4.45M

Category:

biology

Жизнедеятельность клетки (обмен веществ и превращение энергии). Лекция №2

1.

Кафедра биологии, медицинской генетики и экологии
Лекция №2
Жизнедеятельность клетки
(обмен веществ и
превращение энергии)

2.

План лекции
1. Реализация биологической информации
в клетке
2. Понятие об открытых системах. Пути
поступления веществ в клетку
3. Энергообеспечение клеток

3.

1. Реализация биологической
информации в клетке

4.

Ген
• участок молекулы ДНК, кодирующий
информацию о первичной структуре белка
или видах РНК.

Уровни организации
наследственного материала
1. Генный
Участок молекулы ДНК (РНК), кодирующий первичную
структуру
полипептида
или
последовательность
нуклеотидов РНК
2. Хромосомный
определенная совокупность генов
3. Геномный
совокупность наследственного материала, содержащегося
в гаплоидном наборе хромосом данного вида

6.

Гены
Структурные
Функциональные
(регуляторы,
модуляторы)

7.

Структурные гены
Белки и
ферменты,
характерные для
определенных
клеток
Гистоны, белки
рибосом,
присутствующие
во всех типах
клеток
рРНК и
тРНК

8.

Структурные гены эукариот
• Экзоны - кодирующие участки
• Интроны – некодирующие
участки

9.

Гены, выполняющие функции модуляторов
(изменяют действие других генов, осуществляя
тонкую регуляцию их активности):
1. Ингибиторы, или супрессоры – гены
подавители, подавляют активность других
генов.
2. Интенсификаторы, или усилители действия
других генов.
3. Модификаторы, меняющие активность
других генов в небольших пределах.

10.

Функциональные гены
• спейсеры – некодирующие
последовательности,
располагающиеся между
группами генов, обеспечивают
правильную укладку хроматина,
прикрепление хромосом к нитям
веретена деления;

11.

Функциональные гены
• промоторы – участки связывания
фермента РНК-полимеразы и
инициации транскрипции

12.

Промоторы прокариот
• Стартовая точка транскрипции
• Домен в области -10 п.н.
• Домен в области -35 п.н.

13.

Промоторы эукариот
• +1 – точка начала транскрипции
• ТАТА – контролирует выбор стартовой точки
транскрипции, правильная ориентация РНКполимеразы, начало транскрипции
• СААТ - связывание РНК-полимеразы с промотором,
прикрепление инициирующих белков с промотором
• GC –связывание РНК-полимеразы с окрестностями
стартовой точки транскрипции

14.

Функциональные гены
• оператор – располагается после
промотора, с ним связывается
специфический белок репрессор и
блокирует транскрипцию;
• регулятор – кодирует белок-репрессор.

15.

Функциональные гены
• терминаторы – участки,
свидетельствующие об окончании
транскрипции

16.

Функциональные гены
• энхансеры – определенные короткие
участки ДНК, с которыми связываются
факторы транскрипции и повышают
активность генов
Способны действовать на больших расстояниях
Не зависят от направления транскрипции
Активируют любой рядом расположенный промотор

17.

Функциональные гены
• сайленсеры – определенные короткие
участки ДНК, с которыми связываются
ингибиторы и понижают активность
генов

18.

Функциональные гены
• инсуляторы – определенные короткие
участки ДНК, предотвращающие
случайное воздействие энхансеров и
сайленсеров на гены, расположенные
рядом с контролируемыми

19.

Свойства гена:
1. Специфичность (каждый ген имеет определенную
последовательность нуклеотидов и определяет
синтез определенной функциональной молекулы).
2. Относительная стабильность
3. Способность к мутированию.
4. Способность рекомбинировать.
5. Дискретность гена – наличие внутри гена более
мелких дифференцированных структур.
6. Плейотропность – множественное действие гена,
когда один ген отвечает за несколько признаков.

20.

Свойства гена:
7. Дозированность гена – зависимость результата
(количество белка) от дозы гена.
8. Пенетрантность – количественный показатель
действия генов: частота фенотипического
проявления гена в популяции.
9. Экспрессивность гена – свойство характеризует
степень выраженности признака.
10. Проявление действия гена зависит от факторов
внешней среды.

21.

ОПЕРОН
ОПЕРОН – единица считывания генетической
информации у прокариот, представляющая собой
совокупность расположенных в линейной
последовательности структурных генов и гена или
генов-операторов.
У эукариот - транскриптон.

22.

ОПЕРОН

23.

Транскриптон

24.

Реализация генетической
информации

25.

Реализация генетической
информации
• Способ кодирования последовательности
аминокислот в полипептиде через определенную
последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК –
генетический код
• Г. А. Гамов, 1954 – 1 АК – 3 НК (триплетность)
• Ф. Крик, С. Бренер, Г. Витмаг – генетический код
непрерывен
• М. Ниренберг, С. Очоа, Х. Корана – расшифровка
кода (стартовый кодон АУГ, стоп-кодоны,
кодирующие)

26.

Свойства генетического кода
• колинеарность – последовательность
элементов гена определяет
последовательность аминокислот
• триплетность: 3 нуклеотида – 1
аминокислота
• специфичность (однозначность): 1 триплет
(кодон) соответствует только одной
аминокислоте
• избыточность (вырожденность): 1
аминокислота может кодироваться
несколькими кодонами

27.

Свойства генетического кода
• непрерывность: отсутствуют
промежутки между кодонами
• неперекрываемость: нуклеотид
одного кодона не может входить в
состав другого
• универсальность: един для всех
организмов, однако некоторые
кодоны для митохондрий могут
имеет необычное значение.

28.

Функции гена
• 1902, Гаррод - гены контролируют определенные
биохимические реакции, наследственные заболевания
представляют собой нарушения нормального обмена
веществ.
• 1909, Бэтсон («Менделевские принципы наследования»)
- связь между генами и ферментами
• 1933, Дж. Бидл – экспериментальное доказательство
прямого участия генов в синтезе ферментов (мутации
генов, обуславливающие изменения окраски глаз у
дрозофилы связаны с утратой функций некоторых
ферментов)

29.

Функции гена
• начало 40-х годов XX в., работы Бидла и Татума по
изучению мутаций, связанных с нарушением
метаболических процессов у плесневого гриба
Neurospora - гипотезы «один ген – один фермент».
• Современное представление: гипотеза «один ген – одна
функциональная молекула».

30.

Экспрессия генов
• Процесс,
в
наследственная
заключенная
в
реализуется
в
продукт
ходе
которого
информация,
структуре
гена,
функциональный

31.

Этапы экспрессии (реализации
наследственной информации)

32.

Транскрипция
• процесс синтеза молекулы РНК на участке одной
из цепей молекулы ДНК, выступающей в роли
матрицы
• Матрица – цепь 3‘ - 5 ‘
• Ферменты:
Прокариоты
- ДНК-зависимая РНК-полимераза
Эукариоты
- РНК-полимераза I – для 5,8S, 16S, 28S рРНК
- РНК-полимераза II – для мРНК
- РНК-полимераза III – для 5S рРНК и все тРНК
• Продукт: пре-мРНК, тРНК, рРНК

33.

1. Инициация транскрипции

34.

2. Элонгация – удлинение цепи

35.

3. Терминация – окончание синтеза

36.

Процессинг – созревание мРНК
• Добавление
сигнальных
последовательностей
(кэпирование и
полиаденилирование)
• Удаление интронов и
сшивка экзонов
(сплайсинг)

37.

Особенности образования иРНК
в эукариотических клетках
• Сплайсинг – этап процессинга, вырезание
интронов и сшивание экзонов,
обеспечивают мяРНК и белки

38.

Альтернативный сплайсинг

39.

Общий план строения зрелой мРНК

40.

Трансляция – процесс синтеза
полипептидной цепи на рибосоме
Компоненты для непосредственного
биосинтеза белка
мРНК
рибосомы
аминокислоты
тРНК
АТФ
ионы Mg2+

41.

Этапы трансляции

42.

Этапы трансляции

43.

Этапы трансляции

44.

Посттрансляционные
преобразования белков
• Фолдинг – приобретение
соответствующей структуры (белки
шапероны)
• Модификации - образование сложных
белков, окисление

45.

Регуляция транскрипции прокариот по типу
индукции (лактозный оперон)

46.

Регуляция транскрипции прокариот по типу
репрессии (триптофановый оперон)

47.

Уровни генетической регуляции эукариот

48.

Уровни генетической регуляции эукариот

49.

Посттрансляционная регуляция

50.

РНК-интерференция
• Процесс подавления экспрессии гена на
стадии транскрипции, трансляции при
помощи малых РНК (короткие
двухцепочечные ДНК)

51.

РНК-интерференция

52.

Регуляторы биосинтеза белка
• Ингибиторы транскрипции: рифамицины
(связываются с бактериальной РНКполимеразой)
• Ингибиторы трансляции: тетрациклины
(ингибируют элонгацию), левомицетин
(тормозит пептидилтрансферазную
активность), эритромицин (ингибирует
транслокацию), стрептомицин (ингибирует
инициацию трансляции)

53.

2. Понятие об открытых системах.
Пути поступления веществ в клетку

54.

Открытые системы
• Совокупность материальных объектов,
отграниченных в той или иной степени
от окружающей среды, которые
обмениваются энергией, веществом и
информацией с этой средой
• Биологические системы любого уровня
организации – открытые системы

55.

Обмен веществ, или
метаболизм
• это совокупность всех ферментативных
реакций синтеза и распада,
протекающих в организме, связанных с
выделением или поглощением энергии.

56.

Метаболизм

57.

Транспорт веществ
Пассивный
(по градиенту концентрации,
без затрат энергии)
Активный
(против градиента
концентрации,
с затратой энергии)

58.

Пассивный
транспорт
Простая
диффузия
Облегченная
диффузия
через
липидный бислой
челночный
механизм
через
белковые поры
вращающийся
механизм

59.

Простая диффузия (осмос – транспорт
воды через мембрану)

60.

Челночный механизм
облегченной диффузии

61.

Вращающийся механизм
облегченной диффузии

62.

Активный
транспорт
Первично-активный
(источник энергии АТФ)
ионные насосы
Вторично-активный
(источник энергии –
одновременный перенос
какого-либо вещества
по градиенту концентрации
симпорт
антипорт

63.

Ионные насосы
белковые комплексы
мембраны, способные
избирательно
присоединять
транспортируемые ионы

64.

Трансмембранный
перенос веществ
Эндоцитоз
Экзоцитоз
пиноцитоз
секреция
фагоцитоз
экскреция

65.

Эндоцитоз – транспорт
веществ в клетку

66.

Экзоцитоз – транспорт
веществ из клетки

67.

3. Энергообеспечение клеток

68.

Источники энергии

69.

Закон биоэнергетики клетки
(В.П. Скулачев)
живая клетка избегает непосредственно использования
энергии внешних ресурсов для совершения полезной работы.
Внешние источники энергии должны превратиться в одну из
форм «энергетических валют» клетки:
- АТФ (синтез АТФ – фосфорилирование)
- протонный градиент на биомембране
- натриевый градиент на биомембране.
«Энергетическая валюта» выполняет роль посредника
между внешними источниками энергии и полезной работой
биологических систем.

70.

Способы получения энергии
Хемосинтез – синтез
органических веществ за счет
энергии в результате окисления
неорганических веществ
(аммиака, соединений серы,
водорода, метана, железа).
Источник углерода – СО2
Осуществляют бактерии:
нитрифицирующие,
серобактерии, железобактерии и
другие.
Открыт в 1887 г. С. Н.
Виноградским

71.

Способы получения энергии
Фотосинтез – преобразование энергии солнечного
света в энергию химических связей органических
веществ (зеленые растения и сине-зеленые
водоросли (цианобактерии)
Источник углерода – СО2
Протекает в хлоропластах
растений или на
впячиваниях плазмалеммы
цианобактерий

72.

Стадии фотосинтеза
1. Световая фаза
- необходим свет
- протекает на мембранах тилакоидов

73.

Световая фаза фотосинтеза

74.

Световая фаза фотосинтеза

75.

Стадии фотосинтеза
2. Темновая фаза
- осуществляется в любое время суток
- протекает в строме хлоропластов

76.

Дыхание
- получение энергии в результате окисления
органических веществ
Дыхание свойственно всем живым организмам
Различают:
- анаэробное дыхание (бескислородное) – характерно
для бактерий, некоторых паразитов
- аэробное дыхание (с участием кислорода)

77.

78.

Этапы энергетического обмена у гетеротрофов
1. Подготовительный – сложные вещества под действием
ферментов расщепляются на простые (гидролиз веществ),
протекает в цитоплазме с участием лизосом или в полости
пищеварительного канала:
Полисахариды (крахмал, гликоген) → глюкоза
Жиры → жирные кислоты + глицерин
Белки → аминокислоты
Энергетический выход:
- выделяется энергия в виде тепла и рассеивается в
пространстве,
- образуется 0 молекул АТФ