Шпаргалка по "Биологии"

ДНК эукариот имеет полирепликативное  строение. Скорость полимеризации 50-100 нуклеотидов. Высокая точность обеспечивается специальными механизмами, которые  осуществляют коррекцию.

Механизмы коррекции:

1. Механизм самокоррекции – осуществляется ДНК-полимеразой. Самокоррекция заключается в отщеплении ошибочно включённого в цепь ДНК нуклеотида, не спаренного с матрицей. Следствием самокоррекции снижается механизм ошибок в 10 раз.
2. Эксцизионная (дореплекативная) репарация – осуществляется специфическими ферментами. Искажение последовательностей нуклеотидов в одной из цепей обнаруживается ими, затем соответствующий участок удаляется и замещается новым, синтезированным на второй комплиментарной цепи ДНК.
3. Пострепликативная репарация – осуществляется путём рекомбинации (обмена фрагментами) между двумя вновь образованными двойными спиралями ДНК. Пример: возникновение тиминовых димеров, когда они не устраняются самопроизвольно под действием  видимого света (световая репарация) или в ходе дорепликативной эксцизионной репарации.  Ковалентные связи, возникающие между рядом стоящими остатками тимина делают их не способными к связыванию с комплиментарными нуклеотидами. В результате во вновь синтезируемой цепи возникают бреши (разрывы), узнаваемые ферментами репарации. Восстановление целостности новой полинуклеотидной цепи одной из дочерних ДНК осуществляется благодаря рекомбинации с соответствующей ей нормальной материнской цепью другой дочерней ДНК. Образовавшийся в материнской цепи пробел заполняется путём синтеза на комплиментарной ей полинуклеотидной цепи.

Если в наследственном материале слишком много повреждения  и част из них не ликвидируется, включается система индуцируемых (побуждаемых) ферментов репарации (SOS-система). Эти ферменты заполняют бреши, восстанавливая целостность синтезируемых полинуклеотидных цепей без точного соблюдения принципа комплиментарности. Поэтому иногда сами процессы репарации могут служить источником стойких изменений в структуре ДНК (мутаций).

У прокариот большая  часть генома представлена кодирующими  последовательностями генотипа, которые  несут геномную информацию.

У большинства высших эукариот в организации материала  наблюдается избыточность ДНК. Их геном  представлен:

• Часто повторяющиеся последовательности – представлены в гаплоидном наборе 10⁶ и более копиями. Эти последовательности не участвуют в синтезе РНК и называются сателитными.
• Умеренно-повторяющиеся последовательности – представлены 10²-10⁵ копиями. В них входят гены, кодирующие структуру гистоновых белков тРНК и рРНК.
• Уникальные последовательности – существуют в единственном числе или в 2-3^х копиях. К ним относятся все гены, кодирующие структуры основных белков. С них копируются всё мРНК.

№8

Реализация биологической информации в клетке (транскрипция)

Всю последовательность процессов, происходящих при синтезе  белковых молекул, можно объединить в 3 этапа:

1. Транскрипция
2. Процессинг
3. Трансляция

Структурными единицами  наследственной информации являются гены участки молекулы ДНК, кодирующие синтез определенного белка.

1. Транскрипция (от лат. transcriptio – переписывание) – процесс синтеза молекулы и–РНК на молекуле ДНК, выступающей в роли матрицы. Молекула ДНК на участке гена раскручивается, и списывание информации происходит с одной из двух нитей молекулы ДНК, называемой кодогенной. Сборку молекулы и–РНК по принципу комплементарности осуществляет фермент – РНК–полимераза. Скорость сборки достигает 50 нуклеотидов в секунду. Списывание происходит только с части молекулы ДНК, называемой геном, и длина молекулы и–РНК в сотни раз короче, чем ДНК. Некоторые участки и–РНК не несут информацию о будущей молекуле белка. Их присутствие связано с особенностями строения генов и механизма транскрипции. Эти участки молекулы и–РНК, называемые интронами, необходимо удалить.
2. II.  Процессинг – процесс созревания молекулы информационной РНК, сопровождающийся удалением интронов, участков, не несущих информацию о последовательности аминокислот в синтезируемом белке, и сращиванием (сплайсингом) остающихся фрагментов (экзонов, т.е. кодирующих последовательностей). Поэтому длина созревшей и направляющейся к рибосомам молекулы и–РНК оказывается короче первоначальной. Эту РНК называют матричной (м–РНК).
3. III.  Трансляция (от лат. translatio – перевод) – синтез полипептидных цепей белков по матрице м–РНК на рибосомах.

Аминокислоты, из которых  синтезируются белки, доставляются к рибосомам с помощью специальных  транспортных РНК (т–РНК). Молекулы т–РНК, состоящие из 85–100 нуклеотидов, способны сворачиваться таким образом, что  напоминают по форме лист клевера. В  клетке присутствует около 40 молекул т–РНК. На вершине «листа» т–РНК имеется триплет, называемый антикодоном. Он комплементарен нуклеотидам кодона м–РНК. К основанию молекулы т–РНК присоединяется соответствующая аминокислота, та, которую кодирует триплет, комплементарный антикодону. Этот процесс осуществляется с помощью фермента – кодазы, с затратой энергии, получаемой при расщеплении молекулы АТФ. Трансляция состоит из трех последовательных фаз – инициации, элонгации и терминации.

1. Инициация. На этом этапе происходит сборка всего комплекса, участвующего в синтезе молекулы белка. Происходит при присоединенииферментативного комплекса РНК-полимеразы к промотору, при этом происходит расплетение двойной спирали ДНК.
2. 2. Элонгация. В молекуле любой мРНК есть участок, комплементарный рРНК – малой субъединицы рибосомы и специфически ею управляемый. Рядом с ним находится инициирующий стартовый код он АУТ, кодирующий аминокислоту метионин. На рибосоме имеются два участка для связывания двух молекул тРНК. В одном участке, называемым пептидильным, уже находится первая тРНК. Это всегда одна и та же тРНК, несущая аминокислоту метионин (I). С него начинается синтез любой молекулы белка. Во второй участок рибосомы — аминоацильный поступает вторая молекула т–РНК и присоединяется к своему кодону (II). Между метионином и второй аминокислотой образуется пептидная связь. Вторая тРНК перемещается вместе со своим кодоном мРНК в пептидильный центр. Перемещение тРНК с полипептидной цепочкой из аминоацильного участка в пептидильный сопровождается продвижением рибосомы по м–РНК на шаг, соответствующий одному кодону. Этот этап требует затраты энергии. тРНК, доставившая метионин, возвращается в цитоплазму. Аминоацильный центр освобождается. В него поступает новая тРНК, связанная с аминокислотой, зашифрованной очередным кодоном (III). Между третьей и второй аминокислотами образуется пептидная связь, и третья тРНК вместе с кодоном м—РНК вновь перемещается в пептидильный центр. Таким образом, в растущей белковой молекуле аминокислоты оказываются соединенными в той последовательности, в которой расположены шифрующие их кодоны в мРНК. Процесс элонгации, удлинения белковой цепи, продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадет один из трех кодонов, не кодирующих аминокислоты. Это триплеты терминации: УАА, УГА, УАГ. Ни одна из тРНК не может занять место в аминоацильном центре.
3. Терминация – прекращение роста цепи. Происходит на специальных участках – терминаторах, так как гены прокариот состоят из кодирующих последовательностей, несущих генетическую информацию ,первичные транскрипты мРНК могут сразу выполнять роль матрицы при трансляции. У эукариот транскрипция и трансляция разделены по времени и топографии.

Гены эукариот содержат некодирующие последовательности –  интроны. Поэтому первичный транскрипт имеет большие размеры, чем необходимо для трансляции и называется ядерной РНК.

Она является точной копией транскрибированного участка ДНК. Эта молекула в дальнейшем подвергается процесингу (формированию зрелых мРНК), в ходе которой происходит сплайсинг (вырезание интронов и сшивание экзонов). В результате формируется мРНК, состоящая только из кодирующих последовательностей.

Ферментативный  комплекс РНК-полимеразы, принимающий  участие в транскрипции:

1. РНК-полимераза-1. Отвечает за транскрипцию генов рРНК.
2. РНК-полимераза-2. Отвечает за транскрипцию гетерогенной ядерной РНК.
3. РНК-полимераза-3. Отвечает за синтез рРНК и тРНК.
4. РНК-полимераза митохондрий (и пластид).

 

 

 

№9

Реализация биологической информации в клетке (трансляция)

Трансляция – это  процесс воплощения генетической информации мРНК в структуру полипептида. Зрелая мРНК выходит яз ядра в цитоплазму, где соединяется с рибосомой.

Инициация трансляции начинается со стартового кодона (АУГ), который локализуется в смысловой части гена кодирующую аминокислоту метиламин. Аминокислоты доставляются к рибосоме тРНК, специальной для каждого вида аминокислот. Участок рибосомы, куда доставляется аминокислоты называется аминоацильный (α-участок).

Участок рибосомы, где  происходит рост полипептидной цепи, называется пептидильным.

Этап элонгации связан с последовательным включением аминокислот в рост полипептидной цепи.

Этапы элонгации:

1. Связывание антикодона тРНК, несущей аминокислоту с кодоном мРНК в свободном α-участоке на рибосоме.
2. Образование пептидной связи между аминокислотами, когда в α- и ∏-участке находится тРНК с аминокислотами.
3. Транслокация. тРНК ∏-участка открывается от аминокислоты и покидает рибосому. тРНК из α-участка переходит в ∏-участок и рибосома перемещается вдоль мРНК на 1 кодон.

Терминация трансляции происходит, когда на мРНК в α-участке будет 1^на из 3^х стопкодонов (УАА, УАГ, АГА).

РНК

Рибонуклеиновые кислоты  бывают нескольких видов. Есть рибосомальная, транспортная и информационная РНК. Нуклеотид РНК состоит из одного из азотистых оснований (аденина, гуанина, цитозина и урацила), углевода - рибозы и остатка фосфорной кислоты. Молекулы РНК - одноцепочковые.

Рибосомальная РНК (рРНК) в соединении с белком входит в состав рибосом. Р-РНК составляет 80% от всей РНК в клетке. На рибосомах идет синтез белка.

Информационная РНК (и-РНК) составляет от 1 до 10% от всей РНК в  клетке. По строению и-РНК комплементарна участку молекулы ДНК, несущему информацию о синтезе определенного белка. Длина и-РНК зависит от длины  участка ДНК, с которого считывали информацию. иРНК переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму.

 Транспортная РНК  (тРНК) составляет около 10% всей РНК Она имеет короткую цепь нуклеотидов и находится в цитоплазме. тРНК присоединяет определенные аминокислоты и подвозит их к месту синтеза белка к рибосомам. ТРНК имеет форму трилистника. На одном конце находится триплет нуклеотидов (антикодон), кодирующий определенную аминокислоту. На другом конце имеется триплет нуклеотидов, к которому присоединяется аминокислота. При комплементарности триплета тРНК (антикодона) и триплета иРНК (кодона), аминокислота занимает определенное место в молекуле белка.

РНК находится в ядрышке, в цитоплазме, в рибосомах, в митохондриях и пластидах. В природе есть еще  один вид РНК. Это вирусная РНК. У  одних вирусов она выполняет функцию хранения и передачи наследственной информации. У других вирусов эту функцию выполняет вирусная ДНК.

 

№10

Клетка как открытая саморегулирующаяся биологическая система

Аденозинмонофосфорная кислота (АМФ) входит в состав всех РНК. При присоединении еще двух молекул фосфорной кислоты (Н₃РО₄) АМФ превращается в аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ) и становится источником энергии, необходимой для биологических процессов, идущих в клетке.

Схема передачи энергии  с помощью АТФ из реакций, в  результате которых энергия освобождается (экзотермические реакции), в реакции, потребляющие эту энергию (эндотермические  реакции). Последние реакции очень  разнообразны: биосинтез, мышечные сокращения и т.д. Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из азотистого основания  аденина, сахара — рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Молекула АТФ очень неустойчива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии, расходуемой на обеспечение всех жизненных функций клетки (биосинтез, трансмембранный перенос, движение, образование электрического импульса и др.). Связи в молекуле АТФ называют макроэргическими. Отщепление концевого фосфата от молекулы АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии. Синтез АТФ происходит в митохондриях.

Энергетический  обмен (диссимиляция)

представляет собой  совокупность реакций расщепления  органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. В зависимости  от среды обитания энергетический обмен  может протекать в 2^а или в 3^и этапа.

У большинства организмов – аэробов, живущих в кислородной  среде, в ходе диссимиляции осуществляется 3и этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный, в процессе которых органические вещества расщепляются до неорганических.

1. Подготовительный этап. На этом этапе происходит ферментативное расщепление сложных органический соединений на более простые (белков – до аминокислот, жиров – на глицерин и жирные кислоты, полисахаридов – до моносахаридов, нуклеиновых кислот – до нуклеотидов). Распад органических субстратов пищи происходит на разных уровнях желудочно-кишечного тракта многоклеточных организмов. Внутриклеточное расщепление происходит под действием гидролитических ферментов лизосом. Высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде теплоты, а образующиеся малые органические молекулы могут подвергаться дальнейшему расщеплению или использоваться клеткой как «строительный материал» для синтеза собственных органических соединений.
2. Неполное расщепление (бескислородный этап) – осуществляется непосредственно в цитоплазме клетки, в присутствии кислорода не нуждается и заключается в дальнейшем расщеплении органических субстратов. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Бескислородное, неполное расщепление глюкозы называют гликолизом.

Гликолиз – многоступенчатый ферментативный процесс превращения шестиуглеродной глюкозы в 2^е трёхуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (пирувата, ПВК) С₃Н₄О₃.

В ходе реакции  гликолиза выделяется большое количество энергии – 200 кДж/моль. Часть этой энергии (60%) рассеивается в виде теплоты, а остальное (40%) используется на синтез АТФ. В результате гликолиза одной молекулы глюкозы образуется по 2^е молекулы ПВК, АТФ и воды, а так же атомы водорода, которые запасаются клетной в форме НАД*Н, то есть в составе переносчика – никонинамидадениндинуклеотида. Суммарная формула гликолиза имеет следующий вид:

С₆Н₁₂О₆+2АДФ+2Ф+2НАД⁺ → 2С₃Н₄О₃+2АТФ+2Н₂О+2НАД*Н

дальнейшая  судьба продуктов гликолиза –  пирувата и водорода в форме НАД*Н  – может складываться по-разному. У дрожжей или в клетках  растений при недостатке кислорода  происходит спиртовое брожение –  ПВК восстанавливается до этилового  спирта:

(пируват) СН₃СОСООН → СО₂+СН₃СОН (укс. альдегид)

(укс. альдегид) СН₃СОН+НАД*Н → С₂Н₅ОН (этил. спирт)+НАД⁺

В клетках  животных, испытывающих временный недостаток кислорода, например в мышечных клетках  человека при чрезмерной физической нагрузке, а так же у некоторых  бактерий происходит молочнокислое  брожение, при котором пируват  восстанавливается до молочной кислоты: