Caracteristicile principalelor metode de obținere a antibioticelor. Ce este biosinteza în biologie? Care este semnificația sintezei biologice?

Metabolismul și conversia energiei sunt baza vieții celulare. Metabolismul energetic în celulă și esența acesteia. Importanța ATP în metabolismul energetic.

Schimb plastic. Fotosinteză. Modalități de creștere a productivității plantelor agricole. Biosinteza proteinelor. Gena și rolul ei în biosinteză. codul ADN. Reacția de sinteză a matricei. Relația dintre procesele de metabolism plastic și energetic.

Întrebări de autotest:

Ce este sinteza biologica?

Dați exemple.

Definiți asimilarea.

Care este codul genetic? Formulați principalele proprietăți ale codului genetic?

Unde sunt sintetizați acizii ribonucleici?

Unde are loc sinteza proteinelor? Spuneți-ne cum se realizează sinteza lui 6elka.

Ce este disimilarea? Descrieți etapele de disimilare.

Care este rolul ATP-ului în metabolismul celular?

Explicați metabolismul energetic într-o celulă folosind ca exemplu descompunerea glucozei.

Ce tipuri de nutriție ale organismelor cunoașteți? Ce organisme sunt numite autotrofe? În ce grupe se împart organismele autotrofe?

Descrieți fazele luminoase și întunecate ale fotosintezei.

De ce plantele verzi eliberează oxigen liber în atmosferă ca rezultat al fotosintezei?

Ce este chimiosinteza?

Dați exemple de organisme fotosintetice.

Ce organisme se numesc heterotrofe?

Dați exemple.

Secțiunea 4. Reproducerea organismelor vii

Capacitatea de a se reproduce, sau de auto-reproducere, este una dintre cele mai importante caracteristici ale naturii organice. Reproducerea este o proprietate inerentă tuturor organismelor vii fără excepție - de la bacterii la mamifere. Existența oricăror specii de animale și plante, bacterii și ciuperci, continuitatea între indivizii părinți și descendenții acestora se menține doar prin reproducere.

Reproducerea sexuală se referă la schimbarea generațiilor și dezvoltarea organismelor pe baza celulelor germinale specializate formate în gonade. În evoluția reproducerii, cea mai progresivă metodă s-a dovedit a fi prin care un nou organism se dezvoltă ca urmare a fuziunii a două celule germinale formate din părinți diferiți. Cu toate acestea, la animalele nevertebrate, sperma și ouăle sunt adesea formate în corpul unui singur organism. Acest fenomen - bisexualitatea - se numește hermafroditism. Plantele cu flori sunt, de asemenea, bisexuale. Există cazuri când un nou organism nu apare neapărat ca urmare a fuziunii celulelor germinale. La unele specii de animale și plante, se observă dezvoltarea dintr-un ou nefertilizat. Acest tip de reproducere se numește virgină sau partenogenetică.

Reproducerea asexuată se caracterizează prin faptul că un nou individ se dezvoltă din asexuat ( celule somatice).

Întrebări de autotest:

Ce metode de reproducere cunoașteți?

Ce este reproducerea sexuală?

În ce organisme are loc reproducerea asexuată? Ce forme de reproducere asexuată cunoașteți? Dați exemple. De ce când reproducere asexuată

Sunt descendenții genetic asemănători între ei și cu părintele?

Cum diferă reproducerea sexuală de reproducerea asexuată? Indicați diferențele dintre meioză și mitoză.

Care este semnificația biologică a meiozei? De ce celulele germinale mature ale aceluiași organism poartă diferite combinații de gene?

Care sunt avantajele evolutive ale reproducerii sexuale față de reproducerea asexuată? Antibioticele sunt deșeuri speciale ale microorganismelor și modificărilor acestora care au activitate fiziologică ridicată împotriva anumitor grupe de microorganisme (viruși, bacterii, ciuperci, alge) sau tumori maligne. Ideile tradiționale despre antibiotice sunt asociate cu utilizarea lor pe scară largă în medicina modernă și medicina veterinară. Unele medicamente antibiotice sunt folosite ca stimulente de creștere a animalelor, în lupta împotriva bolilor plantelor și în conserve. produse alimentare și în cercetarea științifică (în domeniul biochimiei, biologie moleculară

, genetică, oncologie). În conformitate cu clasificarea, care se bazează pe structura chimică, antibioticele pot fi împărțite în următoarele grupuri: 1. Compuși aciclici (cu excepția acizi grași

și terpene)

2. Compuși aliciclici (inclusiv tetracicline)

3. Compuși aromatici

5. Heterocicluri care conțin oxigen

În prezent, există trei metode de obținere a antibioticelor: biologică, metoda de obținere a medicamentelor semisintetice și de sinteză. compuși chimici- analogi ai antibioticelor naturale.

Antibiotice sintetice

Studiul structurii chimice a antibioticelor a făcut posibilă obținerea lor prin sinteză chimică. Unul dintre primele antibiotice obținute prin această metodă a fost cloramfenicolul. Progresele mari în dezvoltare și chimie au condus la crearea de antibiotice cu modificări țintite ale proprietăților, acțiune de lungă durată și active împotriva stafilococilor rezistenți la penicilină. Medicamentele cu acțiune prelungită includ ecmonovocilină, bicilină 1,3,5.

Antibiotice semisintetice

Ele sunt preparate folosind o metodă combinată: nucleul principal al moleculei de antibiotic nativ este obținut prin metoda sintezei biologice, iar medicamentele semisintetice sunt obținute prin metoda sintezei chimice prin modificarea parțială a structurii chimice. O mare realizare este dezvoltarea unei metode de producere a penicilinelor semisintetice. Miezul moleculei de penicilină, acidul 6-aminopenicilanic (6-APA), care avea o activitate antimicrobiană slabă, a fost extras prin metoda de sinteză biologică. Prin adăugarea unei grupări benzii la molecula 6-APA, a fost creată benzilpenicilina, care este acum obținută și prin sinteză biologică.

Folosită pe scară largă în medicină sub denumirea de penicilină, benzilpeicilina are o activitate chimioterapeutică puternică, dar este activă numai împotriva microbilor gram-pozitivi și nu afectează microorganismele rezistente, în special stafilococii, care formează enzima β-lactamaza. Benzilpenicilina își pierde rapid activitatea în medii acide și alcaline, deci nu poate fi utilizată pe cale orală, deoarece este distrusă în tractul gastrointestinal. Medicamentele semisintetice sunt preparate și pe baza acidului 7-aminocefalosporic (7-ASA). Derivați 7-ACC: cefalotina, cefaloridina (ceporia) nu provoacă reacții alergice la persoanele sensibile la penicilină. S-au obţinut şi alte antibiotice semisintetice, de exemplu, rifampicip, un medicament eficient împotriva tuberculozei.

Sinteză biologică

Complet structura chimica O treime dintre antibioticele cunoscute au fost identificate și doar jumătate dintre ele pot fi obținute prin sinteză chimică. Prin urmare, sinteza microbiologică pentru producția de agenți antibiotici este foarte relevantă. Sinteza antibioticelor de către microorganisme este una dintre formele de antagonism; este asociată cu o anumită natură a metabolismului, care a apărut și s-a fixat în cursul evoluției sale, adică este o trăsătură ereditară exprimată în formarea uneia sau mai multor substanțe specifice, strict specifice fiecărui tip de substanțe antibiotice.

Producția industrială de antibiotice se realizează de obicei prin biosinteză și include următoarele etape:

· selecție de tulpini producătoare de înaltă performanță (până la 45 mii unități/ml)

· alegerea mediului nutritiv;

· proces de biosinteză;

· izolarea antibioticului din fluidul de cultură;

· purificare cu antibiotice.

Selectarea tulpinilor producătoare de înaltă performanță. Tulpinile naturale sunt în mare parte inactive și nu pot fi utilizate în scopuri industriale. Prin urmare, după selectarea celei mai active tulpini naturale, diverși mutageni sunt utilizați pentru a crește productivitatea acesteia, provocând modificări ereditare persistente. Mutagenii eficienți sunt mutagenii de natură fizică - radiații ultraviolete și cu raze X, neutroni rapizi sau substanțe chimice. Utilizarea mutagenilor permite nu numai creșterea productivității unei tulpini naturale, ci și obținerea unor tulpini cu noi proprietăți necunoscute pentru un microorganism natural.

Alegerea unei compoziții raționale a mediilor nutritive este de mare importanță pentru biosinteza antibioticelor. Conceptul de „mediu de cultură” include nu numai o anumită compoziție calitativă și cantitativă a componentelor sau elementelor individuale necesare metabolismului constructiv și energetic al organismului (surse de azot, carbon, fosfor, surse ale unui număr de microelemente, vitamine și creștere). substanțe), dar și factori fizico-chimici și fizici (aciditate activă, potențial redox, temperatură, aerare etc.). Toți acești factori sunt interconectați și joacă un rol semnificativ în dezvoltarea microorganismelor.

Atunci când selectați medii cu compoziția necesară, trebuie să țineți cont de specificul organismului cultivat. Acest lucru este necesar pentru a crea condiții optime care să promoveze cea mai bună creștere a microbilor și biosinteza deșeurilor necesare. De exemplu, dacă organismul nu poate sintetiza unii compuși esențiali pentru funcțiile sale vitale (cum ar fi aminoacizii sau vitaminele) din substanțe simple substrat, apoi pentru dezvoltarea sa trebuie adăugate în compoziție aminoacizi sau vitamine gata preparate. Astfel de organisme „pretențioase” includ unele tipuri de bacterii (bacteriile cu acid lactic etc.). Actinomicetele și predominant mucegaiurile, de regulă, construiesc substanțele corpului lor și produsele finale ale metabolismului, care sunt destul de complexe ca compoziție, din compuși formați din componente simple ale substratului.

Metode de cultivare a producătorilor de antibiotice

În condițiile moderne, metoda de cultivare în adâncime este recunoscută ca fiind cea mai promițătoare metodă de creștere a microorganismelor care produc antibiotice sau alți compuși biologic activi. Metoda constă în faptul că microorganismul se dezvoltă în grosimea unui mediu nutritiv lichid, prin care se trece continuu aer steril, iar mediul este amestecat.

Pot fi indicate patru modificări principale ale metodei profunde de creștere a microorganismelor.

1. Cultivarea în loturi. Cu această metodă, întregul proces de dezvoltare a microorganismelor este complet finalizat într-un singur fermentator, după care fermentatorul este eliberat de lichidul de cultură, spălat temeinic, sterilizat și reumplut cu mediu nutritiv proaspăt. Mediul se inoculează cu microorganismul studiat, iar procesul se reia.2. Metoda de înțărcare. Cultivarea microorganismelor se realizează în fermentatoare cu prelevare periodică a unei părți din volumul de lichid de cultură (de la 30 la 60% din volumul total). Volumul lichidului de cultură din fermentator este adus la nivelul inițial cu mediu nutritiv proaspăt.

3. Metoda bateriei. Dezvoltarea microorganismelor are loc într-o serie de fermentatoare conectate secvenţial. La o anumită etapă de dezvoltare a microorganismului, lichidul de cultură este pompat din primul fermentator în al doilea, apoi din al doilea în al treilea etc. Fermentatorul golit este imediat umplut cu mediu nutritiv proaspăt inoculat cu microorganismul. Cu această metodă de creștere a microorganismelor, recipientele sunt folosite mai rațional.

4. Cultivare continuă. Metoda este fundamental diferită de modificările indicate de cultivare profundă a producătorilor de antibiotice. Această metodă se bazează pe faptul că dezvoltarea unui microorganism are loc în condițiile unui flux continuu al unui mediu nutritiv, ceea ce permite menținerea dezvoltării microorganismului într-un anumit stadiu al creșterii sale. Stadiul de dezvoltare al unui microorganism se determină pe baza celui mai avantajos pentru biosinteza maximă a unui antibiotic sau alt compus biologic activ.

O altă metodă de cultivare a microorganismelor este cultivarea la suprafață. Metoda de cultivare la suprafață pe diferite medii de agar este utilizată pe scară largă în practica de laborator și în unele procese industriale, în special pentru conservarea culturilor de colectare, pentru studiul proprietăților fiziologice și biochimice ale microorganismelor și în scopuri analitice. La scară industrială, această metodă și-a găsit aplicație în obținerea de material spori pentru producție. acizi organici cu ajutorul ciupercilor de mucegai din genul Aspergillus.

În metoda suprafeței, cultura microorganismului producator este crescută pe suprafața unui strat subțire de mediu lichid sau solid. Mediile nutritive lichide sunt utilizate în principal în producerea acizilor organici (citric, itaconic), a celor solizi - în producerea de complexe pe bază de amidon și materii prime care conțin celuloză.

Metodele de izolare a antibioticelor din fluidul de cultură sunt foarte diverse și sunt determinate de natura chimică a antibioticului. Următoarele metode sunt utilizate în principal:

1. Semănarea unei suspensii de sol în apă pe suprafața unei plăci de agar. O anumită probă de sol, măcinată temeinic într-un mortar cu un volum mic de apă, este transferată cantitativ într-un balon cu apă sterilă. Conținutul balonului se agită timp de 5 minute, apoi se fac o serie de diluții succesive din suspensia apoasă, care se seamănă pe mediul adecvat recomandat. Pentru a obține culturi pure în viitor, coloniile individuale, după incubarea într-un termostat la temperatura dorită, sunt subcultivate în tuburi cu agar nutritiv înclinat. Fiecare cultură pură a unui microorganism este subcultivată pe medii de compoziție diferită și, după o dezvoltare suficient de bună, se verifică proprietățile sale antibiotice.

2. Semănatul solului pe agar nutritiv, însămânțat în prealabil cu un organism de testare. Suprafața agarului nutritiv este însămânțată cu o cultură de testare a organismului necesar, după care pe placa de agar sunt așezate bulgări de pământ mici, nu mai mari decât boabele de mei sau solul este aplicat sub formă de praf, distribuind acesta pe toată suprafața plăcii. Apoi, cupele sunt plasate într-un termostat și după o anumită perioadă de timp (24-48 de ore și uneori mai mult) sunt examinate bucăți de pământ sau secțiuni individuale ale acestuia, în jurul cărora s-au format zone de creștere inhibată a organismului de testat. Culturile pure de organisme sunt izolate din aceste zone și supuse unor studii suplimentare.

3. Metoda de îmbogățire a solului. Solul din care ar trebui să fie izolați antagoniștii este îmbogățit cu organisme din acele specii pentru care doresc să obțină un antagonist. În acest scop, la probele de sol plasate în vase de sticlă se adaugă sistematic o suspensie spălată a microorganismelor dorite. Apoi, la anumite intervale, un astfel de sol este semănat sub formă de bulgări separate pe plăci de agar în vase Petri, inoculate în prealabil cu același organism care a fost folosit pentru îmbogățirea solului.

4. Metoda de centrifugare a suspensiei de sol. Pentru izolarea actinomicetelor din sol și mai ales din sol primăvara, când în el se dezvoltă un număr mare de ciuperci și bacterii, se folosește metoda de centrifugare a suspensiei de sol. Metoda se bazează pe diferența în viteza de decantare a unor tipuri individuale de microorganisme într-un câmp centrifugal. La 3000 rpm timp de 20 de minute, particulele corespunzătoare ca mărime sporilor de mucegai sau celulelor bacteriene se depun pe fundul eprubetei. Particulele corespunzătoare ca mărime sporilor de actinomicet apar la o viteză dată de centrifugare în stratul de suprafață al lichidului. Prin însămânțarea lichidului supernatant, în majoritatea cazurilor (până la 92%) este posibil să se obțină numai colonii de actinomicete pe plăci de agar nutritiv.

5. Metoda de înghețare a solului - dezghețare. Se știe că microorganismele din sol sunt într-o stare adsorbită pe particulele de sol. Pentru a finaliza desorbția microorganismelor din particulele de sol, se folosesc diverse metode: chimice, în care probele de sol sunt tratate cu diverși detergenți, fizice, care se bazează pe metoda de măcinare mecanică a probelor de sol.

Pentru o mai bună desorbție a microorganismelor din particulele de sol, se recomandă utilizarea metodei de înghețare-dezghețare a solului. Esența metodei este următoarea. Proba de sol selectată pentru izolarea actinomicetelor este plasată în evaporatorul unui frigider de uz casnic la o temperatură de 8°. După o oră, proba se scoate din frigider și se păstrează la temperatura camerei până la dezghețarea completă. Procedura de îngheț-dezgheț se repetă de două ori. Apoi proba de sol este plasată într-un recipient steril apa de la robinet, se agită suspensia timp de 15 minute pe un agitator circular la 230 rpm, după care se seamănă diferite diluții ale suspensiei pe o placă de agar nutritiv în vase Petri.

Metoda de înghețare și decongelare a probelor de sol face posibilă detectarea de 1,2-3,6 ori mai multe actinomicete în ele decât în ​​aceleași probe fără înghețare. Acest lucru se datorează aparent desorbției crescute a actinomicetelor de la suprafața particulelor de sol. Antibioticul se purifica prin metode cromatografice (cromatografie pe oxid de aluminiu, celuloza, schimbatoare de ioni) sau extractie in contracurent. Antibioticele purificate sunt liofilizate. După ce antibioticul este izolat, puritatea acestuia este testată. Pentru a face acest lucru, determinați compoziția sa elementară, constantele fizico-chimice (punctul de topire, greutatea moleculară, adsorbția în regiunile vizibile, UV și IR ale spectrului, rotație specifică). De asemenea, sunt studiate activitatea antibacteriană, sterilitatea și toxicitatea antibioticului.

Toxicitatea antibioticelor este determinată la animalele de experiment, care sunt administrate intravenos, intraperitoneal, intramuscular sau altfel pe o anumită perioadă de timp cu diferite doze de antibiotic studiate. Dacă nu apar modificări externe în comportamentul animalelor în decurs de 12-15 zile, se consideră că antibioticul testat nu are proprietăți toxice vizibile. Un studiu mai aprofundat va determina dacă un anumit antibiotic are toxicitate ascunsă și dacă afectează țesuturile și organele individuale ale animalelor. În același timp, se studiază natura acțiunii biologice a antibioticului - bacteriostatic sau bactericid, ceea ce face posibilă prezicerea mecanismelor proprietăților sale antibacteriene.

Următoarea etapă a studiului unui antibiotic este evaluarea proprietăților sale terapeutice. Animalele experimentale sunt infectate cu un anumit tip de microb patogen. Cantitatea minimă de antibiotic care protejează un animal de o doză letală de infecție este doza terapeutică minimă. Cu cât raportul dintre doza toxică de antibiotic și doza terapeutică este mai mare, cu atât indicele terapeutic este mai mare. Dacă doza terapeutică este egală sau apropiată de doza toxică (indice terapeutic scăzut), atunci probabilitatea utilizării antibioticului în practica medicală este limitată sau complet imposibilă. Atunci când un antibiotic intră în practica medicală larg răspândită, sunt dezvoltate metode industriale pentru producerea lui și structura sa chimică este studiată în detaliu.

Standardizarea antibioticelor

O unitate de activitate antibiotică este cantitatea minimă de antibiotic capabilă să suprime dezvoltarea sau să întârzie creșterea unei tulpini standard de microbi de testare într-un anumit volum de mediu nutritiv. Mărimea activității biologice a antibioticelor este de obicei exprimată în unități de doză standard (ED) conținute în 1 ml de soluție (ED/ml) sau în 1 mg de medicament (ED/mg). De exemplu, o unitate de activitate antibiotică a penicilinei este considerată a fi cantitatea minimă de medicament capabilă să inhibe creșterea tulpinii standard de Staphylococcus aureus 209 în 50 ml de bulion nutritiv. Pentru streptomicina, o unitate de activitate este considerată a fi cantitatea minimă de antibiotic care inhibă creșterea E. coli în 1 ml de bulion nutritiv.

După ce multe antibiotice au fost obținute în formă pură, pentru unele dintre ele au început să exprime activitatea biologică în unități de masă. De exemplu, s-a descoperit că 1 mg de bază de streptomicină pură este echivalent cu 1000 de unități. Prin urmare, 1 unitate de activitate a streptomicinei este echivalentă cu 1 μg din baza pură a acestui antibiotic. Prin urmare, în majoritatea cazurilor, cantitatea de streptomicină este acum exprimată în μg/mg sau μg/ml. Cu cât numărul de mcg/mg din preparatele cu streptomicină este mai aproape de 1000, cu atât medicamentul este mai pur. Este clar că unitatea de activitate biologică a unui antibiotic nu coincide întotdeauna cu 1 mcg. De exemplu, pentru benzilpenicilină, 1 unitate este echivalentă cu aproximativ 0,6 mcg, deoarece 1 mg de antibiotic conține 1667 de unități.

Metode de analiză a antibioticelor

Spre deosebire de alți compuși naturali (alcaloizi, glicozide), nu există reacții generale de grup pentru antibiotice. Astfel de reacții pot fi utilizate numai pentru antibiotice dintr-o clasă chimică, de exemplu, pentru tetracicline sau nitrofenilalchilamine (cloramfenicol). Pentru identificarea antibioticelor, pot fi utilizate diverse reacții colorate la grupele funcționale corespunzătoare; caracteristicile spectrale în regiunile vizibil, UV și IR ale spectrului; metode cromatografice. Pentru determinarea cantitativă a antibioticelor se folosesc metode biologice, chimice și fizico-chimice.

Metodele biologice se bazează pe efectul biologic direct al antibioticului asupra organismului de testat utilizat, care este sensibil la acest antibiotic. Metoda de difuzie utilizată se bazează pe capacitatea moleculelor de antibiotic de a difuza în mediul de agar. Se estimează dimensiunea zonei în care nu se dezvoltă organismele de testat utilizate. Această dimensiune depinde de natura chimică a antibioticului, de concentrația acestuia, de pH-ul și de compoziția mediului și de temperatura experimentului.

Un alt tip de testare biologică se bazează pe turbidimetrie – o metodă de analiză cantitativă bazată pe intensitatea luminii absorbită de particulele în suspensie – celulele microbiene. Atunci când se adaugă anumite cantități de antibiotice, există o întârziere în creșterea celulelor microorganismelor (efect bacteriostatic) și apoi moartea lor (efect bactericid). În acest caz, intensitatea luminii absorbite se modifică (descrește). Ca alternativă la turbidimetrie se poate folosi metoda nefelometrică de analiză cantitativă a intensității luminii împrăștiate de microorganisme.

Pentru determinarea cantitativă a antibioticelor se folosesc diverse metode spectrale - în primul rând metode fotocolorimetrice și spectrofotometrice. De exemplu, pentru a determina concentrația unei soluții de eritromicină, se poate folosi o metodă fotocolorimetrică, bazată pe modificarea absorbției soluției de antibiotic după interacțiunea acesteia cu acidul sulfuric. Antibioticele din seria tetraciclinei pot fi determinate spectrofotometric prin banda de absorbție care dispare după hidroliza alcalină a substanței active. A fost dezvoltată o metodă care combină abordări fizico-chimice și biologice pentru evaluarea activității medicamentului. Metoda se bazează pe difracția laser într-un mediu care conține celule microbiene atunci când este expus chimicale, în special antibiotice

Conservarea tulpinilor producătoare de antibiotice în stare activă

Metodele de menținere a viabilității organismelor care permit menținerea activității lor antibiotice la un nivel constant sunt importante pentru producția industrială de antibiotice, precum și pentru studiile de laborator ale producătorilor de substanțe antibiotice. Se știe că microorganismele, și în special actinomicetele, sunt ușor modificate prin metode convenționale de depozitare. Mai mult decât atât, destul de des există o pierdere completă sau parțială a proprietăților antibiotice. Pierderea proprietăților antibiotice depinde aparent de faptul că nu suntem capabili, în condiții normale de cultivare, să creăm condiții care să faciliteze conservarea de către organism a caracteristicilor sale fiziologice de bază. Pierderea activității se observă adesea atunci când microorganismele sunt cultivate pe medii bogate în compoziție și cu reînsămânțări frecvente.

În același timp, modificările proprietăților fiziologice sau biochimice ale producătorilor de substanțe antibiotice pot fi determinate de modelele lor genetice. Se știe, de exemplu, că producătorul gramicidinei C în timpul dezvoltării se disociază într-un număr de variante, dintre care unele nu formează acest antibiotic. Mai mult, procesul de disociere a culturii merge în direcția formării unui număr mare de variante biologic inactive, ceea ce duce în cele din urmă la pierderea completă a capacității culturii de a forma gramicidină. În prezent, se folosesc o serie de metode pentru conservarea culturilor producătorilor de antibiotice, asigurându-le șederea pe termen lung în stare activă. Aceste metode se bazează pe principiul întârzierii dezvoltării microorganismelor, principiul conservării. Pentru fiecare tip de producator de substante antibiotice trebuie selectata cea mai potrivita metoda de conservare, care sa permita mentinerea culturilor in stare activa pentru un timp relativ indelungat.

Cele mai comune metode de conservare a culturilor de microorganisme care produc antibiotice în stare activă sunt următoarele.

1. Liofilizarea culturilor.

2. Depozitarea celulelor vegetative sau a sporilor de organisme în sol steril, nisip steril sau pe semințele anumitor plante (de exemplu, mei). Potrivit unui număr de autori, culturile de actinomicete din sol steril rămân viabile timp de 30 de ani sau mai mult.

3. Depozitarea sporilor sub formă de suspensii apoase în fiole sigilate.

4. Depozitarea sporilor în nisip cuarțos steril.

5. Depozitarea culturilor pe un tampon de agar sub ulei mineral.

6. Depozitarea culturilor la temperaturi scăzute (+4, +5°C).

7. Recent, pentru a păstra diferite microorganisme în stare activă, se folosește azot lichid, în care se adaugă o suspensie celulară spălată din mediu. Uneori, culturile de actinomicete sunt conservate în faza gazoasă a azotului lichid pe blocuri de agar tăiate dintr-o placă de agar în vase Petri.

Cea mai bună formă de conservare a organismelor, în care nu există pierdere a activității antibiotice, este liofilizarea lor - metoda este potrivită atât pentru culturile de microorganisme care formează spori, cât și pentru cele care nu formează spori. Esența acestei metode este că o suspensie de celule sau spori ai unui microorganism, preparată într-un mediu bogat în proteine ​​(serul de sânge este adesea folosit în aceste scopuri), este rapid congelată la o temperatură de -40 până la -60 ° C și uscat sub vid la umiditate reziduală (0,5-0,7%). După un astfel de tratament, fiolele cu spori sau celule ale microbului lioflizat sunt sigilate. Formele de bacterii liofilizate pot fi păstrate timp de 16-18 ani, sporii fungici nu își pierd proprietățile de bază atunci când sunt depozitați în formă liofilizată timp de 10 ani.



Pagina curentă: 7 (cartea are 18 pagini în total) [pasaj de lectură disponibil: 12 pagini]

4.1. Anabolism

Ansamblul reacțiilor de sinteză biologică se numește schimb plastic sau anabolism(din greaca anabole - ridicare). Denumirea acestui tip de schimb reflectă esența acestuia: din substanțe simple care intră în celulă din exterior se formează substanțe asemănătoare cu substanțele celulei, adică. asimilare.

Toate procesele metabolice din celulă și din întregul organism au loc sub controlul aparatului ereditar. Putem spune că toate sunt rezultatul implementării informatii genetice, disponibil în celulă.

Să luăm în considerare unul dintre cele mai importante procese în manifestarea informațiilor ereditare în timpul metabolismului plastic - biosinteza proteinelor.

Implementarea informațiilor ereditare – biosinteza proteinelor

După cum sa menționat deja, întreaga varietate de proprietăți ale moleculelor de proteine ​​este determinată în cele din urmă de structura primară, adică de secvența de aminoacizi.

Pentru ca o proteină să fie sintetizată, informațiile despre secvența de aminoacizi din structura sa primară trebuie să fie livrate ribozomilor. Acest proces presupune două etape transcriereŞi difuzat.

Orez. 4.1. Transcriere

Transcriere(din latinescul transcriptio - rescriere) informația apare prin sintetizarea pe unul dintre lanțurile moleculei de ADN a unei molecule de ARN monocatenar, a cărei secvență de nucleotide se potrivește exact (complementar) cu secvența de nucleotide a matricei - lanțul polinucleotidic al ADN-ului. Există mecanisme speciale pentru „recunoașterea” punctului de plecare al sintezei, selectarea catenei de ADN din care se citește informația, precum și mecanisme de finalizare a procesului. Acesta este modul în care se formează ARN-ul mesager (Fig. 4.1).

Difuzare(din latină translatio - transfer). Următoarea etapă a biosintezei este traducerea informațiilor conținute în secvența de nucleotide (secvența de codon) a moleculei de ARNm în secvența de aminoacizi a lanțului polipeptidic - translație.

La procariote (bacterii și albastru-verzi), care nu au un nucleu format, ribozomii se pot lega de o moleculă de ARNm nou sintetizată imediat după separarea acesteia de ADN sau chiar înainte ca sinteza sa să fie completă. La eucariote, ARNm trebuie mai întâi să fie livrat prin învelișul nuclear în citoplasmă. Transferul este realizat de proteine ​​speciale care formează un complex cu molecula de ARN. Pe lângă transportul ARNm la ribozomi, aceste proteine ​​protejează ARNm de efectele dăunătoare ale enzimelor citoplasmatice. În citoplasmă, un ribozom intră într-unul dintre capetele ARNm (tocmai cel de la care a început sinteza moleculei din nucleu) și începe sinteza polipeptidei.

Ribozomul se deplasează de-a lungul moleculei de ARNm nu lin, ci intermitent, triplet după triplet (Fig. 4.2). Pe măsură ce ribozomul se mișcă de-a lungul moleculei de ARNm, aminoacizii corespunzători tripleților de ARNm sunt adăugați unul după altul la lanțul polipeptidic. Potrivirea exactă a aminoacidului cu codul tripletului ARNm este asigurată de ARNt. Fiecare aminoacid are propriul său t-ARN, dintre care unul dintre tripleți este anticodon– complementar unui triplet ARNm strict definit. În același mod, fiecare aminoacid are propria sa enzimă care îl leagă de t-ARN.

Orez. 4.2. Difuzare

Orez. 4.3. Schema de transmitere a informațiilor ereditare de la ADN la ARNm și proteine

Principiul general al transferului de informații ereditare despre structura moleculelor proteice în timpul biosintezei unui lanț polipeptidic este prezentat în Figura 4.3.

După terminarea sintezei, lanțul polipeptidic este separat de matrice - molecula de ARNm, pliată într-o spirală, apoi capătă structura terțiară caracteristică acestei proteine.

Molecula de ARNm poate fi utilizată în mod repetat pentru a sintetiza polipeptide, la fel ca un ribozom. Descrierea traducerii și transcripției este dată aici într-un mod foarte simplificat. Trebuie amintit că biosinteza proteinelor este un proces extrem de complex, asociat cu participarea multor enzime și cu cheltuirea unei cantități mari de energie, depășind semnificativ cantitatea de energie a legăturilor peptidice formate. Complexitatea uimitoare a sistemului de biosinteză și intensitatea sa ridicată de energie asigură o precizie ridicată și ordinea sintezei polipeptidelor.

Sinteza biologică a moleculelor non-proteice din celulă are loc în trei etape. Mai întâi, se realizează informații despre structura unei anumite proteine-enzime, iar apoi, cu ajutorul acestei enzime, se formează o moleculă dintr-un anumit carbohidrat sau lipide. În mod similar se formează și alte molecule: vitamine, hormoni și altele.

Puncte de ancorare

1. Sarcina principală a proceselor metabolice este menținerea constantă a mediului intern al organismului (homeostazia) în condiții de existență în continuă schimbare.

2. Metabolismul constă din două procese interdependente - asimilarea și disimilarea.

3. Într-o celulă, procesele metabolice sunt asociate cu diferite structuri membranare ale citoplasmei.

1. Ce este sinteza biologică? Dați exemple.

2. Definiți asimilarea.

3. Ce este codul genetic?

4. Formulați proprietățile de bază ale codului genetic.

5. Unde se sintetizează ribo? acizi nucleici?

6. Unde are loc sinteza proteinelor?

7. Spune-ne cum se realizează sinteza proteinelor.

4.2. Metabolismul energetic – catabolism

Procesul opus sintezei este disimilarea - un set de reacții de scindare. Când compușii cu molecule înalte sunt descompuse, energia necesară reacțiilor de biosinteză este eliberată. Prin urmare, se mai numește și disimilare metabolismul energetic al celulei sau catabolism(din grecescul katabole - distrugere).

Orez. 4.4. Schema structurii ATP și conversia acestuia în ADP

Energia chimică a nutrienților este conținută în diverse legături covalenteîntre atomi din moleculele compuşilor organici. De exemplu, atunci când o legătură chimică, cum ar fi o legătură peptidică, este ruptă, se eliberează aproximativ 12 kJ per 1 mol. În glucoză, cantitatea de energie potențială conținută în legăturile dintre atomii de C, H și O este de 2800 kJ la 1 mol (adică la 180 g de glucoză). Când glucoza este descompusă, energia este eliberată în etape cu participarea unui număr de enzime conform ecuației finale:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6H 2 O + 6CO 2 + 2800 kJ

O parte din energia eliberată din nutrienți este disipată sub formă de căldură, iar o parte este acumulată, adică stocată în legăturile de fosfat bogate în energie ale ATP.

Este ATP care furnizează energie pentru toate tipurile de funcții celulare: biosinteză, lucru mecanic (diviziunea celulară, contracția musculară), transportul activ al substanțelor prin membrane, menținerea potențialului membranei în timpul conducerii unui impuls nervos și eliberarea diferitelor secreții.

Molecula de ATP este formată din adenină de bază azotată, riboză de zahăr și trei resturi de acid fosforic (Fig. 4.4). Adenina, riboza și primul fosfat formează adenozin monofosfat (AMP). Când se adaugă un al doilea fosfat la primul, se obține adenozin difosfat (ADP). Molecula cu trei resturi de acid fosforic (ATP) este cea mai consumatoare de energie. Scindarea fosfatului terminal al ATP este însoțită de eliberarea a 40 kJ în loc de 12 kJ eliberați în timpul rupturii obișnuite. legături chimice.

Datorită legăturilor bogate în energie din moleculele de ATP, o celulă poate stoca cantități mari de energie într-un spațiu foarte mic și o poate consuma după cum este necesar. Sinteza ATP are loc în principal în mitocondrii. De aici, moleculele de ATP intră în diferite părți ale celulei, furnizând energie pentru procesele metabolice.

Etape ale metabolismului energetic. Metabolismul energetic este de obicei împărțit în trei etape. Prima etapă - pregătitoare.În această etapă, moleculele de di- și polizaharide, grăsimi, proteine ​​se descompun în molecule mici - glucoză, glicerol și acizi grași, aminoacizi; molecule mari de acizi nucleici - în nucleotide. În această etapă, o cantitate mică de energie este eliberată și disipată sub formă de căldură.

Etapa a doua - fără oxigen. Se mai numește și respirație anaerobă (glicoliză ) sau fermentaţie. Termenul de „fermentare” este de obicei aplicat proceselor care au loc în celulele microorganismelor sau plantelor. Substanțele formate în această etapă în citoplasma celulelor cu participarea enzimelor suferă o descompunere ulterioară. De exemplu, în mușchi, ca urmare a respirației anaerobe, o moleculă de glucoză se descompune în două molecule de acid piruvic (C 3 H 4 O 3), care sunt apoi reduse la acid lactic (C 3 H 6 O 3). Acidul fosforic și ADP sunt implicate în descompunerea glucozei. Pe scurt, arată așa:

C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2ADP → 2C 3 H 6 O 3 + 2ATP + 2H 2 O

În ciupercile de drojdie, o moleculă de glucoză fără participarea oxigenului este transformată în alcool etilic și dioxid de carbon (fermentație alcoolică):

C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2ADP → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 2ATP + 2H 2 O

La alte microorganisme, glicoliza poate duce la formarea de acetonă, acid acetic etc.

În toate cazurile, descompunerea unei molecule de glucoză este însoțită de formarea a două molecule de ATP. În timpul descompunerii fără oxigen a glucozei sub forma unei legături chimice în molecula de ATP, 40% din energie este reținută, iar restul este disipată sub formă de căldură.

A treia etapă a metabolismului energetic este stadiu de respirație aerobă, sau scindarea oxigenului. Reacțiile acestei etape a metabolismului energetic se desfășoară în mitocondrii. Odată cu accesul oxigenului în celulă, substanțele formate în etapa anterioară sunt oxidate la produsele finale - H 2 O și CO 2. Respirația oxigenului este însoțită de eliberarea unei cantități mari de energie și acumularea acesteia în moleculele de ATP. Ecuația generală pentru respirația aerobă arată astfel:

2C 3 H 6 O 3 + 6O 2 + 36H 3 PO 4 + 36ADP → 6CO 2 + 42H 2 O + 36ATP

Astfel, oxidarea a două molecule de acid lactic produce 36 de molecule de ATP. În consecință, respirația aerobă joacă rolul principal în furnizarea energiei celulei.

Conform metodei de obținere a energiei, toate organismele sunt împărțite în două grupe - autotrofe și heterotrofe.

4.3. Tipul de metabolism autotrof

Autotrofi- acestea sunt organisme care furnizează nutriție (adică primesc energie) datorită compuși anorganici. Acestea includ unele bacterii și toate plantele verzi. În funcție de ce sursă de energie este folosită de organismele autotrofe pentru sinteza compușilor organici, aceștia sunt împărțiți în două grupe: fototrofe și chimiotrofe.

Orez. 4.5. Diagrama procesului de fotosinteză

Pentru fototrofe, sursa de energie este lumina, în timp ce chemotrofei folosesc energia eliberată în timpul reacțiilor redox. Plantele verzi sunt fototrofe. Folosind clorofila conținută în cloroplaste, ei efectuează fotosinteza - conversia energiei luminoase în energia legăturilor chimice.

Fotosinteză. Fotosinteza este formarea de molecule organice (și anorganice) din cele anorganice prin utilizarea energiei. lumina soarelui. Acest proces constă din două faze − aprindeŞi întuneric(Fig. 4.5).

În faza de lumină, cuantele de lumină - fotonii - interacționează cu moleculele de clorofilă, drept urmare aceste molecule trec într-o stare „excitată” mai bogată în energie pentru o perioadă foarte scurtă de timp. Excesul de energie al unora dintre moleculele de clorofilă excitate este apoi transformat în căldură sau emis ca lumină. O altă parte a acestuia este transferată la ionii de hidrogen H+, prezenți întotdeauna într-o soluție apoasă datorită disocierii apei.

H2O → H + + OH-

Atomii de hidrogen rezultați (H 0) se combină lejer cu molecule organice - purtători de hidrogen. Ioni de hidroxil OH - ceda electronii lor altor molecule și se transformă în radicali liberi OH 0 . Radicalii OH 0 interacționează între ei, ducând la formarea de apă și oxigen molecular:

4OH → O2 + 2H2O

Astfel, sursa de oxigen molecular formată în timpul fotosintezei și eliberată în atmosferă este apa, care este scindată ca urmare a fotolizei - descompunerea apei sub influența luminii. Pe lângă fotoliza apei, energia luminoasă este utilizată în faza luminoasă pentru sinteza ATP din ADP și fosfat fără participarea oxigenului.

Acesta este un proces foarte eficient: cloroplastele produc de 30 de ori mai mult ATP decât în ​​mitocondriile acelorași plante cu participarea oxigenului. În acest fel, se acumulează energia necesară proceselor care au loc în faza întunecată a fotosintezei.

În complex reactii chimice faza întunecată, pentru care nu este necesară lumina, locul cheie este ocupat de legarea CO 2 . Aceste reacții implică molecule de ATP sintetizate în timpul fazei de lumină și atomi de hidrogen formați în timpul fotolizei apei și asociați cu molecule purtătoare:

6СО 2 + 24Н → С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О

Așa se transformă energia luminii solare în energia legăturilor chimice ale compușilor organici complecși.

După cum sa menționat mai sus, un produs secundar al fotosintezei în plantele verzi este oxigenul molecular eliberat în atmosferă. Oxigenul liber din atmosferă este un factor puternic în transformarea substanțelor. Apariția sa a servit ca o condiție prealabilă pentru apariția unui tip de metabolism aerob pe planeta noastră și apariția vieții pe uscat.

Chemosinteza. Unele bacterii lipsite de clorofilă sunt, de asemenea, capabile să sintetizeze compuși organici și folosesc energia reacțiilor chimice. substanțe anorganice. Transformarea energiei reacțiilor chimice în energie chimică compuşii organici sintetizati se numesc chimiosinteză.

Chemosinteza a fost descoperită de proeminentul microbiolog rus S. N. Vinogradsky (1887).

La grupul autotrofi-chemosintetici (chimiotrofe) includ bacterii nitrificante. Unii dintre ei folosesc energia de oxidare a amoniacului în acid azotic, alții - energia de oxidare a acidului azotat în acid azotic. Se cunosc chimiosinteticele care extrag energie din oxidarea fierului feros în fier feric („bacteriile de fier”) sau din oxidarea hidrogenului sulfurat în acid sulfuric („bacteriile cu sulf”). Prin fixarea azotului atmosferic și transformarea mineralelor într-o formă solubilă care poate fi absorbită de plante, bacteriile chemosintetice joacă un rol important în ciclul substanțelor din natură.

Tip heterotrofic de metabolism. Organisme care nu se pot sintetiza singure compuși organici din anorganic, trebuie livrat din mediu. Astfel de organisme sunt numite heterotrofi. Acestea includ majoritatea bacteriilor, ciupercilor și a tuturor animalelor. Animalele mănâncă alte animale și plante și obțin carbohidrați gata preparate, grăsimi, proteine ​​și acizi nucleici din hrana lor. În timpul vieții, aceste substanțe sunt descompuse. Din unele dintre moleculele eliberate în timpul acestui proces - glucoză, aminoacizi, nucleotide etc., se sintetizează compuși organici mai complecși, caracteristici unui anumit organism - glicogen, grăsimi, proteine, acizi nucleici. O altă parte a moleculelor este divizată, iar energia eliberată în acest caz este folosită pentru viață.

Procesele de biosinteză au loc continuu în celule. Cu ajutorul enzimelor, substanțele organice destul de simple sunt transformate în unele complicate cu moleculare înaltă: proteinele se formează din aminoacizi, glucide multimoleculare – din carbohidrați simpli, nucleotide – din baze azotate și carbohidrați, ADN și ARN – din nucleotide. Toate reacțiile de biosinteză din organism se numesc asimilare. Procesul opus, care include distrugerea compușilor organici, este disimilarea. Energia, derivată din reacțiile de disimilare este necesară procesului de biosinteză.

Puncte de ancorare

1. Metabolismul constă din două procese strâns legate între ele și direcționate opus: asimilarea și disimilarea.

2. Marea majoritate a proceselor vitale care au loc în celulă necesită energie sub formă de ATP.

3. Descompunerea glucozei în organismele aerobe, în care etapa anoxică este urmată de descompunerea acidului lactic cu participarea oxigenului, este de 18 ori mai eficientă energetic decât glicoliza anaerobă.

4. Cea mai eficientă formă de fotosinteză este cea care folosește apa ca sursă de hidrogen.

Revizuiți întrebările și temele

1. Ce este disimilarea? Descrieți etapele de disimilare.

2. Care este rolul ATP-ului în metabolismul celular?

3. Vorbește-ne despre metabolismul energetic într-o celulă folosind exemplul defalcării glucozei.

4. Ce tipuri de nutriție a organismelor cunoașteți?

5. Ce organisme se numesc autotrofe?

6. Descrieți fazele luminoase și întunecate ale fotosintezei.

7. De ce plantele verzi eliberează oxigen liber în atmosferă ca urmare a fotosintezei?

8. Ce este chimiosinteza?

9. Ce organisme se numesc heterotrofe? Dați exemple.

Folosind vocabular titlurile „Terminologie” și „Rezumat”, se traduc în Limba engleză Elemente „Puncte de ancorare”.

Terminologie

Întrebări pentru discuție

Ce organisme sunt numite autotrofe? În ce grupe sunt împărțiți autotrofii?

Care este mecanismul de formare a oxigenului liber ca rezultat al fotosintezei la plantele verzi? Care este semnificația biologică și ecologică a acestui proces?

Unde, ca urmare a ce transformări moleculare și în ce cantitate se formează ATP în organismele vii?

Revizuirea materialului studiat în capitolul 4

Dispoziții de bază

Esența metabolismului este transformarea substanțelor și a energiei.

Reacțiile metabolice constau în procese interconectate, dar multidirecționale de asimilare și disimilare, a căror consistență asigură homeostazia organismului.

Codul genetic este o organizare stabilită istoric a moleculelor de ADN și ARN, în care informațiile ereditare despre caracteristicile și proprietățile unui organism sunt conținute într-o secvență de nucleotide.

Metabolismul energetic al unui organism sau al unei celule include trei etape: pregătitoare - descompunerea biopolimerilor alimentari în monomeri, scindarea fără oxigen - în produse intermediare și scindarea oxigenului - în produse finite. Doar ultimele două etape sunt însoțite de formarea ATP.

Zonele cu probleme

Cum se realizează informațiile ereditare despre caracteristicile și proprietățile virusurilor ADN și ARN?

Care este semnificația biologică a redundanței codului genetic?

Cum se realizează informațiile ereditare despre structura și funcțiile moleculelor non-proteice sintetizate în celulă?

Credeți că este posibil să creșteți eficiența fotosintezei?

Aspecte de aplicare

Cum credeți că putem crește eficiența fotosintezei în plantele verzi?

Ce exemple caracterizează utilizarea caracteristicilor metabolice ale organismelor vii în medicină? agriculturăși alte industrii, puteți cita?

Misiuni

Scrieți ecuațiile de reacție pentru fazele luminoase și întunecate ale fotosintezei. Etichetați căile de transfer de electroni și protoni.

Descrieți diferitele reacții de descompunere fără oxigen a glucozei în organismele anaerobe și aerobe.

Descrieți procesul de descompunere a moleculelor organice cu participarea oxigenului în celulele organismelor aerobe.

Capitolul 5. Structura și funcția celulei

Pentru cele mai diverse părți elementare ale organismelor, există un principiu general de structură și dezvoltare, iar acest principiu este formarea celulelor.

T. Schwann

Transformările biochimice sunt indisolubil legate de acele structuri ale unei celule vii care sunt responsabile pentru îndeplinirea unei anumite funcții. Astfel de structuri se numesc organele, deoarece, ca și organele unui întreg organism, îndeplinesc o funcție specifică. Metodele moderne de cercetare au permis biologilor să stabilească că, în funcție de structura celulei, toate ființele vii ar trebui împărțite în organisme „non-nucleare” - procariote (literalmente - pre-nucleare) și „nucleare” - eucariote. Grupul de procariote include toate bacteriile și albastru-verzi (ciani), iar grupul de eucariote include ciuperci, plante și animale.

În prezent, există două niveluri de organizare celulară: procariotă și eucariotă. Organismele procariote păstrează caracteristici ale antichității extreme: sunt foarte simplu structurate. Pe această bază, ei sunt separați într-un regat independent. Organismele eucariote conțin un nucleu limitat de o coajă, precum și „stații energetice” complexe - mitocondriile. Cu alte cuvinte, toate celulele eucariotelor „nucleare” sunt foarte organizate, adaptate la consumul de oxigen și, prin urmare, pot produce cantități mari de energie.

5.1. Celula procariotă

Bacteriile sunt celule procariote tipice. Ei trăiesc peste tot: în apă, în sol, în alimente. Ei trăiesc în cel mai adânc bazin din ocean și pe cel mai înalt vârf de munte de pe Pământ - Everest, se găsesc în gheața din Arctica și Antarctica, în sursele subterane de apă caldă și în straturile superioare ale atmosferei. Această listă de condiții de viață arată deja ce grad înalt Organismele procariote au adaptabilitate, în ciuda simplității structurii lor. Bacteriile sunt forme primitive de viață și se poate presupune că aparțin tipului de creaturi vii care au apărut în primele etape ale dezvoltării vieții pe Pământ.

Aparent, bacteriile au trăit inițial în mări; Microorganismele moderne au provenit probabil din ele. Omul s-a familiarizat cu lumea microbilor relativ recent, abia după ce a învățat să facă lentile (secolul al XVII-lea) care oferă o mărire destul de puternică. Evoluțiile tehnologice din secolele următoare au făcut posibilă studierea în detaliu a bacteriilor și a altor organisme procariote.

Să ne oprim asupra caracteristicilor structurale ale celulei bacteriene (Fig. 5.1). Dimensiunile celulelor bacteriene variază foarte mult: de la 1 la 10–15 microni. După forma lor, se disting celulele sferice - coci, alungite - tije sau bacili și contorte - spirilla (Fig. 5.2). În funcție de tipul de microorganisme căruia îi aparțin, ele există fie individual, fie formează grupuri caracteristice. De exemplu, streptococul, care provoacă boli inflamatorii la oameni și animale, formează lanțuri de mai multe celule bacteriene; stafilococul, care afectează tractul respirator al copiilor, crește sub formă de formațiuni asemănătoare cu un ciorchine de struguri. Prin natura unor astfel de acumulări de celule bacteriene și particularitățile activității lor vitale, microbiologii pot determina ce tip de microorganism izolat îi aparține.

Orez. 5.1. Schema structurii celulelor procariote

Orez. 5.2. Formă și poziție relativă bacterii: 1 – bastonașe, 2–4 – coci, 5 – spirilla

Principala caracteristică structurală a bacteriilor este absența unui nucleu limitat de o înveliș. Informațiile lor ereditare sunt conținute într-un singur cromozom. Cromozomul bacterian, format dintr-o moleculă de ADN, are forma unui inel și este scufundat în citoplasmă. ADN-ul din bacterii nu formează complexe cu proteinele și, prin urmare, marea majoritate a înclinațiilor ereditare - genele care fac parte din cromozom - „funcționează”, adică informațiile ereditare sunt citite continuu din ele. Celula bacteriană este înconjurată de o membrană (vezi Fig. 5.1), separând citoplasma de peretele celular, format dintr-o substanță heteropolimer complexă. Există puține membrane în citoplasmă. Conține ribozomi care realizează sinteza proteinelor. Toate enzimele care asigură procesele vitale ale bacteriilor sunt împrăștiate difuz prin citoplasmă sau atașate de suprafața interioară a membranei. În multe microorganisme, în interiorul celulei se depun substanțe de rezervă - polizaharide, grăsimi, polifosfați. Aceste substanțe, atunci când sunt incluse în procesele metabolice, pot prelungi viața unei celule în absență surse externe energie.

Bacteriile se înmulțesc împărțind în două. După reduplicarea cromozomului inel și alungirea celulei, se formează treptat o partiție transversală, iar apoi celulele fiice se dispersează sau rămân conectate în grupuri caracteristice - lanțuri, pachete etc. Uneori, reproducerea este precedată de un proces sexual, esența de care este schimbul de material genetic și apariția de noi combinații de gene pe cromozomul bacterian.

Orez. 5.3. Spori copți într-o celulă bacteriană

Multe bacterii au sporulare. Litigiile apar, de regulă, atunci când există o lipsă de nutrienți sau când produsele metabolice se acumulează în exces în mediu. Sporulația începe cu desprinderea unei părți a citoplasmei din celula mamă. Partea detașată conține cromozomul și este înconjurată de o membrană (Fig. 5.3). Sporul este apoi înconjurat de un perete celular, adesea multistrat. Procesele de viață din interiorul sporilor se opresc practic. Sporii bacterieni în stare uscată sunt foarte stabili și pot rămâne viabili timp de multe sute și chiar mii de ani, rezistând la fluctuații bruște de temperatură. Un exemplu în acest sens îl reprezintă sporii descoperiți în înmormântările antice (mumii ale egiptenilor antici, rezerve de hrană în diverse peșteri), în timpul forării sterile a gheții din jurul Polului Sud. Găsind condiții favorabile, sporii se transformă în activ celula bacteriana. Oamenii de știință microbiologici au crescut colonii de microorganisme din sporii găsiți într-o probă de gheață care avea 10-12 mii de ani.

Controversă bacterii patogene, într-o stare de repaus care a rămas în pământ de mulți ani, pătrunzând în apă (în timpul diferitelor tipuri de activități de irigare), poate provoca focare de boli infecțioase. De exemplu, bacilii antraxului rămân viabili, rămânând sub formă de spori mai mult de 30 de ani.

Astfel, sporularea la procariote este o etapă a ciclului de viață care asigură supraviețuirea unor condiții de mediu nefavorabile. În plus, în stare de spori, microorganismele se pot răspândi prin vânt și prin alte mijloace.

Recent se disting două niveluri de organizare celulară: cel procariot și cel eucariot. În organismele procariote au rămas multe caracteristici antice, inclusiv simplitatea structurii lor. Astfel, nu au nuclei separati de protoplasmă printr-o membrană, nici o capacitate specială de a reproduce organele și nici formațiuni asemănătoare scheletului în citoplasmă. Din cauza acestor caracteristici, ele sunt excluse într-un Regat separat de microorganisme procariote. Eubacterii și cianobacteriile sunt considerate cei mai importanți reprezentanți ai acestui Regat, iar arheobacterii au rămas cele mai asemănătoare strămoșilor antici.

Puncte de ancorare

1. La procariote material genetic celulele sunt reprezentate de o moleculă circulară de ADN.

2. Toate bacteriile, albastru-verde și micoplasmele sunt haploide, adică conțin o copie a genelor.

3. În celulele organismelor procariote nu există practic membrane interne, astfel încât majoritatea enzimelor sunt distribuite difuz în întreaga citoplasmă.

Revizuiți întrebările și temele

1. Ce sunt organitele celulare?

2. Care este baza împărțirii tuturor organismelor vii în două grupe - procariote și eucariote?

3. Ce organisme sunt procariote?

4. Descrieți structura unei celule bacteriene.

5. Cum se reproduc bacteriile?

6. Care este esența procesului de sporulare în bacterii?

Folosind vocabularul titlurilor „Terminologie” și „Rezumat”, traduceți paragrafele din „Puncte de ancorare” în engleză.

Terminologie

Pentru fiecare termen indicat în coloana din stânga, selectați definiția corespunzătoare dată în coloana din dreapta în rusă și engleză.

Selectați definiția corectă pentru fiecare termen din coloana din stânga dintre variantele în engleză și rusă enumerate în coloana din dreapta.

Întrebări pentru discuție

Care este importanța procariotelor în biocenoze? Care este rolul lor ecologic?

Cum afectează microorganismele patogene starea macroorganismului (gazdă)?

Biosinteza (sinteza biologică) este formarea de substanțe complexe din cele mai simple într-un organism viu.


Biosinteza din urmă diferă de sinteza chimică, care are loc în afara celulelor - în laboratoare, plante chimice și, uneori, în rezervoare, sol și roci.

În plus, biosinteza implică întotdeauna substanțe speciale - enzime. Ele permit și/sau accelerează reacțiile chimice. Sunt cunoscute aproximativ 5.000 de enzime și nu există în natură în afara organismelor vii.

Natura a avut miliarde de ani la dispoziție și a experimentat miliarde de metode de sinteză. În acest timp, ea a selectat cele mai potrivite substanțe și a creat structuri miniaturale pentru prelucrarea lor. O celulă vie s-a transformat într-o plantă chimică în care pot avea loc cele mai complexe transformări. „Uzina” funcționează automat, rapid, cu pierderi minime și producție maximă. Aprovizionarea cu „materii prime” a celulei a fost elaborată, o aprovizionare neîntreruptă de energie, informațiile scrise în gene despre ce și cum să faci este întotdeauna gata.

Luați, de exemplu, o frunză verde pe un copac. În lumină, produce continuu glucoză din dioxid de carbon și apă. Planta se hrănește cu ea și primește energie. Omul are în mâini știință puternică și tehnologie puternică. Dioxid de carbon și apă - cât vrei. Se pare că nu există probleme cu niciunul. Dar oamenii, folosind doar acest lucru, nu sunt capabili să sintetizeze un singur grăunte de glucoză. O obținem într-un mod complet diferit și din amidon, care a fost sintetizat de aceleași plante.

De ce oamenii nu pot copia reacțiile de biosinteză?

În primul rând, pentru că nu avem același „echipament” pe care îl are o celulă.

În al doilea rând, majoritatea enzimelor sunt proteine ​​pentru a le obține, o persoană trebuie să afle structura fiecăreia, apoi să găsească o modalitate de a le obține. Toate acestea sunt posibile, dar nu ușor. Ca rezultat, produsul sintezei chimice (de exemplu, un hormon artificial) se dovedește a fi destul de scump.


Problema poate fi simplificată dacă cel puțin o parte din muncă este transferată celulelor vii. De exemplu, acidul ascorbic (vitamina C) este produs în fabrici ca urmare a șase reacții chimice. Una dintre ele este asigurată de... bacterii active. Scheme similare sunt utilizate pe scară largă în biotehnologie.

Am comparat o celulă cu o fabrică. Dar în industrie, relocarea întreprinderilor este o practică comună. Face ceva asemanator inginerie genetică. Astfel, gena proteinei insulinei umane a reușit să „obțină un loc de muncă” în celula bacteriei Escherichia coli. Drept urmare, insulina este sintetizată într-un loc nou - necunoscut și complet inutil pentru E. coli, dar necesar urgent pentru pacienții cu diabet.

Cum folosește o persoană produsele biosintetice?

Le folosește fără ezitare în fiecare secundă a vieții sale. Când citiți aceste rânduri, în ochi are loc biosinteza pigmenților vizuali, substanța de rezervă glicogenul este sintetizat din glucoză în ficat, măduva osoasă formează molecule de hemoglobină etc.

În plus, o persoană consumă produse gata făcute de biosinteză „extraterestră” cu putere și principal. Care este hrana noastră - pâine, carne, unt, cereale, lapte etc.? Toate acestea sunt amestecuri de proteine, grăsimi, carbohidrați, vitamine. Adică, produse de biosinteză care au avut loc în celulele plantelor și animalelor.

Biosinteza ne furnizează și materii prime industriale. Extragem antibiotice și vitamine din ciuperci și bacterii de mucegai. Suntem îmbrăcați și încălțați diferite tipuri veveriță – lână, blană și piele de mamifere, precum și fibre de bumbac. Selectăm mătase naturală din fluturi de viermi de mătase. Transformăm celuloza, pe care copacii au sintetizat-o de-a lungul deceniilor, în hârtie, glucoză, viscoză, plastic, materiale de construcție și mobilier.


Nu putem decât să ne bucurăm că natura a creat biosinteza - fără ea am fi lipsiți de toate acestea. Adevărat, fără biosinteză nu am exista.

Sinteza biologică a proteinelor este un proces foarte complex în mai multe etape. S-a dovedit acum că biosinteza proteinelor are loc nu în nucleu, ci în citoplasmă. ADN-ul nu este implicat direct în sinteza proteinelor. Rolul unui intermediar, a cărui funcție este de a traduce informații ereditare despre compozitia chimicași structura proteinelor stocate în ADN, acizii ribonucleici (ARNm, ARNt) sunt formați în lanțul polipeptidic al unei anumite proteine. Mare valoare ARN-ul mesager este implicat în biosinteza proteinelor. Acționează ca o matrice. Numărul de molecule de ARNm formate pe ADN este determinat de numărul de gene care controlează sinteza proteinelor specifice într-un anumit organism. Fiecare proteină are nevoie de propriul ARNm pentru sinteză, o moleculă a cărei „sterge” secvența de nucleotide dintr-o secțiune de ADN egală cu o genă, iar apoi ARNm transferă această informație secvenței de aminoacizi din lanțul polipeptidic al proteinei. . ARN-ul mesager din nucleu pătrunde în citoplasmă și acționează asupra ribozomilor în raport cu proteinele ca matrice.

Biosinteza proteinelor începe cu un proces numit transcripție (din engleză transcripție - rescriere, copiere). Într-o secțiune a unei gene specifice pe o moleculă de ADN, m-ARN este sintetizat. Sinteza m-ARN se realizează cu ajutorul multor enzime, dar rolul principal îi revine ARN polimerazei, care se atașează la punctul de plecare al moleculei de ADN de inițiere a transcripției numită promotor, derulează dubla helix și sintetizează m- ARN. Promotorul este situat în fața genei și include aproximativ 80 de nucleotide la eucariote și aproximativ 10 nucleotide la viruși și bacterii.

ARN polimeraza se deplasează de-a lungul genei și sintetizează ARNm. Molecula m-ARN sintetizată este separată de ADN, iar secțiunile de gene pe care s-a format acest acid sunt reconectate. Sfârșitul sintezei m-ARN este determinat de o regiune numită terminator. Nucleotidele promotoare și terminatoare recunosc proteine ​​specifice care reglează activitatea ARN polimerazei.

S-a dovedit acum că precursorul m-ARN-ului, așa-numitul pro-m-ARN, este sintetizat mai întâi. Acest acid este mai mare decât m-ARN și conține fragmente care nu codifică pentru sinteza lanțului peptidic al unei anumite proteine. Acest lucru se datorează faptului că în ADN, împreună cu secțiunile care codifică r-ARN, t-ARN și polipeptide, există fragmente care nu poartă informații genetice. Aceste fragmente se numesc introni, iar fragmentele codificatoare se numesc exoni. După formarea pro-ARN, are loc procesul de maturare a m-ARN, care se numește procesare. În timpul maturării m-ARN-ului, intronii sunt îndepărtați de enzime speciale, iar regiunile informative (exonii) sunt conectate între ele într-o ordine strictă folosind enzime ligază. Acest proces se numește splicing (din engleză splice - to splice). Semnificația biologică și rolul intronilor rămân neclare. Cu toate acestea, s-a stabilit că atunci când numai exonii sunt citiți în ADN, nu se formează m-ARN matur.

Următoarea etapă a biosintezei este translația, care are loc în citoplasma de pe ribozomi. Esența sa este că secvența de aranjare a nucleopeptidelor în m-ARN este tradusă într-o secvență strict ordonată de aranjare a aminoacizilor în molecula proteinei sintetizate. Acest proces are loc cu participarea activă a t-ARN și constă în activarea aminoacizilor și sinteza directă a unei molecule de proteine. Aminoacizii liberi sunt activați și atașați la t-ARN folosind enzimele aminoacil-t-ARN sintetice. Aminoacizii activați din ARNt sunt eliberați în ribozomi. Aceste organite citoplasmatice constau din două subparticule, dintre care una are o constantă de sedimentare de 30 S, a doua de 50 S. Molecula m-ARN părăsește nucleul în citoplasmă și se atașează la subparticula ribozomală mică. Semnalul pentru traducere este codonul de pornire AUG. Când ARNt furnizează un aminoacid activat la ribozom, anticodonul său se leagă de codonul complementar al ARNm. Capătul acceptor al ARNt cu aminoacidul corespunzător este atașat de suprafața subunității mari a ribozomului. Următorul ARNt furnizează apoi următorul aminoacid etc. Molecula de ARNm operează pe mai mulți ribozomi conectați pentru a forma polizomi. Începutul sintezei unui lanț polipeptidic se numește alungire. Sfârșitul sintezei unui lanț polipeptidic se numește terminație. Terminarea are loc atunci când unul dintre codonii terminatori UAA, UAT sau UGA apare pe m-ARN.

Vezi de asemenea

Biogeochimie: istorie și modernitate
Introducere Biogeochimia este o știință care studiază activitatea vitală a organismelor ca factor principal în migrarea și distribuția maselor. elemente chimice pe Pământ. Subiectul studierii biogeo...

Ce este viața din punct de vedere al fizicii
INTRODUCERE Știința naturală modernă include concepte teoretice care s-au format în cursul secolului al XX-lea în cadrul diferitelor discipline științifice. Cea mai importantă știință a naturii...

Influența bioritmurilor asupra corpului uman
Introducere bioritmul sportiv de performanță medicală Oamenii știau despre existența ritmurilor biologice încă din cele mai vechi timpuri. Deja în „Vechiul Testament” sunt date instrucțiuni despre imaginea corectă a lui...