Характеристика основных методов получения антибиотиков. Что такое биосинтез в биологии? Какое значение имеет биологический синтез

Обмен веществ и превращение энергии - основа жизнедеятельности клетки. Энергетический обмен в клетке и его сущность. Значение АТФ в энергетическом обмене.

Пластический обмен. Фотосинтез. Пути повышения продуктивности сельскохозяйственных растений. Биосинтез белков. Ген и его роль в биосинтезе. Код ДНК. Реакция матричного синтеза. Взаимосвязь процессов пластического и энергетического обмена.

Вопросы для самопроверки:

В чем заключается биологический синтез? Приведите примеры.

Дайте определение ассимиляции.

Что такое генетический код? Сформулируйте основное свойства генетического кода?

Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты?

Где происходит синтез белка? Расскажите, как осуществляется синтез 6eлкa.

Что такое диссимиляция? Охарактеризуйте этапы диссимиляции.

В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?

Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.

Какие типы питания организмов вам известны? Какие организмы называются автотрофными? На какие группы делятся автотрофные организмы?

Охарактеризуйте световую и темновую фазы фотосинтеза.

Почему в результате фотосинтеза у зеленых растений в атмосферу выделяется свободный кислород?

Что такое хемосинтез?

Приведите примеры фотосинтезирующих организмов.

Какие организмы называются гетеротрофными? Приведите примеры.

Раздел 4. Размножение живых организмов

Способность к размножению, или самовоспроизводство, - одна из важнейших характеристик органической природы. Размножение – свойство, присущее всем без исключения живым организмам – от бактерий до млекопитающих. Существование любого вида животных и растений, бактерий и грибов, преемственность между родительскими особями и их потомством поддерживаются только благодаря размножению.

Необходимое условие размножения - наследственность, т.е. способность воспроизводить свойства и признаки родителей.

Известны различные формы размножения, но все они могут быть объединены в два типа: половое и бесполое.

Половым размножением называют смену поколений и развитие организмов на основе специализированных - половых клеток, образующихся в половых железах. В эволюции размножения наиболее прогрессивным оказался способ, благодаря которому новый организм развивается в результате слияния двух половых клеток, образованных разными родителями. Однако у беспозвоночных животных нередко сперматозоиды и яйцеклетки формируются в теле одного организма. Такое явление - обоеполость - называют гермафродитизмом. Цветковые растения также бывают обоеполыми. Известны случаи, когда новый организм, не обязательно появляется в результате слияния половых клеток. У некоторых видов животных и растений наблюдается развитие из неоплодотворенной яйцеклетки. Такое размножение называют девственным, или партеногенетическим.

Бесполое размножение характеризуется тем, что новая особь развивается из неполовых (соматических) клеток.

Вопросы для самопроверки:

Какие способы размножения вам известны? Что такое половое размножение?

У каких организмов встречается бесполое размножение? Какие формы бесполого размножения вам известны? Приведите примеры.

Почему при бесполом размножении потомки генетически сходны между собой и с родительской особью?

Чем половое размножение отличается от бесполого? Укажите отличия мейоза от митоза.

В чем заключается биологический смысл мейоза? Почему зрелые половые клетки одного организма несут разные комбинации генов?

В нем состоят эволюционные преимущества полового размножения перед бесполым?

Антибиотики – специальные продукты жизнедеятельности микроорганизмов и их модификации, которые обладают высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов (вирусам, бактериям, грибам, водорослям) или к злокачественным опухолям. Традиционные представления об антибиотиках связаны с их широким применением в современной медицине и ветеринарии. Некоторые антибиотические препараты применяют как стимуляторы роста животных, в борьбе с болезнями растений, при консервировании пищевых продуктов и в научных исследованиях (в области биохимии, молекулярной биологии, генетике, онкологии). В соответствии с классификацией, в основе которой лежит химическое строение, антибиотики можно разделить наследующие группы:

1. Ациклические соединения (исключая жирные кислоты и терпены)

2. Алициклические соединения (в том числе тетрациклины)

3. Ароматические соединения

5. Кислородсодержащие гетероциклы

7. Пептиды

В настоящее время различают три способа получения антибиотиков: биологический, метод получения полусиитетических препаратов и синтез химических соединений - аналогов природных антибиотиков.

Синтетические антибиотики

Изучение химической структуры антибиотиков дало возможность получать их методом химического синтеза. Одним из первых антибиотиков, полученных таким методом, был левомицетин. Большие успехи в развитии, химии привели к созданию антибиотиков с направленно измененными свойствами, обладающих пролонгированным действием, активных в отношении устойчивых к пенициллину стафилококков. К пролонгированным препаратам относятся экмоновоциллин, бициллин 1,3,5.

Полусинтетические антибиотики

Их готовят комбинированным способом: методом биологического синтеза получают основное ядро молекулы нативного антибиотика, а методом химического синтеза, путем частичного изменения химической структуры - полусинтетические препараты. Большим достижением является разработка метода получения полусинтетических пенициллинов. Методом биологического синтеза было извлечено ядро молекулы пенициллина - 6-аминопенициллановая кислота (6-АПК), которая обладала слабой антимикробной активностью. Путем присоединения к молекуле 6-АПК бензильной группы создан бензилпенициллин, который теперь получают и методом биологического синтеза.

Широко применяемый в медицине под названием пенициллин, бензилпеиициллин обладает сильной химиотерапевтической активностью, но активен лишь в отношении грамположительиых микробов и не действует на устойчивые микроорганизмы, особенно стафилококки, образующие фермент - β-лактамазу. Бензилпенициллин быстро теряет свою активность в кислой и щелочной средах, поэтому его нельзя применять внутрь, так как он разрушается в желудочно-кишечном тракте. Полусинтетические препараты получают также на основе 7-аминоцефалоспориновой кислоты (7-АЦК). Производные 7-АЦК: цефалотин, цефалоридин (цепории) не дают аллергических реакций у лиц, чувствительных к пенициллину. Получены и другие полусинтетические антибиотики, например рифампицип - эффективный противотуберкулезный препарат.

Биологический синтез

Полностью химическая структура установлена одной трети известных антибиотиков и только половина из них может быть получена химическим синтезом. Поэтому микробиологический синтез получения антибиотических средств очень актуален. Синтез микроорганизмами антибиотиков – одна из форм проявления антагонизма; связан с определенным характером обмена веществ, возникшим и закрепленным ходе его эволюции, то есть это наследственная особенность, выражающаяся в образовании одного и более определенных, строго специфичных для каждого вида антибиотических веществ.

Промышленное получение антибиотиков, как правило, осуществляется путем биосинтеза и включает следующие стадии:

· выбор высокопроизводительных штаммов продуцента (до 45 тыс. ЕД/мл)

· выбор питательной среды;

· процесс биосинтеза;

· выделение антибиотика из культуральной жидкости;

· очистка антибиотика.

Выбор высокопроизводительных штаммов продуцента. Природные штаммы в большинстве своем малоактивны и не могут использоваться для промышленных целей. Поэтому после отбора наиболее активного природного штамма для повышения его продуктивности применяют различные мутагены, вызывающие стойкие наследственные изменения. Эффективными мутагенами являются мутагены физической природы - ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, быстрые нейтроны или химические вещества. Использование мутагенов позволяет не только повысить продуктивность природного штамма, но и получать штаммы с новыми неизвестными для природного микроорганизма свойствами.

Большое значение для биосинтеза антибиотика имеет подбор рационального состава питательных сред. Понятие «среда для культивирования» включает не только определенный качественный и количественный состав компонентов или отдельных элементов, необходимых для конструктивного и энергетического омена организма (источники азота, углерода, фосфора, источники ряда микроэлементов, витамины и ростовые вещества), но также и физико-химические и физические факторы (активная кислотность, окислительно-восстановительный потенциал, температура, аэрация и др.). Все эти факторы взаимосвязаны и играют существенную роль при развитии микроорганизмов.

Подбирая среды нужного состава, следует учитывать специфику культивируемого организма. Это необходимо для создания оптимальных условий, которые бы способствовали наилучшему росту микроба и биосинтезу необходимых продуктов жизнедеятельности. Например, если организм не может синтезировать некоторые существенные для него жизнедеятельности соединения (как например, аминокислоты или витамины) из простых веществ субстрата, то для его развития следует в состав ввести готовые аминокислоты или витамины. К таким «требовательным» организмам относятся некоторые виды бактерий (молочнокислые и др.). Актиномицеты и преимущественно плесневые грибы, как правило, строят вещества своего тела и довольно сложные по составу конечные продукты обмена из соединений, образуемых из простых компонентов субстрата.

Методы культивирования продуцентов антибиотиков

В современных условиях наиболее перспективным методом выращивания микроорганизмов - продуцентов антибиотиков или других биологически активных соединений признан метод глубинного культивирования. Метод состоит в том, что микроорганизм развивается в толще жидкой питательной среды, через которую непрерывно пропускается стерильный воздух, и среда перемешивается.

Можно указать четыре основные модификации глубинного способа выращивания микроорганизмов.

1. Периодическое культивирование. При этом способе весь процесс развития микроорганизмов полностью завершается в одном ферментере, после чего ферментер освобождается от культуральной жидкости, тщательно промывается, стерилизуется и вновь заполняется свежей питательной средой. Среда засевается изучаемым микроорганизмом, и процесс возобновляется.2. Отъемный метод. Культивирование микроорганизмов осуществляется в ферментерах с периодическим отбором части объема культуральной жидкости (от 30 до 60% общего объема). Объем культуральной жидкости в ферментере при этом доводится свежей питательной средой до исходного уровня.

3. Батарейный способ. Развитие микроорганизмов проходит в ряду последовательно соединенных ферментеров. Культуральная жидкость на определенной стадии развития микроорганизма перекачивается из первого ферментера во второй, затем из второго - в третий и т. д. Освобожденный ферментер немедленно заполняется свежей питательной средой, засеянной микроорганизмом. При этом способе выращивания микроорганизмов происходит более рациональное использование емкостей.

4. Непрерывное культивирование. Метод принципиально отличен от указанных модификаций глубинного культивирования продуцентов антибиотиков. В основе этого метода лежит то, что развитие микроорганизма происходит в условиях непрерывного протока питательной среды, что позволяет поддерживать развитие микроорганизма на определенной стадии его роста. Стадия развития микроорганизма определяется исходя из наиболее выгодного для максимального биосинтеза антибиотика или другого биологически активного соединения.

Еще один метод культивирования микроорганизмов – поверхностное культивирование. Метод поверхностного культивирования на различных агаризованных средах широко применяется в лабораторной практике и в некоторых промышленных процессах, в частности для сохранения коллекционных культур, для изучения физиологических и биохимических свойств микроорганизмов, для аналитических целей. В промышленном масштабе этот метод нашел применение при получении спорового материала для производства органических кислот с помощью плесневых грибов рода Aspergillus.

При поверхностном методе культуру микроорганизма-продуцента выращивают на поверхности тонкого слоя жидкой или твердой среда. Жидкие питательные среда используют в основном при производстве органических кислот (лимонной, итаконовой), твердые - при производстве комплексов на основе крахмального и целлюлозу содержащего сырья.

Методы выделения антибиотиков из культуральной жидкости весьма разнообразны и определяются химической природой антибиотика. В основном используют следующие методы:

1. Высев почвенной взвеси в воде на поверхность агаровой пластинки. Определенная навеска почвы, тщательно растертая в ступке с небольшим объемом воды, количественно переносится в колбу со стерильной водой. Содержимое колбы встряхивается в течение 5 мни, а затем из водной суспензии делается ряд последовательных разведений, которые высеваются на соответствующую авизированную среду. Для получения в дальнейшем чистых культур отдельные колонии после инкубация в термостате при нужной температуре пересеваются в пробирки со скошенным питательным агаром. Каждая чистая культура микроорганизма пересевается на различные по составу среды и после достаточно хорошего развития проверяются ее антибиотические свойства.

2. Высев почвы на питательный агар, предварительно засеянный тест-организмом . Поверхность питательного агара засевается тест - культурой необходимого организма, после чего на агаровую пластинку раскладывают небольшие, не более просяного зерна, комочки почвы или же почву наносят в виде пыли, распределяя ее по всей поверхности пластинки. Затем чашки помещают в термостат и через определенный промежуток времени (24-48 ч, а иногда и более) просматривают кусочки почвы или отдельные ее участки, вокруг которых образовались зоны задержки роста тест-организма. Из этих участков выделяют чистые культуры организмов и подвергают их дальнейшему изучению.

3. Метод обогащения почвы. Почву, из которой предполагают выделить антагонистов, обогащают организмами тех видов, по отношению к которым хотят получить антагонист. С этой целью к образцам почвы, помешенным в стеклянные сосуды, систематически добавляют отмытую суспензию нужных микроорганизмов. Затем через определенные промежутки времени такая почва высевается в виде отдельных комочков на агаровые пластинки в чашках Петри, предварительно засеянные тем же самым организмом, который использовался для обогащения почвы.

4. Метод центрифугирования почвенной суспензии. Для выделения актиномицетов из почв и особенно из почв в весеннее время, когда в ней развивается большое число грибов и бактерий, применяетсяметод центрифугирования почвенной взвеси. Метод основан на различии скорости оседания отдельных видов микроорганизмов в центробежном поле. При 3000 об/мин в течение 20 мин частицы, соответствующие по размерам спорам плесеней или клеткам бактерий осаждаются на дно пробирки. Частицы же, соответствующие по размерам спорам актиномицетов, оказываются при данной скорости центрифугирования в поверхностном слое жидкости. Высевая надосадочную жидкость, удается в большинстве случаев (до 92%) получить на пластинках питательного агара только колонии актиномицетов.

5. Метод замораживания - оттаивания почвы. Известно, что микроорганизмы в почве находятся в адсорбированном на почвенных частицах состоянии. Для полноты десорбции микроорганизмов с почвенных частиц применяются различные методы: химические, при которых почвенные образцы обрабатывают различными детергентами, физические, в основе которых лежит метод механического растирания образцов почвы.

Для лучшей десорбции микроорганизмов с почвенных частиц рекомендуется использовать метод замораживания - оттаиванияпочвы. Суть метода состоит в следующем. Отобранный для выделения актиномицетов образец почвы помещается в испаритель бытового холодильника при температуре 8°. Через час образец извлекается из холодильника и выдерживается при комнатной температуре до полного оттаивания. Процедуру замораживания-оттаивания повторяют дважды. Затем навеску почвы помещают в стерильную водопроводную воду, взбалтывают суспензию в течение 15 мин на круговой качалке при 230 об/мин, после чего различные разведения суспензии высевают на питательную агаровую пластинку в чашках Петри.

Метод замораживания - оттаивания образцов почвы позволяет обнаружить в них в 1,2-3,6 раза больше актиномицетов, чем в тех же образцах без замораживания. Это, по-видимому, связано с повышением десорбции актиномицетов с поверхности почвенных частиц. Очистка антибиотика производится хроматографическими методами (хроматография на оксиде алюминия, целлюлозе, ионитах) или противоточной экстракцией. Очищенные антибиотики подвергают лиофильной сушке. После выделения антибиотика проводят испытания его чистоты. Для этого определяют его элементный состав, физико-химические константы (температуру плавления, молекулярную массу, адсорбцию в видимой, УФ- и ИК-областях спектра, удельное вращение). Исследуют также антибактериальную активность, стерильность и токсичность антибиотика.

Токсичность антибиотиков определяют на экспериментальных животных, которым в течение определенного периода внутривенно, внутрибрюшинно, внутримышечно или иным путем вводят различные дозы изучаемого антибиотика. При отсутствии внешних изменений в поведении животных в течение 12-15 сут считают, что испытуемый антибиотик не обладает заметными токсическими свойствами. При более глубоком исследовании выясняют, обладает ли данный антибиотик скрытой токсичностью и влияет ли на отдельные ткани и органы животных. Одновременно исследуют характер биологического действия антибиотика - бактериостатический или бактерицидный, что позволяет прогнозировать механизмы его антибактериальных свойств.

Следующий этап изучения антибиотика - оценка его терапевтических свойств. Экспериментальных животных заражают определенным видом патогенного микроба. Минимальное количество антибиотика, предохраняющее животного от смертельной дозы инфекции, является минимальной терапевтической дозой. Чем больше отношение токсичной дозы антибиотика к терапевтической, тем выше терапевтический индекс. Если терапевтическая доза равна токсической или приближается к ней (низкий терапевтический индекс), то вероятность применения антибиотика в лечебной практике ограничена или совсем невозможна. В том случае, когда антибиотик входит в широкую медицинскую практику, разрабатывают промышленные методы его получения и детально изучают его химическую структуру.

Стандартизация антибиотиков

За единицу антибиотической активности принимают минимальное количество антибиотика, способное подавить развитие или задержать рост стандартного штамма тест-микроба в определенном объеме питательной среды. Величину биологической активности антибиотиков выражают обычно в условных единицах дозы (ЕД), содержащихся в 1 мл раствора (ЕД/мл) или в 1 мг препарата (ЕД/мг). Например, за единицу антибиотической активности пенициллина принято считать минимальное количество препарата, способное задерживать рост золотистого стафилоккока стандартного штамма 209 в 50 мл питательного бульона. Для стрептомицина за единицу активности принято считать минимальное количество антибиотика, задерживающее рост Е. coli в 1 мл питательного бульона.

После того как многие антибиотики были получены в чистом виде, для некоторых из них стали выражать биологическую активность в массовых единицах. Например, установлено, что 1 мг чистого основания стрептомицина эквивалентен 1000 ЕД. Следовательно, 1 ЕД активности стрептомицина эквивалентна 1 мкг чистого основания этого антибиотика. Поэтому в настоящее время в большинстве случаев количество стрептомицина выражают в мкг/мг или мкг/мл. Чем ближе число мкг/мг в препаратах стрептомицина к 1000, тем, следовательно, чище препарат. Понятно, что единица биологической активности антибиотика не всегда совпадает с 1 мкг. Например, для бензилпенициллина 1 ЕД эквивалентна примерно 0,6 мкг, так как 1 мг антибиотика содержит 1667 ЕД.

Методы анализа антибиотиков

В отличие от некоторых других природных соединений (алкалоиды, гликозиды) для антибиотиков не существует общих групповых реакций. Такие реакции могут быть использованы только для антибиотиков одного химического класса, например для тетрациклинов или нит-рофенилалкиламинов (левомицетинов). Для идентификации антибиотиков могут быть использованы различные цветные реакции на соответствующие функциональные группы; спектральные характеристики в видимой, УФ- и ИК-областях спектра; хроматографические методы. Для количественного определения антибиотиков используют биологические, химические, физико-химические методы.

Биологические методы основаны на непосредственном биологическом действии антибиотика на применяемый тест-организм, чувствительный к данному антибиотику. Применяемый при этом диффузионный метод основан на способности молекул антибиотиков диффундировать в агаровых средах. Оценивается размер зоны, в которой используемые тест-организмы не развиваются. Этот размер зависит от химической природы антибиотика, его концентрации, рН и состава среды, температуры эксперимента.

В основе другой разновидности биологического тестирования лежит турби-диметрия - метод количественного анализа по интенсивности света, поглощенного взвешенными частицами - клетками микроорганизмов. При добавлении определенных количеств антибиотиков наблюдается задержка роста клеток микроорганизмов (бактериостатический эффект), а затем их гибель (бактерицидный эффект). При этом изменяется (уменьшается) интенсивность поглощенного света. В качестве альтернативного турбидиметрии метода может быть использован нефелометрический метод количественного анализа по интенсивности света, рассеянного микроорганизмами.

Для количественного определения антибиотиков применяют различные спектральные методы - в первую очередь, фотоколориметрический и спект-рофотометрические методы. Например, для определения концентрации раствора эритромицина можно применить фотоколориметрический метод, основанный на изменении абсорбции раствора антибиотика после взаимодействия его с серной кислотой. Антибиотики тетрациклинового ряда могут быть определены спектрофотометрическим методом по полосе поглощения, исчезающей после щелочного гидролиза действующего вещества. Разработан способ, сочетающий физико-химический и биологический подходы к оценке активности ЛС. Метод основан на лазерной дифракции в среде, содержащей клетки микроорганизмов при действии на них химических веществ, в частности антибиотиков

Сохранение штаммов продуцентов антибиотиков в активном состоянии

Важное значение для промышленного получения антибиотиков, а также для лабораторных исследований продуцентов антибиотических веществ имеют методы поддержания жизнеспособности организмов, позволяющие сохранить их антибиотическую активность на постоянном уровне. Известно, что микроорганизмы и в особенности актиномицеты легко изменяются при обычных методах их хранения. Причём довольно часто при этом наблюдается полная или частичная потеря антибиотических свойств. Потеря антибиотических свойств зависит, по-видимому, от того, что мы не умеем в обычных условиях культивирования создать такие условия, которые бы способствовали сохранению организмом его основных физиологических особенностей. Нередко потеря активности наблюдается при культивировании микроорганизмов на богатых по составу средах и при частых пересевах.

Вместе с тем изменение физиологических или биохимических свойств продуцентов антибиотических веществ может определяться, их генетическими закономерностями. Известно, например, что продуцент грамицидина С в процессе развития диссоциирует на ряд вариантов, некоторые из которых не образуют этот антибиотик. Причем процесс диссоциации культуры идет в направлении образования в большом количестве биологически неактивных вариантов, что в конечном итоге приводит к полной потере культурой способности образования грамицидина. В настоящее время используется ряд методов сохранения культур продуцентов антибиотиков, обеспечивающий их длительное пребывание в активном состоянии. В основу этих методов положен принцип задержки развития микроорганизмов, принцип консервации. Для каждого вида продуцента антибиотических веществ должен быть подобран свой, наиболее подходящий метод консервирования, позволяющий сохранить культуры в активном состоянии в течение относительно длительного времени.

Наиболее распространенными методами сохранения культур микроорганизмов-продуцентов антибиотиков в активном состоянии являются следующие.

1. Лиофилизация культур.

2. Хранение вегетативных клеток или спор организмов в стерильной почве, стерильном песке или на семенах некоторых растений (например, просе). По данным ряда авторов, культуры актиномицетов, находящихся в стерильной почве, сохраняют жизнеспособность в течение 30 лет и более.

3. Хранение спор в виде водных суспензий в запаянных ампулах.

4. Хранение спор в стерильном кварцевом песке.

5. Хранение культур на агаровом косячке под минеральным маслом.

6. Хранение культур при низких температурах (+4, +5°С).

7. В последнее время для сохранения различных микроорганизмов в активном состоянии используют жидкий азот, в который помешают отмытую от среды суспензию клеток. Иногда в газообразной фазе жидкого азота сохраняют культуры актиномицетов, находящиеся на агаровых блочках, вырезанных из агаровой пластинки в чашках Петри.

Наилучшей формой сохранения организмов, при которой не наблюдается потери антибиотической активности, является их лиофилизация - метод пригоден как для спорообразующнх, так в для бесспоровых культур микроорганизмов. Сущность этого метода состоит в том, что суспензия клеток или спор микроорганизма, приготовленная на среде, богатой белками (часто используется для этих целей кровяная сыворотка), быстро замораживается при температуре от - 40 до - 60°С и высушивается под вакуумом до остаточной влажности (0,5-0,7%). После такой обработки ампулы со спорами или клетками лиофнлизированного микроба запаивают. Лиофилизированные формы бактерий могут сохраняться в течение 16-18 лет, споры грибов не теряют основных свойств при хранении их в лиофилизированном виде в течение 10 лет.



Текущая страница: 7 (всего у книги 18 страниц) [доступный отрывок для чтения: 12 страниц]

4.1. Анаболизм

Совокупность реакций биологического синтеза называется пластическим обменом или анаболизмом (от греч. anabole – подъем). Название этого вида обмена отражает его сущность: из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки, т. е. происходит ассимиляция.

Все процессы метаболизма в клетке и целом организме протекают под контролем наследственного аппарата. Можно сказать, что все они являются результатом реализации генетической информации, имеющейся в клетке.

Рассмотрим один из важнейших процессов проявления наследственной информации в ходе пластического обмена – биосинтез белков.

Реализация наследственной информации – биосинтез белков

Как уже отмечалось, все многообразие свойств белковых молекул в конечном счете определяется первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот.

Для того чтобы синтезировался белок, информация о последовательности аминокислот в его первичной структуре должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа транскрипцию и трансляцию.

Рис. 4.1. Транскрипция

Транскрипция (от лат. transcriptio – переписывание) информации происходит путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК одноцепочечной молекулы РНК, последовательность нуклеотидов которой точно соответствует (комплементарна) последовательности нуклеотидов матрицы – полинуклеотидной цепи ДНК. Существуют специальные механизмы «узнавания» начальной точки синтеза, выбора цепи ДНК, с которой считывается информация, а также механизмы завершения процесса. Так образуется информационная РНК (рис. 4.1).

Трансляция (от лат. translatio – передача). Следующий этап биосинтеза – перевод информации, заключенной в последовательности нуклеотидов (последовательности кодонов) молекулы и-РНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи – трансляция.

У прокариот (бактерий и сине-зеленых), не имеющих оформленного ядра, рибосомы могут связываться с вновь синтезированной молекулой и-РНК сразу же после ее отделения от ДНК или даже до полного завершения ее синтеза. У эукариот и-РНК сначала должна быть доставлена через ядерную оболочку в цитоплазму. Перенос осуществляется специальными белками, которые образуют комплекс с молекулой РНК. Кроме транспорта и-РНК к рибосомам эти белки защищают и-РНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов. В цитоплазме на один из концов и-РНК (именно на тот, с которого начинался синтез молекулы в ядре) вступает рибосома и начинает синтез полипептида.

Рибосома перемещается по молекуле и-РНК не плавно, а прерывисто, триплет за триплетом (рис. 4.2). По мере перемещения рибосомы по молекуле и-РНК к полипептидной цепочке одна за другой пристраиваются аминокислоты, соответствующие триплетам и-РНК. Точное соответствие аминокислоты коду триплета и-РНК обеспечивается т-РНК. Для каждой аминокислоты существует своя т-РНК, один из триплетов которой – антикодон – комплементарен строго определенному триплету и-РНК. Точно также каждой аминокислоте соответствует свой фермент, присоединяющий ее к т-РНК.

Рис. 4.2. Трансляция

Рис. 4.3. Схема передачи наследственной информации от ДНК к и-РНК и к белку

Общий принцип передачи наследственной информации о структуре белковых молекул в процессе биосинтеза полипептидной цепи представлен на рисунке 4.3.

После завершения синтеза полипептидная цепочка отделяется от матрицы – молекулы и-РНК, сворачивается в спираль, а затем приобретает третичную структуру, свойственную данному белку.

Молекула и-РНК может использоваться для синтеза полипептидов многократно, так же, как рибосома. Описание трансляции и транскрипции дано здесь очень упрощенно. Следует помнить, что биосинтез белков – процесс чрезвычайно сложный, связанный с участием многих ферментов и затратой большого количества энергии, значительно превышающего количество энергии образующихся пептидных связей. Поразительная сложность системы биосинтеза и ее высокая энергоемкость обеспечивают высокую точность и упорядоченность синтеза полипептидов.

Биологический синтез небелковых молекул в клетке осуществляется в три этапа. Вначале реализуется информация о структуре специфического белка-фермента, а затем при помощи этого фермента образуется молекула определенного углевода или липида. Сходным путем образуются и другие молекулы: витамины, гормоны и другие.

Опорные точки

1. Основной задачей процессов обмена веществ является поддержание постоянства внутренней среды организма (гомеостаза) в непрерывно меняющихся условиях существования.

2. Метаболизм складывается из двух взаимосвязанных процессов – ассимиляции и диссимиляции.

3. В клетке процессы метаболизма связаны с различными мембранными структурами цитоплазмы.

1. В чем заключается биологический синтез? Приведите примеры.

2. Дайте определение ассимиляции.

3. Что такое генетический код?

4. Сформулируйте основные свойства генетического кода.

5. Где синтезируются рибонуклеиновые кислоты?

6. Где происходит синтез белка?

7. Расскажите, как осуществляется синтез белка.

4.2. Энергетический обмен – катаболизм

Процессом, противоположным синтезу, является диссимиляция – совокупность реакций расщепления. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют еще энергетическим обменом клетки или катаболизмом (от греч. katabole – разрушение).

Рис. 4.4. Схема строения АТФ и превращения ее в АДФ

Химическая энергия питательных веществ заключена в различных ковалентных связях между атомами в молекулах органических соединений. Например, при разрыве такой химической связи, как пептидная, освобождается около 12 кДж на 1 моль. В глюкозе количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О, составляет 2800 кДж на 1 моль (т. е. на 180 г глюкозы). При расщеплении глюкозы энергия выделяется поэтапно при участии ряда ферментов согласно итоговому уравнению:

С 6 Н 12 О 6 + 6O 2 → 6Н 2 О + 6СO 2 + 2800 кДж

Часть энергии, освобождаемой из питательных веществ, рассеивается в форме теплоты, а часть аккумулируется, т. е. накапливается в богатых энергией фосфатных связях АТФ.

Именно АТФ обеспечивает энергией все виды клеточных функций: биосинтез, механическую работу (деление клетки, сокращение мышц), активный перенос веществ через мембраны, поддержание мембранного потенциала в процессе проведения нервного импульса, выделение различных секретов.

Молекула АТФ состоит из азотистого основания аденина, сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 4.4). Аденин, рибоза и первый фосфат образуют аденозинмонофосфат (АМФ). Если к первому фосфату присоединяется второй, получается аденозиндифосфат (АДФ). Молекула с тремя остатками фосфорной кислоты (АТФ) наиболее энергоемка. Отщепление концевого фосфата АТФ сопровождается выделением 40 кДж вместо 12 кДж, выделяемых при разрыве обычных химических связей.

Благодаря богатым энергией связям в молекулах АТФ клетка может накапливать большое количество энергии в очень небольшом пространстве и расходовать ее по мере надобности. Синтез АТФ идет главным образом в митохондриях. Отсюда молекулы АТФ поступают в разные участки клетки, обеспечивая энергией процессы метаболизма.

Этапы энергетического обмена. Энергетический обмен обычно делят на три этапа. Первый этап – подготовительный. На этом этапе молекулы ди– и полисахаридов, жиров, белков распадаются на мелкие молекулы – глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты; крупные молекулы нуклеиновых кислот – на нуклеотиды. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.

Второй этап – бескислородный. Он называется также анаэробным дыханием (гликолизом) или брожением. Термин «брожение» обычно применяют по отношению к процессам, протекающим в клетках микроорганизмов или растений. Образующиеся на этом этапе в цитоплазме клеток вещества при участии ферментов подвергаются дальнейшему расщеплению. Например, в мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы пировиноградной кислоты (С 3 Н 4 О 3), которые затем восстанавливаются в молочную кислоту (С 3 Н 6 О 3). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ. В суммарном виде это выглядит так:

С 6 Н 12 О 6 + 2Н 3 РО 4 + 2АДФ → 2С 3 Н 6 О 3 + 2АТФ + 2Н 2 О

У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение):

С 6 Н 12 О 6 + 2Н 3 РО 4 + 2АДФ → 2С 2 Н 5 ОН + 2СO 2 + 2АТФ + 2Н 2 О

У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и т. д.

Во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. В ходе бескислородного расщепления глюкозы в виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40 % энергии, а остальная рассеивается в виде теплоты.

Третий этап энергетического обмена – стадия аэробного дыхания, или кислородного расщепления. Реакции этой стадии энергетического обмена осуществляются в митохондриях. При доступе кислорода к клетке образовавшиеся во время предыдущего этапа вещества окисляются до конечных продуктов – Н 2 О и СО 2 . Кислородное дыхание сопровождается выделением большого количества энергии и аккумуляцией ее в молекулах АТФ. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так:

2С 3 Н 6 О 3 + 6O 2 + 36Н 3 РО 4 + 36АДФ → 6СO 2 + 42Н 2 O + 36АТФ

Таким образом, при окислении двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.

По способу получения энергии все организмы делятся на две группы – автотрофные и гетеротрофные.

4.3. Автотрофный тип обмена веществ

Автотрофы – это организмы, осуществляющие питание (т. е. получающие энергию) за счет неорганических соединений. К ним относятся некоторые бактерии и все зеленые растения. В зависимости от того, какой источник энергии используется автотрофными организмами для синтеза органических соединений, их делят на две группы: фототрофы и хемотрофы.

Рис. 4.5. Схема процесса фотосинтеза

Для фототрофов источником энергии служит свет, а хемотрофы используют энергию, освобождающуюся при окислительно-восстановительных реакциях. Зеленые растения являются фототрофами. При помощи содержащегося в хлоропластах хлорофилла они осуществляют фотосинтез – преобразование световой энергии в энергию химических связей.

Фотосинтез. Фотосинтезом называют образование органических (и неорганических) молекул из неорганических за счет использования энергии солнечного света. Этот процесс состоит из двух фаз – световой и темновой (рис. 4.5).

В световой фазе кванты света – фотоны – взаимодействуют с молекулами хлорофилла, в результате чего эти молекулы на очень короткое время переходят в более богатое энергией «возбужденное» состояние. Затем избыточная энергия части возбужденных молекул хлорофилла преобразуется в теплоту или испускается в виде света. Другая ее часть передается ионам водорода Н + , всегда имеющимся в водном растворе вследствие диссоциации воды.

H 2 O → H + + OH −

Образовавшиеся атомы водорода (Н 0) непрочно соединяются с органическими молекулами – переносчиками водорода. Ионы гидроксила ОН − отдают свои электроны другим молекулам и превращаются в свободные радикалы ОН 0 . Радикалы ОН 0 взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуются вода и молекулярный кислород:

4ОН → О 2 + 2Н 2 О

Таким образом, источником молекулярного кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза и выделяющегося в атмосферу, является вода, расщепляющаяся в результате фотолиза – разложения воды под влиянием света. Кроме фотолиза воды энергия света используется в световой фазе для синтеза АТФ из АДФ и фосфата без участия кислорода.

Это очень эффективный процесс: в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях тех же растений с участием кислорода. Таким путем накапливается энергия, необходимая для процессов, происходящих в темновой фазе фотосинтеза.

В комплексе химических реакций темновой фазы, для течения которых свет не обязателен, ключевое место занимает связывание СО 2 . В этих реакциях участвуют молекулы АТФ, синтезированные во время световой фазы, и атомы водорода, образовавшиеся в процессе фотолиза воды и связанные с молекулами-переносчиками:

6СО 2 + 24Н → С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О

Так энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических соединений.

Как уже отмечалось выше, побочным продуктом фотосинтеза зеленых растений является молекулярный кислород, выделяемый в атмосферу. Свободный кислород в атмосфере является мощным фактором преобразования веществ. Его появление послужило предпосылкой возникновения на нашей планете аэробного типа обмена веществ и выхода жизни на сушу.

Хемосинтез. Некоторые бактерии, лишенные хлорофилла, тоже способны к синтезу органических соединений, при этом они используют энергию химических реакций неорганических веществ. Преобразование энергии химических реакций в химическую энергию синтезируемых органических соединений называют хемосинтезом.

Хемосинтез был открыт видным русским микробиологом С. Н. Виноградским (1887).

К группе автотрофов-хемосинтетиков (хемотрофов) относятся нитрифицирующие бактерии. Некоторые из них используют энергию окисления аммиака в азотистую кислоту, другие – энергию окисления азотистой кислоты в азотную. Известны хемосинтетики, извлекающие энергию из окисления двухвалентного железа в трехвалентное («железные бактерии») или из окисления сероводорода до серной кислоты («серные бактерии»). Фиксируя атмосферный азот, переводя минералы в растворимую форму, усваиваемую растениями, хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в круговороте веществ в природе.

Гетеротрофный тип обмена веществ. Организмы, неспособные сами синтезировать органические соединения из неорганических, нуждаются в доставке их из окружающей среды. Такие организмы называют гетеротрофами. К ним относится большинство бактерий, грибы и все животные. Животные поедают других животных и растения и получают с пищей готовые углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты. В ходе жизнедеятельности происходит расщепление этих веществ. Из части освободившихся при этом молекул – глюкозы, аминокислот, нуклеотидов и др. синтезируются более сложные органические соединения, свойственные данному организму, – гликоген, жиры, белки, нуклеиновые кислоты. Другая часть молекул расщепляется, и освобождающаяся при этом энергия используется для жизнедеятельности.

Processes of biosynthesis continuously take place in the cells. With the help of enzymes rather simple organic substances are transformed into complicated high-molecular ones: proteins are formed from aminoacids, multimolecular carbohydrates – from simple carbohydrates, nucleotides – from nitrogenic bases and carbohydrates, DNA and RNA – from nucleotides. All the reactions of biosynthesis in the organism are called assimilation. The opposite process, that includes destruction of organic compounds, is dissimilation. The energy, derived from dissimilation reactions is necessary for the process of biosynthesis.

Опорные точки

1. Метаболизм складывается из двух тесно взаимосвязанных и противоположно направленных процессов: ассимиляции и диссимиляции.

2. Подавляющее большинство процессов жизнедеятельности, протекающих в клетке, требуют затрат энергии в виде АТФ.

3. Расщепление глюкозы у аэробных организмов, при котором за бескислородным этапом следует расщепление молочной кислоты с участием кислорода, в 18 раз более эффективно с энергетической точки зрения, чем анаэробный гликолиз.

4. Наиболее эффективной формой фотосинтеза является такая, при которой в качестве источника водорода используется вода.

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое диссимиляция? Охарактеризуйте этапы диссимиляции.

2. В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?

3. Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.

4. Какие типы питания организмов вам известны?

5. Какие организмы называют автотрофными?

6. Охарактеризуйте световую и темновую фазы фотосинтеза.

7. Почему в результате фотосинтеза у зеленых растений в атмосферу выделяется свободный кислород?

8. Что такое хемосинтез?

9. Какие организмы называют гетеротрофными? Приведите примеры.

Используя словарный запас рубрик «Терминология» и «Summary», переведите на английский язык пункты «Опорных точек».

Терминология

Вопросы для обсуждения

Какие организмы называют автотрофными? На какие группы подразделяют автотрофов?

Каков механизм образования свободного кислорода в результате фотосинтеза у зеленых растений? В чем биологическое и экологическое значение этого процесса?

Где, в результате каких преобразований молекул и в каком количестве образуется АТФ у живых организмов?

Обзор изученного материала главы 4

Основные положения

Сущность метаболизма заключается в преобразовании веществ и энергии.

Реакции обмена веществ складываются из взаимосвязанных, но разнонаправленных процессов ассимиляции и диссимиляции, согласованность которых обеспечивает гомеостаз организма.

Генетический код – это исторически сложившаяся организация молекул ДНК и РНК, при которой наследственная информация о признаках и свойствах организма оказывается заключенной в последовательности нуклеотидов.

Энергетический обмен организма или клетки включает три этапа: подготовительный – расщепление биополимеров пищи до мономеров, бескислородное расщепление – до промежуточных продуктов и кислородное расщепление – до конечных продуктов. Только два последних этапа сопровождаются образованием АТФ.

Проблемные области

Как реализуется наследственная информация о признаках и свойствах ДНК– и РНК-содержащих вирусов?

В чем заключается биологический смысл избыточности генетического кода?

Каким образом реализуется наследственная информация о структуре и функциях небелковых молекул, синтезируемых в клетке?

Как вы считаете, можно ли повысить эффективность фотосинтеза?

Прикладные аспекты

Как вы думаете, каким образом можно повысить эффективность фотосинтеза у зеленых растений?

Какие примеры, характеризующие использование особенностей метаболизма живых организмов в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях, вы можете привести?

Задания

Напишите уравнения реакций световой и темновой фаз фотосинтеза. Обозначьте пути переноса электронов и протонов.

Охарактеризуйте различные реакции бескислородного расщепления глюкозы у анаэробных и аэробных организмов.

Опишите процесс расщепления органических молекул при участии кислорода в клетках аэробных организмов.

Глава 5. Строение и функции клеток

Для разнообразнейших элементарных частей организмов существует общий принцип строения и развития, и этим принципом является образование клеток.

Т. Шванн

Биохимические превращения неразрывно связаны с теми структурами живой клетки, которые отвечают за выполнение той или иной функции. Такие структуры получили название органоидов, так как, подобно органам целого организма, выполняют специфическую функцию. Современные методы исследования позволили биологам установить, что по строению клетки все живые существа следует делить на организмы «безъядерные» – прокариоты (буквально – доядерные) и «ядерные» – эукариоты. В группу прокариот попали все бактерии и сине-зеленые (цианеи), а в группу эукариот – грибы, растения и животные.

В настоящее время выделяют два уровня клеточной организации: прокариотический и эукариотический. Прокариотические организмы сохраняют черты глубочайшей древности: они очень просто устроены. На этом основании их выделяют в самостоятельное царство. Эукариотические организмы содержат ограниченное оболочкой ядро, а также сложно устроенные «энергетические станции» – митохондрии. Иными словами, все клетки «ядерных» – эукариот – высоко организованы, приспособлены к потреблению кислорода и поэтому могут производить большое количество энергии.

5.1. Прокариотическая клетка

Бактерии представляют собой типичные прокариотические клетки. Они живут повсюду: в воде, в почве, в пищевых продуктах. Они обитают в самой глубокой котловине в океане и на высочайшей горной вершине Земли – Эвересте, их находят во льдах Арктики и Антарктиды, в подземных источниках горячих вод, верхних слоях атмосферы. Уже этот перечень условий обитания показывает, какой высокой степенью приспособленности обладают прокариотические организмы, несмотря на простоту своего строения. Бактерии представляют собой примитивные формы жизни, и можно предположить, что они относятся к тому типу живых существ, которые появились на самых ранних этапах развития жизни на Земле.

По-видимому, первоначально бактерии жили в морях; от них, вероятно, и произошли современные микроорганизмы. Человек познакомился с миром микробов сравнительно недавно, лишь после того, как научился изготовлять линзы (XVII в.), дающие достаточно сильное увеличение. Развитие техники в последующие века позволило подробно изучить бактерии и другие прокариотические организмы.

Остановимся на особенностях строения клетки бактерий (рис. 5.1). Размеры бактериальных клеток колеблются в широких пределах: от 1 до 10–15 мкм. По форме выделяют шаровидные клетки – кокки, вытянутые – палочки, или бациллы, и извитые – спириллы (рис. 5.2). В зависимости от того, к какому виду относятся микроорганизмы, они существуют или по отдельности, или образуют характерные скопления. Например, стрептококк, вызывающий воспалительные заболевания у человека и животных, образует цепочки из нескольких бактериальных клеток; стафилококк, поражающий дыхательные пути у детей, растет в виде образований, напоминающих кисть винограда. По характеру таких скоплений бактериальных клеток и по особенности их жизнедеятельности микробиологи могут определить, к какому виду относится выделенный микроорганизм.

Рис. 5.1. Схема строения прокариотических клеток

Рис. 5.2. Форма и взаимное расположение бактерий: 1 – палочки, 2–4 – кокки, 5 – спириллы

Основная особенность строения бактерий – отсутствие ядра, ограниченного оболочкой. Наследственная информация у них заключена в одной хромосоме. Бактериальная хромосома, состоящая из одной молекулы ДНК, имеет форму кольца и погружена в цитоплазму. ДНК у бактерий не образует комплексов с белками, и поэтому подавляющее большинство наследственных задатков – генов, входящих в состав хромосомы, «работает», т. е. с них непрерывно считывается наследственная информация. Бактериальная клетка окружена мембраной (см. рис. 5.1), отделяющей цитоплазму от клеточной стенки, образованной сложным гетерополимерным веществом. В цитоплазме мембран мало. В ней находятся рибосомы, осуществляющие синтез белков. Все ферменты, обеспечивающие процессы жизнедеятельности бактерий, диффузно рассеяны по цитоплазме или прикреплены к внутренней поверхности мембраны. У многих микроорганизмов внутри клетки откладываются запасные вещества – полисахариды, жиры, полифосфаты. Эти вещества, включаясь в обменные процессы, могут продлевать жизнь клетки в отсутствие внешних источников энергии.

Бактерии размножаются делением надвое. После редупликации кольцевой хромосомы и удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, а затем дочерние клетки расходятся или остаются связанными в характерные группы – цепочки, пакеты и т. д. Иногда размножению предшествует половой процесс, сущность которого заключается в обмене генетическим материалом и возникновении новых комбинаций генов в бактериальной хромосоме.

Рис. 5.3. Созревшая спора в бактериальной клетке

Многим бактериям свойственно спорообразование. Споры возникают, как правило, когда ощущается недостаток в питательных веществах или когда в среде в избытке накапливаются продукты обмена. Спорообразование начинается с отшнуровывания части цитоплазмы от материнской клетки. Отшнуровавшаяся часть содержит хромосому и окружена мембраной (рис. 5.3). Затем спора окружается клеточной стенкой, нередко многослойной. Процессы жизнедеятельности внутри спор практически прекращаются. Споры бактерий в сухом состоянии очень устойчивы и могут сохранять жизнеспособность многие сотни и даже тысячи лет, выдерживая резкие колебания температуры. Примером этого могут служить споры, обнаруженные в древних захоронениях (мумии древних египтян, запасы пищевых продуктов в различных пещерах), при стерильном бурении льдов, окружающих Южный полюс. Попадая в благоприятные условия, споры преобразуются в активную бактериальную клетку. Ученые-микробиологи вырастили колонии микроорганизмов из спор, оказавшихся в образце льда, возраст которого 10–12 тыс. лет.

Споры болезнетворных бактерий, в покоящемся состоянии пролежавшие многие годы в земле, попадая в воду (при различного рода ирригационных мероприятиях), могут служить причиной возникновения вспышек инфекционных заболеваний. Так, например, палочки сибирской язвы сохраняют жизнеспособность, оставаясь в виде спор более 30 лет.

Таким образом, спорообразование у прокариот является этапом жизненного цикла, обеспечивающим переживание неблагоприятных условий окружающей среды. Кроме этого в состоянии спор может происходить распространение микроорганизмов при помощи ветра и другими способами.

Recently two levels of cell organization are distinguished: procaryotic and eucaryotic ones. In procaryotic organisms many ancient features have remained, including the simplicity of their structure. Thus, they have no nuclei separated from protoplasm by a membrane, no special ability to reproduce organelles, and no skeleton like formations in cytoplasm. Because of these features, they are excluded to a separate Kingdom of procaryotic microorganisms. Eubacteriums and cianobacteriums are considered the most important representatives of this Kingdom, and archaeobacteriums have remained the most similar to ancient ancestors.

Опорные точки

1. У прокариот генетический материал клетки представлен одной кольцевой молекулой ДНК.

2. Все бактерии, сине-зеленые и микоплазмы гаплоидны, т. е. содержат одну копию генов.

3. В клетках прокариотических организмов практически нет внутренних мембран, поэтому большинство ферментов диффузно распространено по цитоплазме.

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое органоиды клетки?

2. На чем основано деление всех живых организмов на две группы – прокариот и эукариот?

3. Какие организмы относятся к прокариотам?

4. Опишите строение бактериальной клетки.

5. Как размножаются бактерии?

6. В чем сущность процесса спорообразования у бактерий?

Используя словарный запас рубрик «Терминология» и «Summary», переведите на английский язык пункты «Опорных точек».

Терминология

Каждому термину, указанному в левой колонке, подберите соответствующее ему определение, приведенное в правой колонке на русском и английском языках.

Select the correct definition for every term in the left column from English and Russian variants listed in the right column.

Вопросы для обсуждения

В чем заключается значение прокариот в биоценозах? Какова их экологическая роль?

Каким образом болезнетворные микроорганизмы влияют на состояние макроорганизма (хозяина)?

Биосинтез (биологический синтез) – это образование сложных веществ из более простых в живом организме.


Последним биосинтез отличается от химического синтеза, который идёт вне клеток – в лабораториях, на химических предприятиях, иногда – в водоёмах, почве и горных породах.

Кроме того, в биосинтезе всегда задействованы особые вещества – ферменты. Они делают возможными и/или ускоряют химические реакции. Ферментов известно около 5000, и вне живых организмов они в природе не существуют.

Природа имела в своём распоряжении миллиарды лет и испытала миллиарды способов синтеза. За это время она отобрала самые подходящие вещества, создала миниатюрные структуры для их переработки. Живая клетка превратилась в химический завод, на котором могут идти сложнейшие превращения. «Завод» работает автоматически, быстро, с минимальными потерями и максимальным выходом продукции. Отработана поставка в клетку «сырья», бесперебойное снабжение энергией, всегда наготове записанная в генах информация о том, что и как нужно делать.

Возьмём, к примеру, зелёный листок на дереве. На свету из углекислого газа и воды он безостановочно образует глюкозу. Растение ею питается, получает энергию. В руках человека мощная наука и могучая техника. Углекислого газа и воды – сколько угодно. С тоже, вроде, проблем нет. Но люди, пользуясь только этим, не в состоянии синтезировать ни крупинки глюкозы. Мы получает её совсем по-другому, причём из крахмала, который синтезировали те же растения.

Почему человек не может скопировать реакции биосинтеза?

Во-первых, потому что у нас нет такого «оборудования», каким располагает клетка.

Во-вторых, большинство ферментов – белки, чтобы их получить, человек должен выяснить строение каждого, потом найти способ их получить. Всё это возможно, но непросто. В итоге продукт химического синтеза (например, искусственный гормон) оказывается довольно дорогим.


Упростить дело можно, если хотя бы часть работы переложить на живые клетки. К примеру, аскорбиновую кислоту (витамин С) получают на заводах в итоге шести химических реакций. Одну из них обеспечивают… активные бактерии. Подобные схемы широко использует биотехнология.

Мы сравнивали клетку с заводом. Но в промышленности перенос предприятий – обычная практика. Нечто похожее делает генетическая инженерия. Так, человеческий ген белка инсулина удалось «устроить на работу» в клетку бактерии кишечной палочки. В итоге на новом месте синтезируется инсулин – неведомый и совершенно ненужный кишечной палочке, но остро необходимый больным диабетом.

Как человек использует продукты биосинтеза?

Он, не задумываясь, использует их каждую секунду своей жизни. Когда вы читаете эти строки, в ваших глазах идёт биосинтез зрительных пигментов, в печени синтезируется из глюкозы запасное вещество гликоген, костный мозг строит молекулы гемоглобина и т.п.

Кроме того, человек, вовсю потребляет готовые продукты «чужого» биосинтеза. Что такое наша еда – хлеб, мясо, масло, крупы, молоко и т.д.? Всё это смеси белков, жиров, углеводов, витаминов. То есть, продуктов биосинтеза, который прошёл в клетках растений и животных.

Биосинтез снабжает нас и промышленным сырьём. Из плесневых грибов и бактерий добываем антибиотики и витамины. Мы одеты и обуты в разные виды белкá – шерсть, мех и кожу млекопитающих, а также в хлопковую клетчатку. Натуральный шёлк отбираем у бабочек тутового шелкопряда. Целлюлозу, которую деревья синтезировали десятилетиями, превращаем в бумагу, глюкозу, вискозу, пластмассу, стройматериалы, мебель.


Можно только радоваться, что природа создала биосинтез – без него мы были бы всего этого лишены. Правда, без биосинтеза не было бы и нас самих.

Биологический синтез белка является очень сложным многоступенчатым процессом. В настоящее время доказано, что биосинтез белка происходит не в ядре, а в цитоплазме. Непосредственного участия в синтезе белка ДНК не принимает. Роль посредника, функцией которого является перевод наследственной информации о химическом составе и структуре белков, хранящийся в ДНК, в полипептидную цепь определенного белка выполняют рибонуклеиновые кислоты (и-РНК, т-РНК). Большое значение в биосинтезе белка имеет информационная РНК. Она выполняет роль матрицы. Количество образующихся на ДНК молекул и-РНК определяется числом генов, контролирующих у определенного организма синтез специфических белков. Каждый белок требует для синтеза свой и-РНК, одна молекула которой «списывает» последовательность нуклеотидов с участка ДНК, равному одному гену, а затем, и-РНК переносит эту информацию на последовательность расположения аминокислот в полипептидной цепи белка. Информационная РНК из ядра проникает в цитоплазму и действует на рибосомах по отношению к белкам, как матрица.

Биосинтез белка начинается с процесса под названием транскрипция (от английского transcription - переписывание, копия). На участке определенного гена молекулы ДНК синтезируется м-РНК. Синтез м-РНК осуществляется с помощью многих ферментов, но главная роль принадлежит РНК-полимеразе, которая прикрепляется к начальной точке молекулы ДНК инициации транскрипции под названием промотор, расплетает двойную спираль и синтезирует м-РНК. Промотор расположен перед геном и у эукариотов включает около 80, а у вирусов и бактерий около 10 нуклеотидов.

РНК-полимераза движется вдоль гена и ведет синтез и-РНК. Синтезированная молекула м-РНК отделяется от ДНК, а участки гена на которых образовалась эта кислота, вновь соединяются. Окончание синтеза м-РНК определяет участок, который получил название - терминатор. Нуклеотиды промотора и терминатора узнают специфические белки, которые регулируют активность РНК-полимеразы.

В настоящее время доказано, что сначала синтезируется предшественни м-РНК так называемая про-м-РНК. Эта кислота имеет большие размеры, чем м-РНК и содержит фрагменты не кодирующие синтез пептидной цепи определенного белка. Связано это с тем, что в ДНК наряду с участками кодирующими р-РНК, т-РНК и полипептиды имеются фрагменты не несущие генетической информации. Эти фрагменты получили название интронов, а кодирующие фрагменты названы экзонами. После образования про-и-РНК, происходит процесс созревания м-РНК, который получил название процессинга. В процессе созревания м-РНК интроны удаляются специальными ферментами, а информативные участки (экзоны) соединяются между собой в строгом порядке с помощью ферментов лигаз. Этот процесс называется сплайсингом (от английского splice - сращивать). Биологическое значение и роль интронов остаются не ясными. Однако, установлено, что при считывании в ДНК только экзонов, зрелая м-РНК не образуется.

Следующим этапом биосинтеза является трансляция, которая происходит в цитоплазме на рибосомах. Суть ее в том, что последовательность расположения нуклеопептидов в м-РНК переводится в строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка. Этот процесс протекает при активном участии т-РНК и состоит из активирования аминокислот и непосредственного синтеза белковой молекулы. Свободные аминокислоты активируются и присоединяются к т-РНК при помощи фермента аминоацил-т-РНК-синтеталы. Активированные аминокислоты т-РНК доставляются на рибосомы. Эти органоиды цитоплазмы состоят из двух субчастиц, одна из которых имеет константу седиментации 30 S, вторая 50 S. Молекула м-РНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к малой субчастице рибосомы. Сигналом к трансляции служит стартовый кодон АУГ. Когда т-РНК доставляет к рибосоме активированную аминокислоту, ее антикодон соединяется с комплементарным кодоном м-РНК. Акцепторный конец т-РНК с соответствующей аминокислотой присоединяется к поверхности большой субъединицы рибосомы. Затем следующая т-РНК доставляет следующую аминокислоту и т. д. Молекула м-РНК работает на нескольких рибосомах, соединенных в полисомы. Начало синтеза полипептидной цепи называется элонгацией. Окончание синтеза полипептидной цепи называется терминацией. Терминация наступает когда на м-РНК появляется один из кодонов-терминаторов УАА, УАТ или УГА.

Смотрите также

Биогеохимия: история и современность
Введение Биогеохимия - наука, изучающая жизнедеятельность организмов в качестве ведущего фактора миграции и распределения масс химических элементов на Земле. Предметом изучения биогео...

Что такое жизнь с точки зрения физики
ВВЕДЕНИЕ К современному естествознанию относятся теоретические концепции, сформировавшиеся на протяжении ХХ века в рамках различных научных дисциплин. Важнейшей, естественной наукой...

Влияние биоритмов на организм человека
Введение биоритм медицинский работоспособность спортсмен О существовании биологических ритмов людям известно с древних времен. Уже в «Ветхом Завете» даны указания о правильном образе ж...