O). У аэробных организмов (с ферментами для расщепления) происходит в интенсивно работающих тканях (мышца сердца). В других тканях используется энергия бескислородного расщепления (гликолиз).

Глюкоза ПВК=1 АТФ

При увеличении функциональной нагрузки ткани переходят на кислородный процесс (38 АТФ).

Не все организмы имеют ферменты для аэробных процессов (нет цитохромов) – они анаэробные. Используют только гликолиз, кислород им не нужен. Для некоторых организмов кислород – яд. Например, для некоторых бактерий, паразитических простейших, гельминтов.

В результате анаболизма, кроме химической энергии, образуется тепловая, электрическая, механическая энергия.

Кроме углеводов важным источником энергии являются жиры, белки (разрушаются редко, при голодании).

2. Химическая организация наследственного материала

ДНК, РНК – нуклеиновые кислоты, которые определяют синтез белков и передачу наследственной информации. Молекула ДНК состоит из 2-х полинуклеотидных цепей. Диаметр 2нм, длина – сотни мкм. Мономерами ДНК являются нуклеотиды, состоящие из остатков молекул фосфорной кислоты, дезоксирибозы и азотистого основания. В составе ДНК имеется 4 типа азотистых оснований: пуриновые (аденин, гуанин), пиримидиновые (цитозин, тимин).

РНК – полимер, по структуре сходный с 1 цепью ДНК, меньший в размерах. Мономер – нуклеотид, состоящий из О.Ф.К., рибозы, азотистого основания: пуринового (аденин, гуанин), пиримидинового (цитозин, урацил). Известно 3 вида РНК: и-РНК, т-РНК, р-РНК. и-РНК отвечает за передачу наследственной информации о структуре белка с ДНК к рибосомам, т-РНК обеспечивает транспорт фосфорилированных аминокислот, р-РНК входит в состав рибосом (структурный компонент рибосом).

Поток информации в живом организме выглядит следующим образом:

ДНК репликация по наследству поколениям

транскрипция

РНК

трансляция

белок

признак

Таким образом, информация о всех признаках организма хранится в ДНК. Эта информация передается потомкам и реализуется непосредственно в данном организме. На процесс реализации информации может влиять образовавшиеся полипептиды и сформированные признаки (механизм обратной связи – ОС).

Репликация ДНК осуществляется в соответствии с несколькими принципами:

1. Комплементарность (азотистому основанию соответствует азотистое основание)

2. Полуконсервативность (каждая дочерняя спираль включает в себя одну материнскую полинуклеотидную цепочку, 2ая- синтезированная)

3. Антипараллельность ( 1 полинуклеотидная цепочка начинается с 3´ конца, а другая с 5´конца (параллельно начинаются с разных концов). ДНК полимераза при этом движется от 3´ к 5´, а дочерняя синтезируется от 5´ к 3´.

4. Прерывистость ( синтез дочерних цепочек ДНК начинается сразу в нескольких местах). Вся молекула ДНК не раскручивается, так как она велика. Участок между 2-мя точками называют репликон. В каждом репликоне имеется «вилка» репликации, где молекула ДНК уже раскрутилась и служит матрицей для синтеза. В процессе репликации принимают участие множество белков – ферментов.

ДНК-геликаза- раскручивает ДНК, разрывает водородные связи.

ДНК-топоизомераза – разрывает химические связи между О.Ф.К и дезоксирибозой в одной из полинуклеотидных цепей ДНК, это дает возможность вращаться вокруг 2-ой цепи и снижать напряжение в молекуле, вызываемое раскручиванием спирали.

ДНК-полимераза – осуществляет синтез лидирующей цепи, а также синтез фрагментов отстающей цепи.

ДНК-лигаза – расшивает фрагменты дочерней цепи ДНК с синтезированной.

Репарация ДНК

При репликации ДНК обеспечивается очень высокая точность воспроизведения структуры ДНК. Это обеспечивается за счёт механизма репарации (самовосстановления ДНК).

Имеется несколько механизмов:

1. Главная роль принадлежит ДНК-полимеразе. Примерно 1 раз на миллион нуклеотидов возникает ошибка, тогда вступает механизм самокоррекция. Сама ДНК-полимераза отщепляет ошибочный нуклеотид и заменяет необходимым.

2. Ошибки всё равно остаются после коррекции. Между циклами репликации обнаруживаются специальными ферментами. Поврежденный, измененный участок удаляется и заменяется новым, синтезированным по 2-ой цепи ДНК. Такая репарация – эксцизионная с вырезанием (дорепликативная). В некоторых случаях она не может устранить все изменения.

3. Такие изменения устраняются пострепликативной репарацией. Она состоит в обмене между 2-мя вновь синтезированными молекулами ДНК (рекомбинация). Пример: удаление тиминовых димеров.

4. При большом количестве ошибок осуществляется sos-репарация (экстренная). Здесь вступают элементы, активизируемые электромагнитным излучением ( светом с определенной длиной волны). При этом изменения структуры ДНК закрепляются в генотипе – мутации. Данный вид репарации имеет важное значение тогда, когда необходимо быстро восстановить функциональную активность ДНК.

3.Биосинез белка

В ходе биосинтеза белка реализуется наследственная информация. Она хранится в ДНК. Участок ДНК, содержащий информацию о структуре белка – ген. Информация хранится в закодированном виде. Код НК имеет несколько свойств:

1. Триплетность

2. Вырожденность

3. Однозначность

4. Универсальность

5. Непрерывность

6. Неперекрываемость

Биосинтез белка включает несколько этапов:

1. Транскрипция – перенос информации с молекулы ДНК на и-РНК. Матрицей служит одна из двух цепей ДНК – кодогенная цепь. Транскрипция проходит в ядре по принципу комплементарности.

Выделяют 4 стадии:

1. Связывание РНК-полимеразы с определенным сочетанием нуклеотидов в начале гена – промотор

2. Инициация (начало синтеза РНК)

3. Элонгация

4. Терминация (завершение синтеза РНК). В конце гена – терминатор

II Посттранскрипционный процесс

Внутри гена различают участки, содержащие информацию о структуре белка экзоны (смысловые участки) и интроны (несмысловые участки). В ходе транскрипции синтезируются про-иРНК. Затем она подвергается созреванию – процессингу, в ходе которого несмысловые участки вырезаются, а оставшиеся экзоны соединяются – сплайсинг (сшивание). Все интроны вырезаются не всегда. При определенных условиях часть из них может оставаться в зрелой и-РНК. Тоже может быть с экзонами. Таким образом, 1 ген способен кодировать структуру нескольких белков.

III Трансляция – синтез белковой молекулы в рибосомах на матрице и-РНК. Содержит стадии:

1. Активация аминокислот (каждая аминокислота взаимодействует с АТФ при помощи фермента одазы)

2. Присоединение фосфорилированных аминокислот к т-РНК (образуется комплекс т-РНК-аминокислота)

3. Собственно трансляция (полимеризация аминокислотных остатков с образованием пептидных связей)

4. Конформационная (приобретение формы).

Регуляторы активности биосинтеза белка – промотор, оператор, структурные гены.

Регуляция активности оперона