Caractéristiques des principales méthodes d'obtention d'antibiotiques. Qu'est-ce que la biosynthèse en biologie? Quelle est l'importance de la synthèse biologique
Le métabolisme et la conversion d'énergie sont à la base de la vie cellulaire. Métabolisme énergétique dans la cellule et son essence. La valeur de l'ATP dans le métabolisme énergétique.
Échange de plastique. Photosynthèse. Moyens d'augmenter la productivité des plantes agricoles. Biosynthèse des protéines. Gène et son rôle dans la biosynthèse. Code ADN. Réaction de synthèse matricielle. La relation entre les processus de métabolisme plastique et énergétique.
Questions pour l'auto-test:
Qu'est-ce que la synthèse biologique? Donne des exemples.
Donnez une définition de l'assimilation.
Quel est le code génétique? Formuler les principales propriétés du code génétique?
Où sont synthétisés les acides ribonucléiques?
Où a lieu la synthèse des protéines? Dites-nous comment s'effectue la synthèse de 6elka.
Qu'est-ce que la dissimilation? Décrivez les étapes de la dissimilation.
Quel est le rôle de l'ATP dans le métabolisme cellulaire?
Parlez-nous du métabolisme énergétique dans la cellule en utilisant l'exemple de la dégradation du glucose.
Quels types de nutrition d'organismes connaissez-vous? Quels organismes sont appelés autotrophes? Dans quels groupes les organismes autotrophes sont-ils divisés?
Décrivez les phases claires et sombres de la photosynthèse.
Pourquoi l'oxygène libre est-il libéré dans l'atmosphère des plantes vertes à la suite de la photosynthèse?
Qu'est-ce que la chimiosynthèse?
Donnez des exemples d'organismes photosynthétiques.
Quels organismes sont appelés hétérotrophes? Donne des exemples.
Section 4. Reproduction d'organismes vivants
La capacité de se reproduire, ou l'auto-reproduction, est l'une des caractéristiques les plus importantes de la nature organique. La reproduction est une propriété inhérente à tous les organismes vivants sans exception - des bactéries aux mammifères. L'existence de toute espèce d'animaux et de plantes, de bactéries et de champignons, la continuité entre les individus parentaux et leur progéniture n'est maintenue que par la reproduction.
Une condition nécessaire à la reproduction est l'hérédité, c'est-à-dire la capacité de reproduire les propriétés et les caractéristiques des parents.
Différentes formes de reproduction sont connues, mais elles peuvent toutes être combinées en deux types: sexuelle et asexuée.
La reproduction sexuée s'appelle le changement de génération et le développement d'organismes sur la base d'organismes spécialisés - des cellules sexuelles formées dans les gonades. Dans l'évolution de la reproduction, le plus progressif était la manière dont un nouvel organisme se développe à la suite de la fusion de deux cellules sexuelles formées par des parents différents. Cependant, chez les invertébrés, le sperme et les ovules se forment souvent dans le corps d'un seul organisme. Ce phénomène - bisexuel - s'appelle hermaphrodisme. Les plantes à fleurs sont également bisexuées. Il y a des cas où un nouvel organisme n'apparaît pas nécessairement à la suite de la fusion de cellules germinales. Chez certaines espèces d'animaux et de plantes, on observe un développement à partir d'un œuf non fécondé. Une telle reproduction est appelée vierge ou parthénogénétique.
La reproduction asexuée est caractérisée par le fait qu'un nouvel individu se développe à partir de (cellules somatiques.
Questions pour l'auto-test:
Quelles méthodes d'élevage connaissez-vous? Qu'est-ce que la reproduction sexuelle?
Quels organismes ont une reproduction asexuée? Quelles formes de reproduction asexuée êtes-vous connues? Donne des exemples.
Pourquoi lors de la reproduction asexuée, les descendants sont-ils génétiquement similaires entre eux et au parent?
En quoi la reproduction sexuée est-elle différente de la reproduction asexuée? Quelles sont les différences entre la méiose et la mitose?
Quelle est la signification biologique de la méiose? Pourquoi les cellules germinales matures d'un même organisme portent-elles différentes combinaisons de gènes?
At-il les avantages évolutifs de la reproduction sexuée par rapport à la reproduction asexuée?
Les antibiotiques sont des produits spéciaux de l'activité vitale des micro-organismes et de leurs modifications qui ont une activité physiologique élevée vis-à-vis de certains groupes de micro-organismes (virus, bactéries, champignons, algues) ou de tumeurs malignes. Les concepts traditionnels d'antibiotiques sont associés à leur utilisation répandue en médecine moderne et en médecine vétérinaire. Certains antibiotiques sont utilisés comme stimulants de croissance chez les animaux, dans la lutte contre les maladies des plantes, dans la conservation des aliments et dans la recherche scientifique (dans le domaine de la biochimie, biologie moléculaire, génétique, oncologie). Conformément à la classification, basée sur la structure chimique, les antibiotiques peuvent être divisés en groupes hérités:
1. Composés acycliques (à l'exclusion des acides gras et des terpènes)
2. Composés alicycliques (y compris les tétracyclines)
3. Composés aromatiques
5. Hétérocycles oxygénés
7. Peptides
Actuellement, il existe trois façons d'obtenir des antibiotiques: biologique, la méthode d'obtention de médicaments semi-synthétiques et la synthèse de composés chimiques - analogues d'antibiotiques naturels.
Antibiotiques synthétiques
L'étude de la structure chimique des antibiotiques a permis de les obtenir par la méthode de synthèse chimique. L'un des premiers antibiotiques obtenus par cette méthode était le chloramphénicol. De grands progrès dans le développement de la chimie ont conduit à la création d'antibiotiques aux propriétés de modification directionnelle à action prolongée, actifs contre les staphylocoques résistants à la pénicilline. Les médicaments à libération prolongée comprennent l'ekmonovocilline, la bicilline 1,3,5.
Antibiotiques semi-synthétiques
Ils sont préparés de manière combinée: par la méthode de synthèse biologique, le noyau principal de la molécule antibiotique native est obtenu, et par la méthode de synthèse chimique, par changement partiel de la structure chimique, des médicaments semi-synthétiques sont obtenus. Une grande réussite est le développement d'une méthode de production de pénicillines semi-synthétiques. Le noyau de la molécule de pénicilline, l'acide 6-aminopénicillanique (6-APA), qui avait une faible activité antimicrobienne, a été extrait par la méthode de synthèse biologique. La benzylpénicilline a été créée en ajoutant un groupe benzyle à la molécule 6-APA, qui est maintenant également obtenue par la méthode de synthèse biologique.
Largement utilisée en médecine sous le nom de pénicilline, la benzylpicilline a une forte activité chimiothérapeutique, mais n'est active que contre les microbes gram-positifs et n'agit pas sur les microorganismes résistants, en particulier les staphylocoques, qui forment une enzyme - la β-lactamase. La benzylpénicilline perd rapidement son activité dans les environnements acides et alcalins, elle ne peut donc pas être utilisée par voie orale, car elle est détruite dans le tractus gastro-intestinal. Des médicaments semi-synthétiques sont également obtenus à base d'acide 7-aminocéphalosporique (7-ACA). Dérivés 7-ACC: la céphalothine, la céphaloridine (chainoria) ne provoquent pas de réactions allergiques chez les personnes sensibles à la pénicilline. D'autres antibiotiques semi-synthétiques ont également été obtenus, par exemple le rifampicip, un médicament antituberculeux efficace.
Synthèse biologique
La structure chimique complète est établie par un tiers des antibiotiques connus, et seule la moitié d'entre eux peut être obtenue par synthèse chimique. Par conséquent, la synthèse microbiologique de l'obtention d'agents antibiotiques est très importante. La synthèse d'antibiotiques par des micro-organismes est l'une des formes d'antagonisme; associée à une certaine nature du métabolisme, apparue et fixée au cours de son évolution, c'est-à-dire une caractéristique héréditaire, exprimée par la formation d'une ou plusieurs substances spécifiques, strictement spécifiques à chaque type de substances antibiotiques.
La production industrielle d'antibiotiques, en règle générale, est réalisée par biosynthèse et comprend les étapes suivantes:
Sélection de souches productrices de haute performance (jusqu'à 45 mille U / ml)
· Choix du milieu nutritif;
· Le processus de biosynthèse;
· Isolement de l'antibiotique du fluide de culture;
· Nettoyage antibiotique.
Sélection de souches productrices performantes. Les souches naturelles sont pour la plupart inactives et ne peuvent pas être utilisées à des fins industrielles. Par conséquent, après la sélection de la souche naturelle la plus active, divers mutagènes sont utilisés pour augmenter sa productivité, provoquant des changements héréditaires persistants. Les mutagènes efficaces sont des mutagènes de nature physique - ultraviolets et rayons X, neutrons rapides ou produits chimiques. L'utilisation de mutagènes permet non seulement d'augmenter la productivité d'une souche naturelle, mais aussi d'obtenir des souches aux nouvelles propriétés inconnues d'un microorganisme naturel.
Le choix d'une composition rationnelle de milieux nutritifs est d'une grande importance pour la biosynthèse d'un antibiotique. Le concept d '"environnement de culture" comprend non seulement une certaine composition qualitative et quantitative de composants ou d'éléments individuels nécessaires au présage constructif et énergétique du corps (sources d'azote, de carbone, de phosphore, sources d'un certain nombre d'oligo-éléments, de vitamines et de substances de croissance), mais aussi physico-chimique et les facteurs physiques (acidité active, potentiel d'oxydoréduction, température, aération, etc.). Tous ces facteurs sont interdépendants et jouent un rôle essentiel dans le développement des microorganismes.
Lors du choix d'un milieu de la composition requise, il convient de prendre en compte les spécificités de l'organisme cultivé. Ceci est nécessaire pour créer des conditions optimales qui favoriseraient la meilleure croissance du microbe et la biosynthèse des déchets nécessaires. Par exemple, si le corps ne peut pas synthétiser certains composés essentiels à son activité vitale (tels que les acides aminés ou les vitamines) à partir de substances simples du substrat, alors des acides aminés ou des vitamines prêts à l'emploi doivent être introduits dans la composition pour son développement. Certains types de bactéries (acide lactique, etc.) appartiennent à ces organismes «exigeants». En règle générale, les actinomycètes et principalement les champignons de moisissure construisent les substances de leur corps et des produits finaux plutôt complexes du métabolisme à partir de composés formés à partir de composants simples du substrat.
Méthodes de culture pour les producteurs d'antibiotiques
Dans les conditions modernes, la méthode la plus prometteuse pour la culture de micro-organismes - producteurs d'antibiotiques ou d'autres composés biologiquement actifs, est la méthode de culture submergée. Le procédé consiste en ce que le micro-organisme se développe dans l'épaisseur d'un milieu nutritif liquide, à travers lequel de l'air stérile est continuellement passé, et le milieu est agité.
Il existe quatre modifications principales de la méthode immergée de culture de micro-organismes.
1. Culture périodique. Avec cette méthode, l'ensemble du processus de développement des micro-organismes est complètement terminé dans un seul fermenteur, après quoi le fermenteur est libéré du liquide de culture, soigneusement lavé, stérilisé et rempli de milieu nutritif frais. Le milieu est ensemencé avec le microorganisme à l'étude et le processus est repris.2. Méthode détachable. La culture des microorganismes est réalisée dans des fermenteurs avec prélèvement périodique d'une partie du volume du liquide de culture (de 30 à 60% du volume total). Le volume du liquide de culture dans le fermenteur est ensuite ramené au niveau initial avec un milieu nutritif frais.
3. Méthode de la batterie. Le développement des micro-organismes a lieu dans une série de fermenteurs connectés en série. Le liquide de culture à un certain stade de développement du microorganisme est pompé du premier fermenteur au deuxième, puis du deuxième au troisième, etc. Le fermenteur libéré est immédiatement rempli de milieu nutritif frais inoculé avec le microorganisme. Avec cette méthode de culture de micro-organismes, une utilisation plus rationnelle des conteneurs se produit.
4. Culture continue. La méthode est fondamentalement différente des modifications indiquées de la culture submergée des producteurs d'antibiotiques. Cette méthode est basée sur le fait que le développement d'un microorganisme se produit dans des conditions d'écoulement continu d'un milieu nutritif, ce qui permet de maintenir le développement d'un microorganisme à un certain stade de sa croissance. Le stade de développement d'un micro-organisme est déterminé sur la base de l'antibiotique le plus bénéfique ou d'un autre composé biologiquement actif pour une biosynthèse maximale.
Une autre méthode de culture de micro-organismes est la culture en surface. La méthode de culture en surface sur divers milieux gélosés est largement utilisée en laboratoire et dans certains procédés industriels, en particulier pour la conservation des cultures de collection, pour étudier les propriétés physiologiques et biochimiques des microorganismes, à des fins analytiques. A l'échelle industrielle, cette méthode a trouvé une application dans la préparation de matériel de spores pour la production d'acides organiques à l'aide de moisissures du genre Aspergillus.
Avec la méthode de surface, la culture du micro-organisme producteur est développée sur la surface d'une couche mince d'un milieu liquide ou solide. Les milieux nutritifs liquides sont principalement utilisés dans la production d'acides organiques (citrique, itaconique), solides - dans la production de complexes à base d'amidon et de cellulose contenant des matières premières.
Les méthodes pour isoler les antibiotiques du liquide de culture sont très diverses et sont déterminées par la nature chimique de l'antibiotique. Les méthodes suivantes sont principalement utilisées:
1. Semer la suspension de sol dans l'eau à la surface d'une plaque de gélose. Une certaine quantité de terre, soigneusement broyée dans un mortier avec un petit volume d'eau, est transférée quantitativement dans un ballon avec de l'eau stérile. Le contenu du ballon est agité pendant 5 min, puis une série de dilutions successives sont effectuées à partir de la suspension aqueuse, qui sont ensemencées sur le milieu conseillé approprié. Pour obtenir d'autres cultures pures, les colonies individuelles, après incubation dans un thermostat à la température souhaitée, sont sous-cultivées dans des tubes avec de la gélose nutritive inclinée. Chaque culture pure d'un microorganisme est repiquée sur des milieux de composition différente, et après un développement suffisamment bon, ses propriétés antibiotiques sont vérifiées.
2. Semer le sol sur de la gélose nutritive, préalablement ensemencée avec un organisme d'essai... La surface de la gélose nutritive est inoculée avec un test - une culture de l'organisme requis, après quoi de petits morceaux de sol, pas plus de grains de mil, sont disposés sur la plaque d'agar, ou le sol est appliqué sous forme de poussière, en le répartissant sur toute la surface de la plaque. Ensuite, les coupelles sont placées dans un thermostat et après un certain temps (24 à 48 heures, et parfois plus), des morceaux de sol ou ses zones individuelles sont examinés, autour desquels se sont formées des zones d'inhibition de la croissance de l'organisme d'essai. Des cultures pures d'organismes sont isolées de ces sites et soumises à une étude plus approfondie.
3. Méthode d'enrichissement du sol. Le sol à partir duquel les antagonistes sont censés être isolés est enrichi par les organismes des espèces par rapport auxquelles ils veulent recevoir l'antagoniste. A cet effet, une suspension lavée des micro-organismes nécessaires est systématiquement ajoutée aux échantillons de sol placés dans des récipients en verre. Ensuite, à intervalles réguliers, un tel sol est semé sous forme de grumeaux individuels sur des plaques de gélose dans des boîtes de Pétri, préalablement ensemencées avec le même organisme qui a été utilisé pour enrichir le sol.
4. Méthode de centrifugation de la suspension de sol. Pour isoler les actinomycètes des sols et en particulier des sols au printemps, lorsqu'un grand nombre de champignons et de bactéries s'y développent, la méthode de centrifugation de la suspension de sol est utilisée. La méthode est basée sur la différence de vitesse de sédimentation de certains types de micro-organismes dans un champ centrifuge. A 3000 rpm pendant 20 minutes, des particules correspondant à la taille des spores de moisissures ou des cellules bactériennes se déposent au fond du tube. Des particules correspondant en taille aux spores d'actinomycètes se retrouvent à une vitesse de centrifugation donnée dans la couche superficielle du liquide. En inoculant le surnageant, dans la plupart des cas (jusqu'à 92%), il est possible d'obtenir uniquement des colonies d'actinomycètes sur des plaques d'agar nutritif.
5. Méthode de congélation - décongélation du sol. On sait que les microorganismes du sol sont dans un état adsorbé sur les particules du sol. Pour l'exhaustivité de la désorption des micro-organismes des particules de sol, diverses méthodes sont utilisées: chimiques, dans lesquelles les échantillons de sol sont traités avec divers détergents, physiques, qui sont basées sur la méthode de broyage mécanique des échantillons de sol.
Pour une meilleure désorption des micro-organismes des particules de sol, il est recommandé d'utiliser la méthode de congélation - décongélation du sol. L'essence de la méthode est la suivante. L'échantillon de sol prélevé pour l'isolement des actinomycètes est placé dans l'évaporateur d'un réfrigérateur domestique à une température de 8 °. Au bout d'une heure, l'échantillon est retiré du réfrigérateur et conservé à température ambiante jusqu'à ce qu'il soit complètement décongelé. La procédure de gel-dégel est répétée deux fois. Ensuite, un échantillon de sol est placé dans un stérile eau du robinet, la suspension est agitée pendant 15 min sur un agitateur circulaire à 230 tr / min, après quoi diverses dilutions de la suspension sont étalées sur une plaque d'agar nutritive dans des boîtes de Pétri.
La méthode de congélation-décongélation des échantillons de sol permet de détecter 1,2 à 3,6 fois plus d'actinomycètes dans ceux-ci que dans les mêmes échantillons sans congélation. Ceci est apparemment associé à une augmentation de la désorption des actinomycètes de la surface des particules du sol. L'antibiotique est purifié par des méthodes chromatographiques (chromatographie sur oxyde d'aluminium, cellulose, échangeurs d'ions) ou extraction à contre-courant. Les antibiotiques purifiés sont lyophilisés. Une fois l'antibiotique isolé, sa pureté est testée. Pour ce faire, déterminez sa composition élémentaire, ses constantes physico-chimiques (point de fusion, poids moléculaire, adsorption dans les régions spectrales visible, UV et IR, rotation spécifique). L'activité antibactérienne, la stérilité et la toxicité de l'antibiotique sont également étudiées.
La toxicité des antibiotiques est déterminée chez les animaux de laboratoire, qui sont injectés par voie intraveineuse, intrapéritonéale, intramusculaire ou d'une autre manière sur une certaine période de temps avec différentes doses de l'antibiotique étudié. En l'absence de changements externes du comportement des animaux dans les 12 à 15 jours, on considère que l'antibiotique testé n'a pas de propriétés toxiques notables. Avec une étude plus approfondie, ils découvrent si cet antibiotique a une toxicité latente et s'il affecte les tissus et organes individuels des animaux. Dans le même temps, la nature de l'action biologique de l'antibiotique - bactériostatique ou bactéricide, est étudiée, ce qui permet de prédire les mécanismes de ses propriétés antibactériennes.
La prochaine étape de l'étude d'un antibiotique consiste à évaluer ses propriétés thérapeutiques. Les animaux expérimentaux sont infectés par un type spécifique de microbe pathogène. La quantité minimale d'antibiotique qui protège l'animal d'une dose mortelle d'infection est la dose thérapeutique minimale. Plus le rapport entre la dose toxique de l'antibiotique et la dose thérapeutique est élevé, plus l'indice thérapeutique est élevé. Si la dose thérapeutique est égale ou proche de la dose toxique (faible indice thérapeutique), alors la probabilité d'utiliser l'antibiotique en pratique médicale est limitée ou totalement impossible. Dans le cas où un antibiotique est inclus dans la pratique médicale répandue, des méthodes industrielles pour sa production sont développées et sa structure chimique est étudiée en détail.
Standardisation des antibiotiques
Une unité d'activité antibiotique est la quantité minimale d'un antibiotique qui peut supprimer le développement ou retarder la croissance d'une souche microbienne d'essai standard dans un certain volume d'un milieu nutritif. La valeur de l'activité biologique des antibiotiques est généralement exprimée en unités de dose conventionnelles (U) contenues dans 1 ml de solution (U / ml) ou dans 1 mg du médicament (U / mg). Par exemple, une unité d'activité antibiotique de la pénicilline est considérée comme la quantité minimale du médicament capable de retarder la croissance de la souche standard 209 de Staphylococcus aureus dans 50 ml de bouillon nutritif. Pour la streptomycine, une unité d'activité est considérée comme la quantité minimale d'antibiotique qui inhibe la croissance d'E. Coli dans 1 ml de bouillon nutritif.
Après l'obtention de nombreux antibiotiques sous leur forme pure, pour certains d'entre eux l'activité biologique était exprimée en unités de masse. Par exemple, on a trouvé que 1 mg de base de streptomycine pure équivaut à 1000 unités. Par conséquent, 1 U d'activité streptomycine équivaut à 1 μg de base pure de cet antibiotique. Par conséquent, à l'heure actuelle, dans la plupart des cas, la quantité de streptomycine est exprimée en μg / mg ou μg / ml. Plus le nombre de μg / mg dans les préparations de streptomycine est proche de 1000, plus la préparation est donc pure. Il est clair que l'unité d'activité biologique d'un antibiotique ne coïncide pas toujours avec 1 µg. Par exemple, pour la benzylpénicilline, 1 U équivaut à environ 0,6 μg, car 1 mg de l'antibiotique contient 1667 U.
Méthodes d'analyse des antibiotiques
Contrairement à certains autres composés naturels (alcaloïdes, glycosides), il n'y a pas de réactions de groupe courantes pour les antibiotiques. De telles réactions ne peuvent être utilisées que pour des antibiotiques d'une classe chimique, par exemple pour les tétracyclines ou les nit-rophénylalkylamines (chloramphénicol). Diverses réactions colorées pour les groupes fonctionnels correspondants peuvent être utilisées pour identifier les antibiotiques; caractéristiques spectrales dans les régions visible, UV et IR du spectre; méthodes chromatographiques. Pour la détermination quantitative des antibiotiques, des méthodes biologiques, chimiques et physico-chimiques sont utilisées.
Les méthodes biologiques sont basées sur l'effet biologique direct d'un antibiotique sur un organisme d'essai sensible à cet antibiotique. La méthode de diffusion utilisée dans ce cas est basée sur la capacité des molécules d'antibiotiques à se diffuser dans des milieux gélosés. La taille de la zone dans laquelle les organismes d'essai utilisés ne se développent pas est estimée. Cette taille dépend de la nature chimique de l'antibiotique, de sa concentration, du pH et de la composition du milieu, et de la température de l'expérience.
Un autre type de test biologique est basé sur la turbidimétrie - une méthode d'analyse quantitative de l'intensité de la lumière absorbée par les particules en suspension - des cellules de micro-organismes. Lorsque certaines quantités d'antibiotiques sont ajoutées, la croissance des cellules microbiennes est retardée (effet bactériostatique), puis leur mort (effet bactéricide). Dans ce cas, l'intensité de la lumière absorbée change (diminue). En alternative à la méthode de turbidimétrie, la méthode néphélométrique d'analyse quantitative par l'intensité de la lumière diffusée par les microorganismes peut être utilisée.
Pour la détermination quantitative des antibiotiques, diverses méthodes spectrales sont utilisées, principalement des méthodes photocolorimétriques et spectrophotométriques. Par exemple, pour déterminer la concentration d'une solution d'érythromycine, une méthode photocolorimétrique peut être utilisée sur la base du changement de l'absorption d'une solution antibiotique après son interaction avec l'acide sulfurique. Les antibiotiques de la série des tétracyclines peuvent être déterminés par spectrophotométrie par la bande d'absorption qui disparaît après l'hydrolyse alcaline de la substance active. Une méthode a été développée qui combine des approches physico-chimiques et biologiques pour évaluer l'activité des médicaments. La méthode est basée sur la diffraction laser dans un milieu contenant des cellules de micro-organismes exposés à des produits chimiques, en particulier des antibiotiques.
Conservation des souches productrices d'antibiotiques à l'état actif
Les méthodes de maintien de la viabilité des organismes, qui permettent de maintenir leur activité antibiotique à un niveau constant, sont d'une grande importance pour la production industrielle d'antibiotiques, ainsi que pour les études en laboratoire des producteurs de substances antibiotiques. On sait que les microorganismes, et en particulier les actinomycètes, sont facilement modifiés par les méthodes de stockage classiques. De plus, il y a assez souvent une perte totale ou partielle des propriétés antibiotiques. La perte des propriétés antibiotiques, apparemment, dépend du fait que nous ne sommes pas en mesure, dans des conditions normales de culture, de créer de telles conditions qui contribueraient à la préservation des caractéristiques physiologiques de base du corps. Une perte d'activité est souvent observée lors de la culture de microorganismes sur des milieux riches en composition et avec des réensemencements fréquents.
Dans le même temps, les modifications des propriétés physiologiques ou biochimiques des producteurs de substances antibiotiques peuvent être déterminées par leurs lois génétiques. On sait par exemple que le producteur de gramicidine C au cours du développement se dissocie en un certain nombre de variantes, dont certaines ne forment pas cet antibiotique. De plus, le processus de dissociation de la culture va vers la formation d'un grand nombre de variantes biologiquement inactives, ce qui conduit finalement à une perte complète de la capacité de la culture à former de la gramicidine. Actuellement, un certain nombre de méthodes sont utilisées pour préserver les cultures de producteurs d'antibiotiques, garantissant leur séjour à long terme dans un état actif. Ces méthodes reposent sur le principe de retarder le développement des microorganismes, le principe de conservation. Pour chaque type de producteur de substances antibiotiques, il convient de choisir sa propre méthode de conservation la plus appropriée, ce qui permet de maintenir la culture dans un état actif pendant une période relativement longue.
Les méthodes les plus courantes pour maintenir les cultures de micro-organismes produisant des antibiotiques à l'état actif sont les suivantes.
1. Lyophilisation des cultures.
2. Stockage de cellules végétatives ou de spores d'organismes dans un sol stérile, du sable stérile ou sur les graines de certaines plantes (par exemple le millet). Selon plusieurs auteurs, les cultures d'actinomycètes en sol stérile conservent leur viabilité pendant 30 ans ou plus.
3. Stockage des spores sous forme de suspensions aqueuses en ampoules scellées.
4. Stockage des spores dans du sable de quartz stérile.
5. Stockage des cultures sur un joint d'agar sous huile minérale.
6. Stockage des cultures à basse température (+4, + 5 ° C).
7. Récemment, afin de conserver divers micro-organismes à l'état actif, de l'azote liquide est utilisé, dans lequel la suspension cellulaire lavée du milieu est interférée. Parfois, dans la phase gazeuse de l'azote liquide, les cultures d'actinomycètes sont conservées, qui sont sur des blocs d'agar découpés dans une plaque d'agar dans des boîtes de Pétri.
La meilleure forme de conservation des organismes, dans laquelle il n'y a pas de perte d'activité antibiotique, est leur lyophilisation - la méthode convient à la fois aux cultures sporulées et non sporulées de micro-organismes. L'essence de cette méthode est qu'une suspension de cellules ou de spores d'un microorganisme, préparée dans un milieu riche en protéines (le sérum sanguin est souvent utilisé à ces fins), est rapidement congelée à une température de -40 à -60 ° C et séchée sous vide jusqu'à une humidité résiduelle ( 0,5-0,7%). Après un tel traitement, des ampoules contenant des spores ou des cellules du microbe lyophilisé sont scellées. Les formes lyophilisées de bactéries peuvent persister pendant 16 à 18 ans, les spores fongiques ne perdent pas leurs propriétés de base lorsqu'elles sont conservées sous forme lyophilisée pendant 10 ans.
Page courante: 7 (le livre compte 18 pages au total) [passage disponible en lecture: 12 pages]
4.1. Anabolisme
L'ensemble des réactions de synthèse biologique est appelé échange plastique ou anabolisme (du grec anabole - montée). Le nom de ce type d'échange reflète son essence: à partir de simples substances entrant dans la cellule de l'extérieur, des substances similaires aux substances cellulaires se forment, c'est-à-dire assimilation.
Tous les processus métaboliques dans la cellule et dans tout l'organisme se déroulent sous le contrôle de l'appareil héréditaire. On peut dire que tous sont le résultat de la mise en œuvre des informations génétiques disponibles dans la cellule.
Considérons l'un des processus les plus importants de manifestation d'informations héréditaires au cours du métabolisme plastique - la biosynthèse des protéines.
Réalisation d'informations héréditaires - biosynthèse des protéines
Comme déjà noté, toute la variété des propriétés des molécules de protéines est finalement déterminée par la structure primaire, c'est-à-dire la séquence des acides aminés.
Pour qu'une protéine soit synthétisée, des informations sur la séquence d'acides aminés dans sa structure primaire doivent être fournies aux ribosomes. Ce processus comprend deux étapes transcription et diffuser.
Figure: 4.1. Transcription
Transcription (de Lat. transcriptio - réécriture) l'information se produit par synthèse sur l'un des brins d'ADN d'une molécule d'ARN monocaténaire, dont la séquence nucléotidique correspond exactement (complémentaire) à la séquence des nucléotides de la matrice - la chaîne d'ADN polynucléotidique. Il existe des mécanismes spéciaux pour la "reconnaissance" du point initial de synthèse, la sélection du brin d'ADN à partir duquel l'information est lue, ainsi que des mécanismes pour achever le processus. C'est ainsi que se forme l'ARN informationnel (Fig. 4.1).
Diffuser (du latin translatio - transfert). L'étape suivante de la biosynthèse est la traduction des informations contenues dans la séquence nucléotidique (séquence de codons) de la molécule d'i-ARN dans la séquence d'acides aminés de la chaîne polypeptidique - traduction.
Chez les procaryotes (bactéries et bleu-vert) qui n'ont pas de noyau formé, les ribosomes peuvent se lier à la molécule d'ARNm nouvellement synthétisée immédiatement après sa séparation de l'ADN ou même avant que sa synthèse ne soit terminée. Chez les eucaryotes, l'i-ARN doit d'abord être transporté à travers l'enveloppe nucléaire dans le cytoplasme. Le transfert est effectué par des protéines spéciales qui forment un complexe avec une molécule d'ARN. En plus de transporter l'i-ARN vers les ribosomes, ces protéines protègent l'i-ARN de l'action néfaste des enzymes cytoplasmiques. Dans le cytoplasme, le ribosome entre à l'une des extrémités de l'i-ARN (exactement celle à partir de laquelle la synthèse de la molécule dans le noyau a commencé) et commence la synthèse du polypeptide.
Le ribosome se déplace le long de la molécule d'i-ARN non pas en douceur, mais par intermittence, triplet par triplet (Fig. 4.2). Lorsque le ribosome se déplace le long de la molécule d'ARNm, les acides aminés correspondant aux triplets d'ARNm sont attachés à la chaîne polypeptidique l'un après l'autre. La correspondance exacte de l'acide aminé avec le code triplet de l'ARNm est fournie par l'ARN t. Chaque acide aminé a son propre ARN-t, l'un des triplets dont - anticodon - est complémentaire d'un triplet i-ARN strictement défini. De même, chaque acide aminé a sa propre enzyme qui l'attache à l'ARN-t.
Figure: 4.2. Diffuser
Figure: 4.3. Schéma de transmission des informations héréditaires de l'ADN à l'i-ARN et à la protéine
Le principe général de la transmission des informations héréditaires sur la structure des molécules protéiques dans le processus de biosynthèse de la chaîne polypeptidique est illustré à la figure 4.3.
Une fois la synthèse terminée, la chaîne polypeptidique est séparée de la matrice - la molécule d'i-ARN, enroulée en spirale, puis acquiert la structure tertiaire inhérente à cette protéine.
La molécule d'i-ARN peut être utilisée pour synthétiser des polypeptides plusieurs fois, tout comme le ribosome. La description de la traduction et de la transcription est ici très simplifiée. Il convient de rappeler que la biosynthèse des protéines est un processus extrêmement complexe, associé à la participation de nombreuses enzymes et à la dépense d'une grande quantité d'énergie, qui dépasse considérablement la quantité d'énergie des liaisons peptidiques formées. L'étonnante complexité du système de biosynthèse et sa haute intensité énergétique garantissent une haute précision et un ordre de synthèse polypeptidique.
La synthèse biologique des molécules non protéiques dans la cellule est réalisée en trois étapes. Tout d'abord, des informations sur la structure d'une protéine-enzyme spécifique sont obtenues, puis, à l'aide de cette enzyme, une molécule d'un certain glucide ou lipide est formée. D'autres molécules se forment de la même manière: vitamines, hormones et autres.
Points d'ancrage
1. La tâche principale des processus métaboliques est de maintenir la constance de l'environnement interne du corps (homéostasie) dans les conditions d'existence en constante évolution.
2. Le métabolisme consiste en deux processus interdépendants: l'assimilation et la dissimilation.
3. Dans la cellule, les processus métaboliques sont associés à diverses structures membranaires du cytoplasme.
4.2. Métabolisme énergétique - catabolisme1. Qu'est-ce que la synthèse biologique? Donne des exemples.
2. Donnez une définition de l'assimilation.
3. Quel est le code génétique?
4. Formulez les principales propriétés du code génétique.
5. Où sont synthétisés les acides ribonucléiques?
6. Où a lieu la synthèse des protéines?
7. Dites-nous comment se déroule la synthèse des protéines.
Le processus opposé à la synthèse est la dissimilation - un ensemble de réactions de division. Lorsque des composés de poids moléculaire élevé sont décomposés, de l'énergie est libérée, ce qui est nécessaire aux réactions de biosynthèse. Par conséquent, la dissimilation est également appelée métabolisme énergétique de la cellule ou catabolisme (du grec katabole - destruction).
Figure: 4.4. Schéma de la structure de l'ATP et sa transformation en ADP
L'énergie chimique des nutriments est contenue dans diverses liaisons covalentes entre les atomes des molécules de composés organiques. Par exemple, lorsqu'une liaison chimique telle qu'une liaison peptidique est rompue, environ 12 kJ pour 1 mole sont libérés. Dans le glucose, la quantité d'énergie potentielle contenue dans les liaisons entre les atomes de C, H et O est de 2800 kJ par mole (soit 180 g de glucose). Lorsque le glucose est décomposé, l'énergie est libérée par étapes avec la participation d'un certain nombre d'enzymes selon l'équation finale:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6H 2 O + 6CO 2 + 2800 kJ
Une partie de l'énergie libérée par les nutriments est dissipée sous forme de chaleur et une partie s'accumule, c'est-à-dire s'accumule dans les liaisons phosphate riches en énergie de l'ATP.
C'est l'ATP qui fournit de l'énergie pour tous les types de fonctions cellulaires: biosynthèse, travail mécanique (division cellulaire, contraction musculaire), transport actif de substances à travers les membranes, maintien du potentiel membranaire dans le processus de conduite d'une impulsion nerveuse, libération de divers secrets.
La molécule d'ATP est constituée d'une base azotée d'adénine, d'un sucre ribose et de trois résidus d'acide phosphorique (Fig. 4.4). L'adénine, le ribose et le premier phosphate forment l'adénosine monophosphate (AMP). Si le second phosphate est ajouté au premier, on obtient de l'adénosine diphosphate (ADP). La molécule à trois résidus d'acide phosphorique (ATP) est la plus énergivore. Le clivage du phosphate ATP terminal s'accompagne de la libération de 40 kJ au lieu de 12 kJ libérés lors de la rupture des liaisons chimiques.
Grâce aux liaisons riches en énergie dans les molécules d'ATP, la cellule peut stocker une grande quantité d'énergie dans un très petit espace et la dépenser au besoin. La synthèse d'ATP se produit principalement dans les mitochondries. De là, les molécules d'ATP pénètrent dans différentes parties de la cellule, fournissant de l'énergie pour les processus métaboliques.
Étapes du métabolisme énergétique. L'échange d'énergie est généralement divisé en trois étapes. Premier pas - préparatoire. À ce stade, les molécules de di- et polysaccharides, les graisses, les protéines se décomposent en petites molécules - glucose, glycérine et acides gras, acides aminés; grosses molécules d'acide nucléique en nucléotides. À ce stade, une petite quantité d'énergie est libérée, qui est dissipée sous forme de chaleur.
Seconde phase - sans oxygène. Elle est également appelée respiration anaérobie (glycolyse ) ou fermentation. Le terme «fermentation» est généralement utilisé en relation avec les processus se déroulant dans les cellules de micro-organismes ou de plantes. Les substances formées à ce stade dans le cytoplasme des cellules avec la participation d'enzymes sont davantage dégradées. Par exemple, dans les muscles, à la suite de la respiration anaérobie, la molécule de glucose se décompose en deux molécules d'acide pyruvique (C 3 H 4 O 3), qui sont ensuite réduites en acide lactique (C 3 H 6 O 3). L'acide phosphorique et l'ADP sont impliqués dans les réactions de dégradation du glucose. En résumé, cela ressemble à ceci:
C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2ADP → 2C 3 H 6 O 3 + 2ATP + 2H 2 O
Dans les champignons de levure, la molécule de glucose, sans la participation d'oxygène, est convertie en alcool éthylique et en dioxyde de carbone (fermentation alcoolique):
C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2ADP → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 2ATP + 2H 2 O
Dans d'autres micro-organismes, la glycolyse peut se terminer par la formation d'acétone, d'acide acétique, etc.
Dans tous les cas, la dégradation d'une molécule de glucose s'accompagne de la formation de deux molécules d'ATP. Lors de la dégradation sans oxygène du glucose, 40% de l'énergie est stockée dans la molécule d'ATP sous forme de liaison chimique, et le reste est dissipé sous forme de chaleur.
La troisième étape du métabolisme énergétique - stade de la respiration aérobie, ou fractionnement de l'oxygène. Les réactions de cette étape du métabolisme énergétique sont effectuées dans les mitochondries. Avec l'accès de l'oxygène à la cellule, les substances formées lors de l'étape précédente sont oxydées en produits finaux - H 2 O et CO 2. La respiration oxygénée s'accompagne de la libération d'une grande quantité d'énergie et de son accumulation dans les molécules d'ATP. L'équation globale de la respiration aérobie ressemble à ceci:
2C 3 H 6 O 3 + 6O 2 + 36H 3 PO 4 + 36ADP → 6CO 2 + 42H 2 O + 36ATP
Ainsi, lors de l'oxydation de deux molécules d'acide lactique, 36 molécules d'ATP se forment. Par conséquent, la respiration aérobie joue le rôle principal dans la fourniture d'énergie à la cellule.
Selon la méthode d'obtention d'énergie, tous les organismes sont divisés en deux groupes - autotrophes et hétérotrophes.
4.3. Type de métabolisme autotrophiqueAutotrophes - ce sont des organismes qui fournissent la nutrition (c'est-à-dire reçoivent de l'énergie) en raison de composés inorganiques. Ceux-ci incluent certaines bactéries et toutes les plantes vertes. En fonction de la source d'énergie utilisée par les organismes autotrophes pour la synthèse de composés organiques, ils sont divisés en deux groupes: les phototrophes et les chimiotrophes.
Figure: 4.5. Schéma du processus de photosynthèse
Pour les phototrophes, la lumière sert de source d'énergie, tandis que les chimiotrophes utilisent l'énergie libérée lors des réactions redox. Les plantes vertes sont des phototrophes. À l'aide de la chlorophylle contenue dans les chloroplastes, ils effectuent la photosynthèse - la conversion de l'énergie lumineuse en énergie des liaisons chimiques.
Photosynthèse. La photosynthèse est la formation de molécules organiques (et inorganiques) à partir de molécules inorganiques en utilisant l'énergie de la lumière du soleil. Ce processus se compose de deux phases - lumière et sombre (fig. 4.5).
Dans la phase lumineuse, les quanta de lumière - photons - interagissent avec les molécules de chlorophylle, à la suite de quoi ces molécules passent pendant un temps très court dans un état «excité» plus riche en énergie. L'énergie excédentaire d'une fraction des molécules de chlorophylle excitées est ensuite convertie en chaleur ou émise sous forme de lumière. Une autre partie de celui-ci est transférée aux ions hydrogène H +, qui sont toujours présents dans une solution aqueuse en raison de la dissociation de l'eau.
H 2 O → H + + OH -
Les atomes d'hydrogène formés (H 0) sont vaguement combinés avec des molécules organiques - des vecteurs d'hydrogène. Ions hydroxyles OH - donnent leurs électrons à d'autres molécules et se transforment en radicaux libres OH 0. Les radicaux OH 0 interagissent les uns avec les autres, entraînant la formation d'eau et d'oxygène moléculaire:
4OH → O 2 + 2H 2 O
Ainsi, la source d'oxygène moléculaire formée lors de la photosynthèse et libérée dans l'atmosphère est l'eau, qui se divise à la suite de la photolyse - la décomposition de l'eau sous l'influence de la lumière. En plus de la photolyse de l'eau, l'énergie lumineuse est utilisée dans la phase légère pour la synthèse d'ATP à partir d'ADP et de phosphate sans la participation d'oxygène.
C'est un procédé très efficace: les chloroplastes produisent 30 fois plus d'ATP que dans les mitochondries des mêmes plantes avec la participation d'oxygène. De cette manière, de l'énergie est accumulée, ce qui est nécessaire pour les processus se produisant dans la phase sombre de la photosynthèse.
Dans le complexe des réactions chimiques de la phase sombre, au cours de laquelle la lumière n'est pas nécessaire, la fixation du CO 2 occupe une place clé. Ces réactions mettent en jeu des molécules d'ATP, synthétisées lors de la phase lumineuse, et des atomes d'hydrogène formés lors de la photolyse de l'eau et associés à des molécules porteuses:
6CO 2 + 24H → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O
Ainsi, l'énergie de la lumière du soleil est convertie en énergie des liaisons chimiques de composés organiques complexes.
Comme indiqué ci-dessus, un sous-produit de la photosynthèse dans les plantes vertes est l'oxygène moléculaire libéré dans l'atmosphère. L'oxygène libre dans l'atmosphère est un puissant facteur de transformation des substances. Son apparition a servi de condition préalable à l'émergence sur notre planète du métabolisme de type aérobie et à l'émergence de la vie sur terre.
Chimiosynthèse. Certaines bactéries dépourvues de chlorophylle sont également capables de synthétiser des composés organiques, tout en utilisant l'énergie des réactions chimiques substances inorganiques... La transformation de l'énergie des réactions chimiques en énergie chimique des composés organiques synthétisés est appelée chimiosynthèse.
La chimiosynthèse a été découverte par un éminent microbiologiste russe S. N. Vinogradskiy (1887).
Au groupe des autotrophes-chimiosynthétiques (chimiotrophes) comprennent les bactéries nitrifiantes. Certains d'entre eux utilisent l'énergie de l'oxydation de l'ammoniac en acide nitreux, tandis que d'autres utilisent l'énergie de l'oxydation de l'acide nitreux en acide nitrique. On sait que les chimiosynthétiques extraient l'énergie de l'oxydation du fer ferreux en fer ferrique («bactéries du fer») ou de l'oxydation du sulfure d'hydrogène en acide sulfurique («bactéries soufrées»). En fixant l'azote atmosphérique, en convertissant les minéraux en une forme soluble assimilable par les plantes, les bactéries chimiosynthétiques jouent un rôle important dans le cycle des substances de la nature.
Type de métabolisme hétérotrophique. Les organismes incapables de synthétiser eux-mêmes des composés organiques à partir de composés inorganiques doivent être libérés de l'environnement. Ces organismes sont appelés hétérotrophes. Ceux-ci incluent la plupart des bactéries, des champignons et tous les animaux. Les animaux mangent d'autres animaux et plantes et obtiennent des glucides, des graisses, des protéines et des acides nucléiques prêts à l'emploi avec de la nourriture. Au cours de la vie, ces substances se décomposent. Des composés organiques plus complexes caractéristiques d'un organisme donné - glycogène, graisses, protéines, acides nucléiques - sont synthétisés à partir d'une partie des molécules libérées dans ce processus - glucose, acides aminés, nucléotides, etc. Une autre partie des molécules est divisée et l'énergie libérée pendant celle-ci est utilisée pour la vie.
Les processus de biosynthèse ont lieu en permanence dans les cellules. Avec l'aide d'enzymes, des substances organiques plutôt simples sont transformées en substances complexes de haut poids moléculaire: les protéines sont formées à partir d'acides aminés, de glucides multimoléculaires - de simples glucides, de nucléotides - de bases azotées et de glucides, d'ADN et d'ARN - de nucléotides. Toutes les réactions de biosynthèse dans l'organisme sont appelées assimilation. Le processus inverse, qui inclut la destruction des composés organiques, est la dissimilation. L'énergie issue des réactions de dissimilation est nécessaire au processus de biosynthèse.
Points d'ancrage
1. Le métabolisme consiste en deux processus étroitement interdépendants et dirigés de façon opposée: l'assimilation et la dissimilation.
2. La grande majorité des processus vitaux de la cellule nécessitent une dépense d'énergie sous forme d'ATP.
3. La dégradation du glucose dans les organismes aérobies, dans laquelle l'étape sans oxygène est suivie de la dégradation de l'acide lactique avec la participation de l'oxygène, est 18 fois plus économe en énergie que la glycolyse anaérobie.
4. La forme la plus efficace de photosynthèse est celle dans laquelle l'eau est utilisée comme source d'hydrogène.
Examiner les questions et les devoirs
1. Qu'est-ce que la dissimilation? Décrivez les étapes de la dissimilation.
2. Quel est le rôle de l'ATP dans le métabolisme cellulaire?
3. Parlez-nous du métabolisme énergétique dans la cellule en utilisant l'exemple de la dégradation du glucose.
4. Quels types de nutrition d'organismes connaissez-vous?
5. Quels organismes sont appelés autotrophes?
6. Décrivez les phases claires et sombres de la photosynthèse.
7. Pourquoi l'oxygène libre est-il libéré dans l'atmosphère des plantes vertes à la suite de la photosynthèse?
8. Qu'est-ce que la chimiosynthèse?
9. Quels organismes sont appelés hétérotrophes? Donne des exemples.
En utilisant vocabulaire en-têtes "Terminologie" et "Résumé", se traduisent par langue Anglaise points de "Points de contrôle".
Terminologie
Revue de la matière apprise au chapitre 4Questions à discuter
Quels organismes sont appelés autotrophes? Dans quels groupes les autotrophes sont-ils divisés?
Quel est le mécanisme de formation d'oxygène libre à la suite de la photosynthèse dans les plantes vertes? Quelle est la signification biologique et écologique de ce processus?
Où, à la suite de quelles transformations de molécules et en quelle quantité l'ATP se forme-t-il dans les organismes vivants?
Dispositions de base
L'essence du métabolisme est la transformation des substances et de l'énergie.
Les réactions métaboliques sont composées de processus d'assimilation et de dissimilation interdépendants mais multidirectionnels, dont la cohérence assure l'homéostasie du corps.
Le code génétique est une organisation historiquement établie de molécules d'ADN et d'ARN, dans laquelle des informations héréditaires sur les caractéristiques et les propriétés d'un organisme sont contenues dans une séquence de nucléotides.
Le métabolisme énergétique d'un organisme ou d'une cellule comprend trois étapes: préparatoire - la séparation des biopolymères alimentaires en monomères, la dégradation anoxique - en produits intermédiaires et la décomposition de l'oxygène - en produits finaux. Seules les deux dernières étapes s'accompagnent de la formation de l'ATP.
Domaines problématiques
Comment les informations héréditaires sur les traits et les propriétés des virus contenant de l'ADN et de l'ARN sont-elles obtenues?
Quelle est la signification biologique de la redondance du code génétique?
Comment les informations héréditaires sur la structure et les fonctions des molécules non protéiques synthétisées dans la cellule sont-elles réalisées?
Pensez-vous qu'il soit possible d'augmenter l'efficacité de la photosynthèse?
Aspects appliqués
Comment pensez-vous pouvoir améliorer l'efficacité de la photosynthèse chez les plantes vertes?
Quels exemples pouvez-vous donner qui caractérisent l'utilisation des caractéristiques métaboliques des organismes vivants en médecine, en agriculture et dans d'autres industries?
Tâches
Écrivez les équations de réaction pour les phases claires et sombres de la photosynthèse. Indiquez les voies de transfert des électrons et des protons.
Décrivez les diverses réactions de dégradation du glucose anoxique chez les organismes anaérobies et aérobies.
Décrivez la dégradation des molécules organiques avec la participation de l'oxygène dans les cellules des organismes aérobies.
Chapitre 5. Structure et fonction des cellules
Pour les parties élémentaires les plus diverses des organismes, il existe un principe général de structure et de développement, et ce principe est la formation des cellules.
T. Schwann
Les transformations biochimiques sont inextricablement liées aux structures d'une cellule vivante qui sont responsables de l'exécution d'une fonction particulière. Ces structures sont appelées organites, car, comme les organes de tout l'organisme, elles remplissent une fonction spécifique. Les méthodes de recherche modernes ont permis aux biologistes d'établir que, selon la structure de la cellule, tous les êtres vivants devraient être divisés en organismes "sans nucléaire" - procaryotes (littéralement - pré-nucléaires) et "nucléaires" - eucaryotes. Le groupe des procaryotes comprend toutes les bactéries et le bleu-vert (cyane), et le groupe des eucaryotes comprend les champignons, les plantes et les animaux.
Actuellement, il existe deux niveaux d'organisation cellulaire: procaryote et eucaryote. Les organismes procaryotes conservent les caractéristiques de l'antiquité la plus profonde: ils sont disposés très simplement. Sur cette base, ils se distinguent en un royaume indépendant. Les organismes eucaryotes contiennent un noyau limité par une membrane, ainsi que des «centrales électriques» complexes - les mitochondries. En d'autres termes, toutes les cellules «nucléaires» - les eucaryotes - sont très organisées, adaptées à consommer de l'oxygène et peuvent donc produire une grande quantité d'énergie.
5.1. Cellule procaryoteLes bactéries sont des cellules procaryotes typiques. Ils vivent partout: dans l'eau, dans le sol, dans la nourriture. Ils vivent dans le bassin le plus profond de l'océan et sur le plus haut sommet de la montagne de la Terre - l'Everest, ils se trouvent dans la glace de l'Arctique et de l'Antarctique, dans des sources d'eau chaude souterraines, dans la haute atmosphère. Déjà cette liste de conditions de vie montre à quel point les organismes procaryotes ont un haut degré de forme physique, malgré la simplicité de leur structure. Les bactéries sont des formes de vie primitives et on peut supposer qu'elles appartiennent au type de créatures vivantes qui sont apparues aux premiers stades du développement de la vie sur Terre.
Les bactéries semblent avoir vécu à l'origine dans les mers; les micro-organismes modernes en sont probablement issus. Une personne s'est familiarisée avec le monde des microbes relativement récemment, seulement après avoir appris à fabriquer des lentilles (XVIIe siècle), ce qui donne une augmentation suffisamment forte. Le développement de la technologie au cours des siècles suivants a permis d'étudier en détail les bactéries et autres organismes procaryotes.
Arrêtons-nous sur les caractéristiques de la structure de la cellule bactérienne (Fig. 5.1). Les tailles des cellules bactériennes varient largement: de 1 à 10-15 microns. Selon leur forme, les cellules sphériques se distinguent - cocci, allongées - bâtonnets ou bacilles, et alambiquées - spirilla (figure 5.2). Selon l'espèce à laquelle appartiennent les micro-organismes, ils existent soit séparément, soit forment des grappes caractéristiques. Par exemple, le streptocoque, qui provoque des maladies inflammatoires chez l'homme et l'animal, forme des chaînes de plusieurs cellules bactériennes; Staphylococcus aureus, qui affecte les voies respiratoires chez les enfants, se développe dans des formations qui ressemblent à une grappe de raisin. Par la nature de telles accumulations de cellules bactériennes et par les particularités de leur activité vitale, les microbiologistes peuvent déterminer à quelle espèce appartient le micro-organisme isolé.
Figure: 5.1. Schéma de la structure des cellules procaryotes
Figure: 5.2. Forme et arrangement mutuel bactéries: 1 - bâtonnets, 2-4 - cocci, 5 - spirilla
La principale caractéristique structurelle des bactéries est l'absence de noyau délimité par une coquille. Leurs informations héréditaires sont contenues dans un chromosome. Le chromosome bactérien, constitué d'une molécule d'ADN, est en forme d'anneau et immergé dans le cytoplasme. L'ADN dans les bactéries ne forme pas de complexes avec les protéines, et donc l'écrasante majorité des inclinations héréditaires - les gènes qui composent le chromosome, «travaillent», c'est-à-dire que les informations héréditaires sont continuellement lues à partir d'elles. La cellule bactérienne est entourée d'une membrane (voir Fig. 5.1), qui sépare le cytoplasme de la paroi cellulaire, formée par une substance hétéropolymère complexe. Il y a peu de membranes dans le cytoplasme. Il contient des ribosomes qui synthétisent des protéines. Toutes les enzymes qui fournissent les processus vitaux des bactéries sont dispersées de manière diffuse dans le cytoplasme ou attachées à la surface interne de la membrane. Dans de nombreux micro-organismes, des substances de stockage se déposent à l'intérieur de la cellule - polysaccharides, graisses, polyphosphates. Ces substances, impliquées dans les processus métaboliques, peuvent prolonger la vie de la cellule en l'absence de sources d'énergie externes.
Les bactéries se multiplient dédoublement. Après la reduplication du chromosome en anneau et l'élongation cellulaire, un septum transverse se forme progressivement, puis les cellules filles divergent ou restent connectées en groupes caractéristiques - chaînes, paquets, etc. Parfois, la reproduction est précédée d'un processus sexuel dont l'essence est l'échange de matériel génétique et l'émergence de nouvelles combinaisons de gènes dans le chromosome bactérien.
Figure: 5.3. Spore mûre dans une cellule bactérienne
De nombreuses bactéries ont tendance à la sporulation. En règle générale, des différends surviennent en cas de manque de nutriments ou lorsque les produits métaboliques s'accumulent en excès dans l'environnement. La formation des spores commence par le détachement d'une partie du cytoplasme de la cellule mère. La partie détachée contient un chromosome et est entourée d'une membrane (Fig. 5.3). Ensuite, la spore est entourée d'une paroi cellulaire, souvent multicouche. Les processus de vie dans les spores cessent pratiquement. Lorsqu'elles sont sèches, les spores bactériennes sont très stables et peuvent rester viables pendant des centaines, voire des milliers d'années, en résistant à des fluctuations soudaines de température. Un exemple de ceci est les spores trouvées dans les sépultures anciennes (momies des anciens Egyptiens, réserves de nourriture dans diverses grottes), lors du forage stérile de la glace entourant le pôle Sud. Une fois dans des conditions favorables, les spores sont converties en une cellule bactérienne active. Les microbiologistes ont cultivé des colonies de micro-organismes à partir de spores capturées dans un échantillon de glace âgé de 10 à 12 000 ans.
Controverse bactérie pathogène, se trouvant dans un état dormant pendant de nombreuses années dans le sol, entrer dans l'eau (avec divers types de mesures d'irrigation), peut provoquer des épidémies de maladies infectieuses. Par exemple, les bâtonnets d'anthrax restent viables, restant sous forme de spores pendant plus de 30 ans.
Ainsi, la sporulation chez les procaryotes est une étape du cycle de vie qui assure la survie de conditions environnementales défavorables. De plus, à l'état de spores, les micro-organismes peuvent se propager par le vent et d'autres méthodes.
Récemment, deux niveaux d'organisation cellulaire ont été distingués: les procaryotes et les eucaryotes. Dans les organismes procaryotes, de nombreuses caractéristiques anciennes sont restées, y compris la simplicité de leur structure. Ainsi, ils n'ont aucun noyau séparé du protoplasme par une membrane, aucune capacité spéciale à reproduire des organites et aucun squelette semblable à des formations dans le cytoplasme. En raison de ces caractéristiques, ils sont exclus d'un royaume distinct de micro-organismes procaryotes. Les eubactéries et les cianobactéries sont considérées comme les représentants les plus importants de ce royaume, et les archéobactéries sont restées les plus similaires aux ancêtres antiques.
Points d'ancrage
1. Chez les procaryotes, le matériel génétique de la cellule est représenté par une molécule d'ADN circulaire.
2. Toutes les bactéries, bleu-vert et mycoplasmes sont haploïdes, c'est-à-dire qu'elles contiennent une copie des gènes.
3. Dans les cellules des organismes procaryotes, il n'y a pratiquement pas de membranes internes, c'est pourquoi la plupart des enzymes sont distribuées de manière diffuse dans tout le cytoplasme.
Examiner les questions et les devoirs
1. Que sont les organites cellulaires?
2. Quelle est la base de la division de tous les organismes vivants en deux groupes - procaryotes et eucaryotes?
3. Quels organismes sont des procaryotes?
4. Décrivez la structure de la cellule bactérienne.
5. Comment les bactéries se développent-elles?
6. Quelle est l'essence du processus de sporulation chez les bactéries?
En utilisant le vocabulaire des en-têtes «Terminologie» et «Résumé», traduisez les éléments «Points de pivot» en anglais.
Terminologie
Pour chaque terme indiqué dans la colonne de gauche, sélectionnez la définition correspondante donnée dans la colonne de droite en russe et en anglais.
Sélectionnez la définition correcte pour chaque terme dans la colonne de gauche parmi les variantes anglaises et russes répertoriées dans la colonne de droite.
Questions à discuter
Quelle est la signification des procaryotes dans les biocénoses? Quel est leur rôle écologique?
Comment les agents pathogènes affectent-ils l'état d'un macro-organisme (hôte)?
La biosynthèse (synthèse biologique) est la formation de substances complexes à partir de substances plus simples dans un organisme vivant.
Dans ces derniers, la biosynthèse diffère de la synthèse chimique, qui a lieu à l'extérieur des cellules - dans les laboratoires, dans les usines chimiques, parfois - dans les plans d'eau, le sol et les roches.
De plus, des substances spéciales sont toujours impliquées dans la biosynthèse - les enzymes. Ils permettent et / ou accélèrent les réactions chimiques. Environ 5000 enzymes sont connues, et elles n'existent pas dans la nature en dehors des organismes vivants.
La nature a eu à sa disposition des milliards d'années et a expérimenté des milliards de méthodes de synthèse. Pendant ce temps, elle a sélectionné les substances les plus appropriées, créé des structures miniatures pour leur traitement. Une cellule vivante est devenue une usine chimique, où des transformations complexes peuvent avoir lieu. L '«usine» fonctionne automatiquement, rapidement, avec un minimum de pertes et un rendement maximum. L'approvisionnement en «matières premières» de la cellule, un approvisionnement en énergie ininterrompu, est toujours à portée de main, les informations enregistrées dans les gènes sur quoi et comment faire.
Prenez, par exemple, une feuille verte sur un arbre. À la lumière du dioxyde de carbone et de l'eau, il forme continuellement du glucose. La plante s'en nourrit, reçoit de l'énergie. Une science puissante et une technologie puissante sont entre les mains de l'homme. Dioxyde de carbone et eau - autant que nécessaire. Avec aussi, semble-t-il, il n'y a pas de problèmes. Mais les gens, n'utilisant que cela, ne sont pas capables de synthétiser un seul grain de glucose. Nous l'obtenons d'une manière complètement différente, et à partir d'amidon synthétisé par les mêmes plantes.
Pourquoi une personne ne peut-elle pas copier les réactions de la biosynthèse?
Premièrement, parce que nous n'avons pas le genre d '«équipement» dont dispose la cellule.
Deuxièmement, la plupart des enzymes sont des protéines, afin de les obtenir, une personne doit découvrir la structure de chacune, puis trouver un moyen de les obtenir. Tout cela est possible, mais pas facile. En conséquence, un produit de synthèse chimique (par exemple, une hormone artificielle) s'avère assez coûteux. 
Il est possible de simplifier les choses si au moins une partie du travail est transférée dans des cellules vivantes. Par exemple, l'acide ascorbique (vitamine C) est produit dans les usines à la suite de six réactions chimiques. L'un d'eux est fourni par ... des bactéries actives. Ces schémas sont largement utilisés par la biotechnologie.
Nous avons comparé une cage à une plante. Mais dans l'industrie, la délocalisation est une pratique courante. Le génie génétique fait quelque chose de similaire. Ainsi, le gène humain de la protéine insuline a pu "trouver un travail" dans la cellule de la bactérie E. coli. En conséquence, l'insuline est synthétisée dans un nouvel endroit - inconnu et totalement inutile pour E. coli, mais dont les patients diabétiques ont un besoin urgent.
Comment une personne utilise-t-elle les produits biosynthétiques?
Il les utilise sans hésitation à chaque seconde de sa vie. Lorsque vous lisez ces lignes, la biosynthèse des pigments visuels se déroule dans vos yeux, la substance de stockage du glycogène est synthétisée dans le foie à partir du glucose, la moelle osseuse construit des molécules d'hémoglobine, etc.
De plus, une personne consomme avec force et principal les produits finis de la biosynthèse de «quelqu'un d'autre». Quelle est notre nourriture - pain, viande, beurre, céréales, lait, etc.? Ce sont tous des mélanges de protéines, de graisses, de glucides, de vitamines. Autrement dit, les produits de la biosynthèse qui ont eu lieu dans les cellules des plantes et des animaux.
La biosynthèse nous fournit des matières premières industrielles. Nous extrayons les antibiotiques et les vitamines des moisissures et des bactéries. Nous sommes habillés et chaussés différents types écureuil - laine, fourrure et peau de mammifères, ainsi que fibre de coton. Nous sélectionnons la soie naturelle parmi les papillons de vers à soie. Nous transformons la cellulose, que les arbres synthétisent depuis des décennies, en papier, glucose, viscose, plastique, matériaux de construction, meubles. 
Nous ne pouvons qu'être heureux que la nature ait créé la biosynthèse - sans elle, nous serions privés de tout cela. Certes, sans biosynthèse, il n'y aurait pas de nous-mêmes.
La synthèse des protéines biologiques est un processus en plusieurs étapes très complexe. Il a maintenant été prouvé que la biosynthèse des protéines ne se produit pas dans le noyau, mais dans le cytoplasme. L'ADN ne participe pas directement à la synthèse des protéines. Le rôle d'un intermédiaire, dont la fonction est de traduire les informations héréditaires sur la composition chimique et la structure des protéines, stockées dans l'ADN, dans la chaîne polypeptidique d'une protéine particulière est assuré par les acides ribonucléiques (i-ARN, t-ARN). Grande importance dans la biosynthèse des protéines a un ARN messager. Il agit comme une matrice. Le nombre de molécules d'ARNm formées sur l'ADN est déterminé par le nombre de gènes qui contrôlent la synthèse de protéines spécifiques dans un organisme particulier. Chaque protéine nécessite son propre i-ARN pour la synthèse, dont une molécule «efface» la séquence de nucléotides d'une région d'ADN égale à un gène, puis l'i-ARN transfère cette information à la séquence d'acides aminés dans la chaîne polypeptidique de la protéine. L'ARN messager du noyau pénètre dans le cytoplasme et agit sur les ribosomes par rapport aux protéines en tant que matrice.
La biosynthèse des protéines commence par un processus appelé transcription (de la transcription anglaise - réécriture, copie). Au site d'un gène spécifique de la molécule d'ADN, l'ARNm est synthétisé. La synthèse de l'ARNm est réalisée à l'aide de nombreuses enzymes, mais le rôle principal appartient à l'ARN polymérase, qui se fixe au point de départ de la molécule d'initiation de la transcription de l'ADN appelée promoteur, déroule la double hélice et synthétise l'ARNm. Le promoteur est situé devant le gène et chez les eucaryotes il en comprend environ 80, et chez les virus et bactéries environ 10 nucléotides.
L'ARN polymérase se déplace le long du gène et conduit la synthèse de l'i-ARN. La molécule d'ARNm synthétisée est séparée de l'ADN et les parties du gène sur lesquelles cet acide s'est formé sont réunies. La fin de la synthèse de l'ARNm détermine le site, qui est appelé le terminateur. Les nucléotides promoteurs et terminateurs reconnaissent des protéines spécifiques qui régulent l'activité de l'ARN polymérase.
Il a maintenant été prouvé que tout d'abord le précurseur de l'ARNm, le soi-disant pro-m-ARN, est synthétisé. Cet acide est plus gros que l'ARNm et contient des fragments qui ne codent pas pour la synthèse de la chaîne peptidique d'une protéine particulière. Cela est dû au fait qu'avec les régions codant pour l'ARN r, l'ARN t et les polypeptides, l'ADN contient des fragments qui ne portent pas d'informations génétiques. Ces fragments sont appelés introns et les fragments codants sont appelés exons. Après la formation du pro-i-ARN, le processus de maturation de l'ARNm a lieu, appelé traitement. Dans le processus de maturation de l'ARNm, les introns sont éliminés par des enzymes spéciales et les régions informatives (exons) sont reliées dans un ordre strict à l'aide d'enzymes ligases. Ce processus s'appelle l'épissage (de l'épissure anglaise - à l'épissure). La signification biologique et le rôle des introns restent incertains. Cependant, il a été constaté que lorsque seuls les exons sont lus dans l'ADN, aucun ARNm mature n'est formé.
La prochaine étape de la biosynthèse est la traduction, qui a lieu dans le cytoplasme des ribosomes. Son essence est que la séquence de l'arrangement des nucléopeptides dans l'ARNm est traduite en une séquence strictement ordonnée de l'arrangement des acides aminés dans la molécule de la protéine synthétisée. Ce processus se déroule avec la participation active du t-ARN et consiste en l'activation d'acides aminés et la synthèse directe d'une molécule protéique. Les acides aminés libres sont activés et fixés au t-ARN par l'enzyme aminoacyl-t-ARN synthétals. Les acides aminés activés t-ARN sont délivrés aux ribosomes. Ces organites du cytoplasme sont constitués de deux sous-particules, dont l'une a une constante de sédimentation de 30 S, la seconde de 50 S. La molécule d'ARNm quitte le noyau dans le cytoplasme et se fixe à une petite sous-unité du ribosome. Le codon de départ AUG sert de signal pour la traduction. Lorsque le t-ARN délivre un acide aminé activé au ribosome, son anticodon se lie au codon d'ARNm complémentaire. L'extrémité accepteur de l'ARN-t avec l'acide aminé correspondant est attachée à la surface de la grande sous-unité ribosomique. Ensuite, le prochain ARN-t délivre le prochain acide aminé, etc. La molécule d'ARNm agit sur plusieurs ribosomes liés en polysomes. Le début de la synthèse de la chaîne polypeptidique est appelé élongation. La fin de la synthèse de la chaîne polypeptidique est appelée terminaison. La terminaison se produit lorsque l'un des codons de terminaison UAA, UAT ou UGA apparaît sur l'ARNm.
voir également
Biogéochimie: histoire et modernité
Introduction La biogéochimie est une science qui étudie l'activité vitale des organismes en tant que facteur majeur de migration et de distribution de masse éléments chimiques par terre. Le sujet du biogeo ...
Qu'est-ce que la vie du point de vue de la physique
INTRODUCTION Aux sciences naturelles modernes, il existe des concepts théoriques qui se sont formés au cours du XXe siècle dans le cadre de disciplines scientifiques... La science naturelle la plus importante ...
Influence des biorythmes sur le corps humain
Introduction Athlète de performance médicale au biorythme Les gens connaissent l'existence des rythmes biologiques depuis l'Antiquité. Déjà dans l'Ancien Testament, des instructions sont données sur l'image correcte de ...
