Биология, 10 класс. Клетка

Этапы биосинтеза белка

Под этапами биосинтеза белка могут понимать как 1) совокупность процессов транскрипции, трансляции и посттрансляционные модификации, так и 2) только этапы трансляции, так как именно в процессе трансляции происходит непосредственный синтез молекулы полипептида (будущего белка или его составной части).

В первом случае рассматриваются три этапа:

Строение и функции рибосом

Рибосомы — это важнейшие компоненты клеток как прокариот, так и эукариот. Строение и функции рибосом связаны с синтезом белка в клетке, т. е. процессом трансляции.

По химическому составу рибосомы представляют собой рибонуклеопротеиды, т. е. состоят из РНК и белков. В рибосомы входит только один тип РНК – рРНК (рибосомальная РНК). Однако существует 4 разновидности ее молекул.

Процессинг РНК

Под процессингом РНК понимают процесс ее созревания, который протекает в период и после ее транскрипции и предшествует процессу трансляции.

Процессинг разных типов РНК протекает по-разному. Однако у прокариот процессинга матичной РНК (мРНК) не происходит. Обычно процессинг РНК рассматривается на примере мРНК эукариот.

Свойства генетического кода

Генетический код — это способ кодирования последовательности аминокислот в молекуле белка с помощью последовательности нуклеотидов в молекуле нуклеиновой кислоты. Свойства генетического кода вытекают из особенностей этого кодирования.

Строение гена

Ген является структурной и функциональной единицей наследственности. Структурной — потому что, грубо говоря, представляет собой определенный участок молекулы ДНК, способный мутировать и передаваться по наследству как единое целое. Функциональной — так как в большинстве случаев кодирует синтез полипептида, определяющего в последствии тот или иной признак организма.

Транскрипция и трансляция

В биологии процессы транскрипции и трансляции рассматривают в рамках биосинтеза белка. Хотя в процессе транскрипции никакого синтеза белка не происходит. Но без нее невозможна трансляция (т. е. непосредственный синтез белка). Транскрипция предшествует трансляции.

Функции РНК

Если ДНК в основном отвечает за хранение и передачу наследственной информации, то РНК реализует ее. Это более сложная и многогранная задача. Поэтому функции РНК разнообразны. Каждый тип РНК в клетках живых организмов выполняет свои функции.

Строение РНК

По химическому строению РНК (рибонуклеиновая кислота) является нуклеиновой кислотой, во многом схожей с ДНК. Важными отличиями от ДНК является то, что РНК состоит из одной цепи, сама цепь более короткая, вместо тимина в РНК присутствует урацил, вместо дезоксирибозы — рибоза.

По строению РНК является биополимером, мономерами которого являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, рибозы и азотистого основания.

Строение ДНК

По своему химическому строению ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) является биополимером, мономерами которого являются нуклеотиды. То есть ДНК — это полинуклеотид. Причем молекула ДНК обычно состоит из двух цепей, закрученных друг относительно друга по винтовой линии (часто говорят «спирально закрученных») и соединенных между собой водородными связями. Цепочки могут быть закручены как в левую, так и в правую (чаще всего) сторону. У некоторых вирусов ДНК состоит из одной цепи.

Строение нуклеиновых кислот

По общему строению все нуклеиновые кислоты являются молекулами-полимерами (биополимерами), их мономерами являются нуклеотиды. Строение конкретного типа нуклеиновой кислоты имеет свои особенности как на уровне нуклеотидов, так и на уровне вторичной и третичной структуры молекул.

Существует два основных типа нуклеиновых кислот — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).

Строение хромосом

Хромосомы — наиважнейший элемент клетки. Они отвечают за передачу и реализацию наследственной информации и в эукариотической клетке локализуются в ядре. По химическому строению хромосомы представляют собой комплексы дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) и связанных с ними белков, а также небольшого количества других веществ и ионов. Таким образом, хромосомы являются дезоксирибонуклеопротеидами (ДНП).

Строение прокариотической клетки

Прокариотические клетки по своему строению мельче и проще клеток эукариот. Среди них не бывает многоклеточных организмов, лишь иногда образуют подобие колоний. У прокариот нет ни только клеточного ядра, но и всех мембранных органелл (митохондрий, хлоропластов, ЭПС, комплекса Гольджи, центриолей и др.).

Строение прокариотической клетки

К прокариотам относятся бактерии, синезеленые водоросли (цианобактерии), археи и др. Прокариоты были первыми живыми организмами на Земле.

Строение ядра клетки

Ядро клетки по своему строению относится к группе двухмембранных органоидов. Однако ядро настолько важно для жизнедеятельности эукариотической клетки, что обычно его рассматривают отдельно. Ядро клетки содержит хроматин (деспирализованные хромосомы), который отвечает за хранение и передачу наследственной информации.

Строение ядра клетки

В строении ядра клетки выделяют следующие ключевые структуры:

Строение митохондрии

Митохондрии — это органоиды, которые есть почти во всех эукариотических клетках, их называют «энергетическими станциями». Количество митохондрий в клетке изменчиво (от нескольких штук до десятков тысяч), зависит от типа клетки и интенсивности обменных процессов в ней. Митохондрий больше в тех частях клетки, где требуется больше энергии.

Строение митохондрии

Строение клеточной мембраны

Клеточная мембрана имеет достаточно сложное строение, которое можно рассмотреть в электронный микроскоп. Грубо говоря, она состоит из двойного слоя липидов (жиров), в который в разных местах включены различные пептиды (белки). Общая толщина мембраны составляет около 5-10 нм.

Строение клеточной мембраны

Методы цитологических исследований

Основными методами цитологических исследований являются световая и электронная микроскопия, т. е. использование световых и электронных микроскопов, позволяющих увидеть внешнее и внутреннее строения клеток.

Типы РНК

РНК (рибонуклеиновая кислота) сходна по химическому строению с ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислотой). Оба типа нуклеиновых кислот (РНК и ДНК) представляют собой полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Однако в каждый нуклеотид РНК вместо дезоксирибозы входит рибоза. Также вместо азотистого основания тимина в РНК входит урацил. Самым главным отличием молекулы РНК от ДНК следует считать то, что она состоит из одной цепочки (лишь у ряда вирусов РНК двухцепочечная).

Отличия ДНК и РНК

Молекулы ДНК состоят из двух цепей полинуклеотидов, РНК — из одной. Также обычно молекулы РНК короче ДНК.

В состав ДНК входят четыре азотистых основания — аденин, тимин, цитозин и гуанин. В состав РНК также входят четыре основания, но вместо тимина присутствует близкий по строению урацил.

В нуклеотид ДНК входит углевод дезоксирибоза, в то время как в нуклеотид РНК — рибоза. У рибозы, в отличие от дезоксирибозы, есть еще одна гидроксильная группа.

Как происходит редупликация

Редупликация (или репликация) ДНК — это процесс ее удвоения перед делением клетки.

Молекула ДНК сама по себе (без удвоения) представляет собой двойную спираль. В процессе редупликации водородные связи между двумя ее комплиментарными цепями разрываются. И на каждой отдельной цепи строится новая комплиментарная ей цепь. Таким образом образуются две молекулы ДНК. У каждой одна цепь достается ей от материнской ДНК, вторая — вновь синтезированная. Поэтому редупликацию ДНК называют полуконсервативной (одна цепь старая, одна новая).

Функции ДНК

ДНК хранит наследственную информацию в виде генов. Порядок нуклеотидов гена определяет порядок аминокислот в одном белке (или полипептиде, если белок состоит из нескольких полипептидных цепей). То есть ДНК кодирует белки организма. Далее белки определяют все остальное — строение, свойства, функции клеток и организма.

Как и когда происходит денатурация белка

Денатурация белка — это изменение белковой молекулы под действием тех или иных факторов. Изменение белковой молекулы заключается в утрате ей четвертичной (если она есть) и третичной структур, иногда вторичной и очень редко первичной.

Факторами, приводящими к денатурации, являются повышение температуры, изменение кислотности среды, действие растворителей, ультрафиолетовое излучение, тяжелые металлы и др.

Утрата белком его третичной структуры приводит к потере им своих свойств, и он уже не может выполнять свои функции.

Функции белка в организме

Белки в живых организмах выполняют множество важных функций. Поэтому в организмах существует множество различных белков.

Ферментативная функция белков заключается в том, что они служат катализаторами различных химических реакций, протекающих в организме. Ферментативную функцию по-другому называют каталитической. При катализе происходит ускорение химических реакций, причем это ускорение может быть даже в миллионы раз.

Структуры молекул белков

Белки — это органические вещества, состоящие из аминокислот. В состав белков входит в подавляющих случаях всего 20 аминокислот. Но поскольку белки — это высокомолекулярные соединения, то количество аминокислот в одном белке может быть огромным. Из-за разного количества аминокислот в белке и их различных комбинаций существует огромное множество различных белков.

Строение и функции углеводов

Углеводы, наряду с белками, жирами и нуклеиновыми кислотами, являются основными органическими веществами, составляющими живые организмы. Название углеводов происходит от углерода (C) и воды (H2O), так как их формулу можно записать как Cn(H2O)m. Структурная же формула содержит карбонильную группу (-C=O) и несколько гидроксильных групп (-OH).

Роль липидов в организме

К липидам относятся непосредственно жиры, а также различные жироподобные вещества и воски. Липиды — это низкомолекулярные органические молекулы, т. е. они не являются полимерами как белки и ряд углеводов, а аналогичны по сложности строения, например, аминокислотам, составляющим белки.

Биологическая роль воды

В живых организмах содержатся не только органические вещества, но и неорганические. В основном это вода и растворенные в ней минеральные соли (в виде анионов и катионов).
Роль воды для живых организмов и жизни огромна. В том числе и благодаря воде стало вообще возможно такое явление природы как жизнь.

Химические элементы живых организмов

Несмотря на то, что в живых организмах обнаружено большинство существующих химических элементов, их соотношение сильно отличается от неживой природы. Это отличие является общим для всех форм жизни на Земле, что говорит либо об универсальности проявления жизни, либо о единстве происхождения всех организмов.

Положения клеточной теории

Клеточная теория является одним из обобщений в биологии. Впервые она была сформулирована М. Шлейденом и Т. Шванном в первой половине XIX века. С развитием биологии положения клеточной теории дополнялась и уточнялись.

Основным моментом в клеточной теории является утверждение единства клеточного строения всех живых организмов, что говорит о их общем происхождении. Все живые организмы являются клеткой или состоят из клеток. Хотя вирусы не являются клетками, но они и неспособны к метаболизму и размножению вне клетки-хозяина.

История открытия клетки

Открытию клетки предшествовало изобретение микроскопа в конце XVI века (З. Янсен).

Первым, кто увидел клетки был Р. Гук (1665 г.). С помощью увеличительного прибора он рассматривал срезы тканей живых организмов. На срезе растительной пробки он увидел ячеистую структуру и назвал отдельные ячейки клетками. Гук считал, что сами ячейки — это пустота, а содержимое живого организма заключено в каркасе (клеточной стенке).

Чуть позже А. Левенгук, используя более совершенный микроскоп, увидел именно содержимое клеток, в том числе увидел бактерии.

Чем опасно нарушение углеводного обмена?

Одним из самых опасных заболеваний человека, связанным с нарушением углеводного обмена, является сахарный диабет. При этом заболевании количество глюкозы в крови высокое, но до клеток она не доходит. Однако глюкоза очень важна как первичный источник энергии для клеток. При ее снижении происходит нарушение жизнедеятельности нервных и мышечных клеток. Это может сопровождаться судорогами и обморочными состояниями.

Поэтому углеводы являются основным источником энергии для организма. (Глюкоза является продуктом расщепления других углеводов.)

Какие преимущества дает клеточное строение живым организмам?

Следует понимать, что этот вопрос в некоторой степени философский. Мы не знаем никакого иного строения живых организмов, кроме клеточного и, следовательно, можем видеть лишь его преимущества. Однако можно предположить, что какое-либо иное строение имело бы также какие-либо преимущества. Но возможно также, что клеточное строение наилучшая или единственная реализованная возможность природы для существования жизни.