Что значит пластическая функция
Лекция 14
Обмен веществ и энергии, или метаболизм,— совокупность химических и физических превращений веществ и энергии, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность. Обмен веществ и энергии составляет единое целое и подчиняется закону сохранения материи и энергии.
Обмен веществ складывается из процессов ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция (анаболизм) — процесс усвоения организмом веществ, при котором расходуется энергия. Диссимиляция (катаболизм) — процесс распада сложных органических соединений, протекающий с высвобождением энергии.
Единственным источником энергии для организма человека является окисление органических веществ, поступающих с пищей. При расщеплении пищевых продуктов до конечных элементов — углекислого газа и воды,— выделяется энергия, часть которой переходит в механическую работу, выполняемую мышцами, другая часть используется для синтеза более сложных соединений или накапливается в специальных макроэргических соединениях.
Макроэргическими соединениями называют вещества, расщепление которых сопровождается выделением большого количества энергии. В организме человека роль макроэргических соединений выполняют аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и креатинфосфат (КФ).
ОБМЕН БЕЛКОВ.
Белками (протеинами) называют высокомолекулярные соединения, построенные из аминокислот. Функции:
Структурная, или пластическая, функция состоит в том, что белки являются главной составной частью всех клеток и межклеточных структур. Каталитическая, или ферментная, функция белков заключается в их способности ускорять биохимические реакции в организме.
Защитная функция белков проявляется в образовании иммунных тел (антител) при поступлении в организм чужеродного белка (например, бактерий). Кроме того, белки связывают токсины и яды, попадающие в организм, и обеспечивают свертывание крови и остановку кровотечения при ранениях.
Транспортная функция заключается в переносе многих веществ. Важнейшей функцией белков является передача наследственных свойств, в которой ведущую роль играют нуклеопротеиды. Различают два основных типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).
Регуляторная функция белков направлена на поддержание биологических констант в организме.
Энергетическая роль белков состоит в обеспечении энергией всех жизненных процессов в организме животных и человека. При окислении 1 г белка в среднем освобождается энергия, равная 16,7 кДж (4,0 ккал).
Потребность в белках. В организме постоянно происходит распад и синтез белков. Единственным источником синтеза нового белка являются белки пищи. В пищеварительном тракте белки расщепляются ферментами до аминокислот и в тонком кишечнике происходит их всасывание. Из аминокислот и простейших пептидов клетки синтезируют собственный белок, который характерен только для данного организма. Белки не могут быть заменены другими пищевыми веществами, так как их синтез в организме возможен только из аминокислот. Вместе с тем белок может замещать собой жиры и углеводы, т. е. использоваться для синтеза этих соединений.
Биологическая ценность белков. Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в организме человека и должны обязательно поступать с пищей в готовом виде. Эти аминокислоты принято называть незаменимыми, или жизненно-необходимыми. К ним относятся: валин, метионин, треонин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан и лизин, а у детей еще аргинин и гистидин. Недостаток незаменимых кислот в пище приводит к нарушениям белкового обмена в организме. Заменимые аминокислоты в основном синтезируются в организме.
Белки, содержащие весь необходимый набор аминокислот, называют биологически полноценными. Наиболее высока биологическая ценность белков молока, яиц, рыбы, мяса. Биологически неполноценными называют белки, в составе которых отсутствует хотя бы одна аминокислота, которая не может быть синтезирована в организме. Неполноценными белками являются белки кукурузы, пшеницы, ячменя.
Азотистый баланс. Азотистым балансом называют разность между количеством азота, содержащегося в пище человека, и его уровнем в выделениях.
Азотистое равновесие — состояние, при котором количество выведенного азота равно количеству поступившего в организм. Азотистое равновесие наблюдается у здорового взрослого человека.
Положительный азотистый баланс — состояние, при котором количество азота в выделениях организма значительно меньше, чем содержание его в пище, то есть наблюдается задержка азота в организме. Положительный азотистый баланс отмечается у детей в связи с усиленным ростом, у женщин во время беременности, при усиленной спортивной тренировке, приводящей к увеличению мышечной ткани, при заживлении массивных ран или выздоровлении после тяжелых заболеваний.
Азотистый дефицит (отрицательный азотистый баланс) отмечается тогда, когда количество выделяющегося азота больше содержания его в пище, поступающей в организм. Отрицательный азотистый баланс наблюдается при белковом голодании, лихорадочных состояниях, нарушениях нейроэндокринной регуляции белкового обмена.
Распад белка и синтез мочевины. Важнейшими азотистыми продуктами распада белков, которые выделяются с мочой и потом, являются мочевина, мочевая кислота и аммиак.
ОБМЕН ЖИРОВ.
Жиры делят на простые липиды (нейтральные жиры, воски), сложные липиды (фосфолипиды, гликолипиды, сульфолипиды) и стероиды(холестерин и др.). Основная масса липидов представлена в организме человека нейтральными жирами. Нейтральные жиры пищи человека являются важным источником энергии.При окислении 1 г жира выделяется 37,7 кДж (9,0 ккал) энергии.
Суточная потребность взрослого человека в нейтральном жире составляет 70—80 г, детей 3—10 лет — 26—30 г.
Нейтральные жиры в энергетическом отношении могут быть заменены углеводами. Однако есть ненасыщенные жирные кислоты — линолевая, линоленовая и арахидоновая, которые должны обязательно содержаться в пищевом рационе человека, их называют не заменимыми жирными кислотами.
Нейтральные жиры, входящие в состав пищи и тканей человека, представлены главным образом триглицеридами, содержащими жирные кислоты — пальмитиновую, стеариновую, олеиновую, линолевую и линоленовую.
В обмене жиров важная роль принадлежит печени. Печень — основной орган, в котором происходит образование кетоновых тел (бета-оксимасляная, ацетоуксусная кислоты, ацетон). Кетоновые тела используются как источник энергии.
Фосфо- и гликолипиды входят в состав всех клеток, но главным образом в состав нервных клеток. Печень является практически единственным органом, поддерживающим уровень фосфолипидов в крови. Холестерин и другие стероиды могут поступать с пищей или синтезироваться в организме. Основным местом синтеза холестерина является печень.
В жировой ткани нейтральный жир депонируется виде триглицеридов.
Образование жиров из углеводов. Избыточное употребление углеводов с пищей приводит к отложению жира в организме. В норме у человека 25—30% углеводов пищи превращается в жиры.
Образование жиров из белков. Белки являются пластическим материалом. Только при чрезвычайных обстоятельствах белки используются для энергетических целей. Превращение белка в жирные кислоты происходит, вероятнее всего, через образование углеводов.
ОБМЕН УГЛЕВОДОВ.
Биологическая роль углеводов для организма человека определяется прежде всего их энергетической функцией.Энергетическая ценность 1 г углеводов составляет 16,7 кДж (4,0 ккал). Углеводы являются непосредственным источником энергии для всех клеток организма, выполняют пластическую и опорную функции.
Суточная потребность взрослого человека в углеводах составляет около 0,5 кг. Основная часть их (около 70%) окисляется в тканях до воды и углекислого газа. Около 25—28% пищевой глюкозы превращается в жир и только 2—5% ее синтезируется в гликоген — резервный углевод организма.
Единственной формой углеводов, которая может всасываться, являются моносахара. Они всасываются главным образом в тонком кишечнике, током крови переносятся в печень и к тканям. В печени из глюкозы синтезируется гликоген. Этот процесс носит название гликогенеза. Гликоген может распадаться до глюкозы. Это явление называют гликогенолизом. В печени возможно новообразование углеводов из продуктов их распада (пировиноградной или молочной кислоты), а также из продуктов распада жиров и белков (кетокислот), что обозначается как гликонеогенез. Гликогенез, гликогенолиз и гликонеогенез — тесно взаимосвязанные и протекающие в печени процессы, обеспечивающие оптимальный уровень сахара крови.
В мышцах, так же как и в печени, синтезируется гликоген. Распад гликогена является одним из источников энергии мышечного сокращения. При распаде мышечного гликогена процесс идет до образования пировиноградной и молочной кислот. Этот процесс называют гликолизом. В фазе отдыха из молочной кислоты в мышечной ткани происходит ре-синтез гликогена.
Головной мозг содержит небольшие запасы углеводов и нуждается в постоянном поступлении глюкозы. Глюкоза в тканях мозга преимущественно окисляется, а небольшая часть ее превращается в молочную кислоту. Энергетические расходы мозга покрываются исключительно за счет углеводов. Снижение поступления в мозг глюкозы сопровождается изменением обменных процессов в нервной ткани и нарушением функций мозга.
Образование углеводов из белков и жиров (гликонеогенез). В результате превращения аминокислот образуется пировиноградная кислота, при окислении жирных кислот — ацетилкоэнзим А, который может превращаться в пировиноградную кислоту — предшественник глюкозы. Это наиболее важный общий путь биосинтеза углеводов.
Между двумя основными источниками энергии — углеводами и жирами — существует тесная физиологическая взаимосвязь. Повышение содержания глюкозы в крови увеличивает биосинтез триглицеридов и уменьшает распад жиров в жировой ткани. В кровь меньше поступает свободных жирных кислот. Если возникает гипогликемия, то процесс синтеза триглицеридов тормозится, ускоряется распад жиров и в кровь в большом количестве поступают свободные жирные кислоты.
Основы питания. Введение для чайников!
Введение
Дорогие друзья! Тема питания нереально огромная, и в одной статье ее просто невозможно раскрыть полностью. Именно поэтому в конкретно данной статье мы просто рассмотрим основные, так сказать, тезисные моменты, ну а в последующих выпусках мы с Вами будем более подробно изучать все вопросы, касающиеся питания.
Ну а сейчас хочу ознакомить Вас со следующими вопросами, которые будут рассмотрены в данной статье:
Что ж, поехали 
Что такое питание
В принципе, объяснять Вам, что такое питание, нет особой необходимости, ибо с данным процессом мы с Вами сталкиваемся ежедневно! И все же, в отношении термина «питание» можно сформулировать следующее определение:
Питание — это процесс употребления пищи живыми организмами в целях восполнения запасов энергии, снабжения организма «строительными материалами», протекания физиологических процессов жизнедеятельности, а также для укрепления иммунитета.
Исходя из этого, пища человека — это те или иные пищевые продукты, которые являются пригодными к употреблению человеком для реализации определенных функций питания. Продукты, потребляемые человеком, в зависимости от своего происхождения могут быть следующих видов:
Функции питания
Говоря о питании, необходимо упомянуть о важнейших его функциях, которые можно выделить, исходя из определения питания, данного выше. Итак, давайте перечислим функции питания и вкратце раскроем их суть!
1. Энергетическая функция питания
Наш организм — это сложная биологическая машина, а любой уважающей себя машине нужна энергия для тех или иных процессов. Для этого машину нужно заправлять топливом. Энергия нужна нам абсолютно и везде:
Энергию принято измерять в килокалориях (реже в килоджоулях). Так вот, друзья, наш организм не может получать те самые килокалории из ничего!
Для того, чтобы наше тело восполняло запасы энергии, его необходимо подпитывать калориями извне! А для этого нам нужно питаться.
Если организму не хватает килокалорий энергии, поступающей с пищей, то организм начинает в качестве энергии использовать собственные резервные ресурсы — прежде всего, подкожный жир.
Помимо жира есть и гликоген — еще один депонированный источник энергии, по большей части накапливающийся в печени и мышцах. Ну а в крайних случаях, когда энергии нашему организму не хватает — он легко может пустить в расход собственные белковые ткани — например, мышцы. В частности, у бодибилдеров при резком сокращении углеводов в рационе очень часто «горят» собственные, с трудом наращенные мышцы!
2. Пластическая функция питания
Почти все ткани нашего организма участвуют в постоянном обмене: одни клетки «умирают», а другие синтезируются (создаются). То есть, если где-то что-то ушло, то оно должно откуда-то прийти. А откуда?
– Из питательных веществ, конечно же! Пищевой рацион должен обязательно содержать необходимое количество макро- и микронутриентов в оптимальном соотношении, иначе организму не из чего будет строить новые клетки, а это может стать причиной серьезных проблем со здоровьем!
Также помимо обновления клеток может происходить и гиперплазия — увеличение количества самих клеток! Помимо самих клеток могут обновляться и увеличиваться и уменьшаться (в количестве) отдельные внутриклеточные органеллы.
Иными словами, пластическая функция питания заключается в строительстве новых клеток организма, в обновлении клеток и внутриклеточных органелл. Кстати, говоря о строительных материалах, нельзя забывать про воду, ибо мы на 2/3 состоим из нее!
3. Участие в биохимических и физиологических процессах
Для регулирования определенных физиологических и биохимических процессов наше тело создает различные гормоны и ферменты, а для их выработки также необходимо наличие компонентов, содержащихся в пище!
Также некоторые процессы не могут протекать без определенных веществ, поступающих извне! Например, для мышечного сокращения необходимо некоторое количество кальция и т.д.
4. Выработка иммунитета
Если Вы, не дай Бог, подхватите какую-либо инфекцию, то ответ на вопрос «справится Ваш организм с ней, или нет» — во многом это зависит от качества вашего питания!
Что такое нутриенты
Друзья, в начале статьи мы говорили о пищевых продуктах, потребляемых человеком. Так вот, эти продукты мы потребляем не просто так, а потому что данные продукты состоят из определенных нутриентов, необходимых для нормальной жизнедеятельности организма.
Нутриенты (лат. nutritio — «питание» ), или пищевые вещества — это, как раз, те самые вещества, содержащиеся в пищевых продуктах, которые необходимы организму для реализации функций питания, о которых мы говорили выше.
Микронутриенты
Я думаю, приставки «микро» и «макро» уже наталкивают Вас на мысль, что разница между этими понятиями кроется лишь в количественном значении. И все же:
Микронутриенты — это нутриенты (пищевые вещества), нужные нашему организму в мизерных количествах, которые измеряются миллиграммами, либо микрограммами (речь идет о суточной потребности).
Как Вы уже догадались, речь идет прежде всего о витаминах, минералах и различных биоэлементах, необходимых организму для определенных процессов.
Что касается остальных двух функций, то микронутриенты не являются источниками энергии либо строительного материала для клеток организма.
Макронутриенты
Основные макронутриенты:
Помимо количественной классификации все нутриенты делятся на:
Более подробно о каждом из нутриентов мы с вами будем говорить в отдельных статьях. Поэтому обязательно подпишитесь на обновления блога
Заключение
В общем, друзья, это была вводная статья, в которой мы рассмотрели самые простые и базовые моменты, касающиеся питания. Если я что-то пропустил, либо Вы что-то хотите спросить — смело пишите нам через специальную форму на страничке Фитнес! Я обязательно Вам отвечу!
Исследования показали, что люди, кликающие по социальным кнопочкам, становятся здоровее!
Пластическая функция пищевых веществ
Пищевые вещества (белки, жиры, углеводы, витамины, минеральные вещества) являются важным источником материала для построения клеток и тканей, ферментов, гормонов и других жизненно важных веществ; они используются в качестве биокатализаторов. В организме человека непрерывно происходят процессы обновления различных элементов клеток и тканей. Одни клетки погибают, а вместо них появляются другие. Все это требует постоянного притока в организм пищевых веществ.
Основным пластическим материалом для живых организмов являются белки. Обмен белков как центральное звено биохимических процессов лежит в основе жизни. Белки составляют примерно 15—20% сырой массы различных тканей организма человека, а липиды (жиры) и углеводы — всего 1—5%. Из белков и липидов построены биологические мембраны, выполняющие важнейшую роль в функции клеток. Мышечная ткань, сердце, печень, мозг и даже кости содержат значительное количество белков.
Единственным источником белков и незаменимых аминокислот для человека является пища: почти во всех продуктах, за исключением сахара и растительных масел, присутствуют различные белки. Вследствие умеренного нагревания и варки питательная ценность белковых продуктов увеличивается, они лучше усваиваются.
Белки составляют основу большинства ферментов. В построении сложных ферментов принимают участие и другие вещества, например витамины. Ферменты выполняют основные функции при обмене веществ, построении специфических для человека клеточных структур. При помощи ферментов в организме синтезируются энергетические вещества, которые разрушаются с выделением требуемой организму энергии.
Важная функция белков состоит в обеспечении защитных свойств, тканевой специфичности организма, его иммунитета. В сложных соединениях с липидами, углеводами, витаминами, минеральными солями, металлами, пигментами, лекарственными средствами и даже кислородом белки выполняют функцию транспорта этих веществ к различным органам и тканям. Они способствуют поддержанию определенного количества воды в клетках и межклеточном пространстве.
Жиры и жироподобные вещества (липоиды) являются структурными элементами живой клетки и обеспечивают физиологические функции организма.
Жировой слой вокруг внутренних органов брюшной полости защищает их от механического повреждения. В подкожной клетчатке жиры как плохой проводник тепла ограничивают теплоотдачу и защищают организм от переохлаждения.
Минеральные вещества участвуют в обменных процессах клеток различных тканей. Особое значение приобретают минеральные вещества в построении костной ткани, плотность и устойчивость которой к физическим нагрузкам зависит от содержания кальция и фосфора. Без минеральных веществ в организме не могли бы осуществляться многие ферментативные процессы. Минеральные вещества влияют на кроветворение, поддерживают осмотическое давление в клетках и внеклеточной жидкости, участвуют в переносе кислорода к тканям, входят в состав многих гормонов и других биологически активных соединений.
Вода и продукты ее диссоциации являются составными частями живой клетки. Только в водной среде могут протекать многие биохимические реакции. В организме взрослого человека с массой тела 65 кг содержится около 40 л воды, из которой 25 л находится внутри клеток и 15 л — во внеклеточной жидкости. Обмен воды в организме проходит очень интенсивно. Около 2,5 л воды ежедневно выделяется с мочой, калом и выдыхаемым воздухом. Потоотделением регулируется постоянство температуры тела. При повышении температуры окружающей среды или интенсивной физической работе потоотделение резко усиливается. В отдельных случаях количество пота, выделяемого человеком за сутки, может достигать 10 л. Вот почему регулярное потребление воды является важным фактором поддержания постоянства внутренней среды организма, а также структуры и функций всех клеток и тканей.
Таким образом, все пищевые вещества, поступающие в организм, играют определенную пластическую роль в структуре тканей, клеток, внутриклеточных образований и биологически активных веществ, выполняющих различные физиологические функции.
Урок Бесплатно Метаболизм. Пластический обмен
Введение
Нашему организму для жизни постоянно необходимы следующие составляющие :
На уроках в школе организм школьника в ходе умственной и физической деятельности затрачивает много энергии.
Например, за 6 уроков школьник весом 45 кг тратит около 324 ккал (1356 кДж) энергии.
Для того чтобы эта энергия была, необходимы питательные вещества, которые поступают в наш организм с пищей.
Метаболизм (обмен веществ)
Метаболизм- это совокупность протекающих в живых организмах биохимических превращений веществ и энергии, а также обмен веществами и энергией с окружающей средой.
Одним из критериев живого как раз считается метаболизм.
Вещества, поступившие в организм в ходе процесса обмена веществ, претерпевают различные химические превращения, благодаря чему выделяется или поглощается энергия, столь нужная организму, образуются простые вещества для построения структур клетки, тканей и органов.
Можно сказать, что метаболизм складывается из двух взаимосвязанных и противоположных процессов:
При энергетическом обмене образуется несколько видов энергии:
Организм человека для своего существования главным образом использует химическую энергию.
В таблице приведены данные о количестве энергии, выделяемой при распаде органических веществ:
Вещество
Сколько энергии выделяется
На что расщепляются
Дополнения
При окислении 1 г белка выделяется 17,2 кДж (4,1 ккал)
Распадаются на аминокислоты
В процессе обмена веществ белки окончательно распадаются до углекислого газа, воды, азотсодержащих веществ
При распаде 1 г жира выделяется 38,9 кДж (9,3 ккал)
Распадаются на жирные кислоты и глицерин
Молекулы жиров состоят из углерода, кислорода и водорода.
При полном их окислении из них образуется вода и углекислый газ
При распаде 1 г углеводов выделяется 17,2 кДж (4,1 ккал) энергии.
Распадаются в процессе пищеварения до простого сахара глюкозы
Основная часть глюкозы окисляется в организме до углекислого газа и воды
Пластический обмен необходим для «строительства» утраченных частей, создания новых клеток, для роста и развития не только клеток, но и всего организма.
Соотношение равновесия или неравновесия анаболизма и катаболизма зависит от возраста.
У детей преобладают анаболические процессы, то есть дети активно и быстро растут, увеличивают массу тела.
У взрослых оба процесса находятся в равновесии, но их соотношение может меняться в зависимости от состояния здоровья, физической и психоэмоциональной нагрузки.
У пожилых преобладают процессы катаболизма, что приводит к частичному разрушению тканевых структур, уменьшению массы тела, требуется больше энергии для поддержания гомеостаза.
Функции обмена веществ:
Скорость обмена веществ
Стоит отметить, что обмен веществ в живом организме идет непрерывно, даже в состоянии полного покоя, хотя и интенсивность его замедляется.
Скорость обмена веществ оценивают по общему расходу энергии.
Если организм выполняет большую физическую нагрузку, то расход энергии будет большой, помимо физической работы, на скорость обмена веществ могут влиять возраст, пол и другие факторы.
Непосредственным помощником в реакциях обмена веществ служат ферменты.
Ферменты- это биологические катализаторы, которые участвуют во всех химических реакциях расщепления веществ, осуществляют превращение веществ в организме и ускоряют все процессы, направляя и регулируя тем самым обмен веществ.
Факторы, влияющие на скорость метаболизма:
Если в окружающей среде температура низкая, то для того чтобы поддержать постоянную температуру тела срабатывают защитные механизмы и обмен веществ усиливается, выделяется больше энергии для согревания организма.
У некоторых организмов, наоборот, происходит замедление обмена веществ при пониженной температуре- впадают в спячку пресмыкающиеся, некоторые млекопитающие и насекомые
Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации
Пластический обмен. Биосинтез белка. Генетический код
Белковые молекулы являются неотъемлемой частью клетки, без которых она не сможет существовать, ведь белки выполняют в организме множество функций: они входят в состав мембран, гормонов, ферментов, мышечных волокон и др.
Организмы, будь то растения, животные, бактерии имеют строго определенный набор белковых молекул.
Именно белки и различия в их структуре формируют индивидуальный и неповторимый набор признаков у особи, у целых популяций и видов.
За сутки в организме человека распадается около 400 грамм различных белков, следовательно, такую же массу нужно образовывать снова, поэтому в клетке происходит постоянный процесс образования белков, что является одним из примеров пластического обмена.
Пластический обмен— совокупность реакций образования органических веществ в клетке с использованием энергии.
Биосинтез белка, фотосинтез, синтез нуклеиновых кислот- это примеры пластического обмена, во время которых образуются органические вещества.
Значение пластического обмена:
Один из самых важных процессов пластического обмена- это синтез белка.
Синтез белка
Вещества и структуры клетки участвующие в биосинтезе белка:
Вещества и структуры клетки
Функции в биосинтезе белка
Содержит информацию о структуре белка, служит матрицей для синтеза белка и для всех видов РНК
иРНК (информационная или матричная РНК)
Переносит информацию от ДНК к месту сборки белковой молекулы.
Содержит генетический код
Переносит кодирующие аминокислоты к месту биосинтеза на рибосоме.
Органоид, где происходит биосинтез белка
Катализируют биосинтез белка
Строительный материал для построения белковой молекулы
Вещество, обеспечивающее энергией все процессы биосинтеза белка и других процессов пластического обмена
Автотрофные организмы (растения) образуют белок из неорганических веществ.
Гетеротрофные организмы (животные) образуют белок из аминокислот.
Важно помнить, что белок состоит из аминокислот, то есть аминокислота является мономером белка (самой мельчайшей составляющей молекулы белка).
20 Аминокислот (АК) в различных комбинациях формируют огромное множество белковых молекул.
У меня есть дополнительная информация к этой части урока!
Человеческий организм самостоятельно может образовывать из 20 аминокислот всего 12, которые называют заменимые.
Остальные восемь аминокислот должны поступать в организм в готовом виде вместе с белками пищи, поэтому они называются незаменимыми.
Незаменимые аминокислоты:
Если в организм не попали какие-либо нужные аминокислоты, которые необходимы для срочного построения белка, то организм может предпринять меру по разрушению собственных белков, содержащих эту же аминокислоту.
Большинство животных белков содержат все восемь незаменимых аминокислот в достаточных количествах.
В растительной пище также есть белки с незаменимыми аминокислотами, например у бобовых растений очень большее их содержание.
Но не вся растительная пища так богата аминокислотами, уровень некоторых незаменимых аминокислот бывает очень низок.
Генетический код
Каким же образом происходит синтез такой большой и сложной белковой молекулы?
Конечно, основная роль в определении структуры белка и последовательность аминокислот в белке принадлежит молекулам ДНК.
ДНК- носитель всей генетической информации в клетке, но непосредственного участия в синтезе белков не принимает, хотя одна молекула ДНК содержит информацию о нескольких десятков белков.
Из предыдущих уроков мы помним, что молекула ДНК очень длинная и разные ее участки отвечают за образование определенного вида белка.
Участок ДНК, определяющий синтез одной молекулы белка называется ген.
Ген представляет собой участок двойной спирали ДНК, который содержит информацию о первичной структуре какого-то одного белка.
Информация о белке может быть записана в нуклеиновой кислоте только одним способом: в виде последовательности нуклеотидов.
В ДНК содержится информация о последовательности аминокислот всех белков организма. Именно эта информация и называется генетической (наследственной) информацией.
Генетический код- запись наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах.
Схематично это выглядит так:
Реакции синтеза органического вещества на основе другой органической молекулы (матрицы) относят к реакциям матричного синтеза.
Биосинтез белка происходит на основе иРНК, являющейся матрицей в процессе его создания.
Одна аминокислота белка закодирована тремя нуклеотидами, и эта комбинация из трех нуклеотидов ДНК называется триплет, или кодон.
В настоящее время генетический код полностью расшифрован.
Ниже представлена таблица с аминокислотами, их название сокращено.
Генетический код (основания без скобок- это основания иРНК; в скобках красным цветом- это основания ДНК)
Как пользоваться таблицей генетического кода?
В таблице представлены три вида оснований (первое, второе и третье), обратите внимание на то, что они даются в двух вариантах: без скобок- нуклеотиды РНК, а в скобках- нуклеотиды ДНК.
Пользоваться ей не сложно.
Предположим, нам известно, что в ДНК есть участок со следующим составом нуклеотидов АЦЦ- ЦТТ- АТЦ. Таким образом мы имеем три триплета. Определим аминокислоты, которые закодированы этими триплетами.
Ищем основания, что в скобках (так как нам дана ДНК), но чаще в задачах необходимо найти аминокислоты, которые кодирует участок иРНК, поэтому ДНК обычно не ищут и на самом экзамене в задачах дается таблица с основаниями только для иРНК.
Первый триплет ДНК: А-Ц-Ц, смотрим в таблице первое основание (А), это первый горизонтальный столбец.
Далее ищем второе основание (Ц) на пересечении этих двух столбцов видим прямоугольник, в котором расположены четыре аминокислоты. Далее в крайнем правом столбце находим третье основание (Ц), это четвертая строчка, там указана аминокислота Три (триптофан).
Зная алгоритм действия, мы можем решать биологические задачи и расшифровывать генетический код ДНК, используя таблицу Генетического кода.
Продолжим решать нашу задачу до конца, Ц-Т-Т кодирует аминокислоту Глу (глутаминовая кислота).
АТЦ- прочерк- это стоп-кодон, он не кодирует ни одну аминокислоту и означает конец синтеза данного белка.
Таким образом мы расшифровали генетический код и перевели его в аминокислотный состав белка.
Генетический код обладает рядом свойств:
1. Код триплетный
Необходимо закодировать 20 аминокислот всего четырьмя нуклеотидами.
Если бы один нуклеотид кодировал одну аминокислоту, то возможно было закодировать только 4 аминокислоты.
Для того, чтобы закодировать 20 аминокислот, нужны комбинации из нескольких нуклеотидов.
Если взять комбинации из двух нуклеотидов, то мы получим 4 2 =16 различных комбинаций- этого недостаточно, так как у нас 20 аминокислот.
Комбинаций из трёх нуклеотидов будет уже 64 (4 3 = 64), т. е. даже больше, чем нужно, поэтому код триплетный, то есть одну аминокислоту могут кодировать три нуклеотида (триплет).
2. Код обладает свойством однозначности и вырожденности
Кажется непонятным- для чего необходимы 64 комбинации нуклеотидов, ведь аминокислот всего 20?
Оказывается, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (до 6), что позволяет разнообразить генетический материал.
Например, один и тот же белок у бактерии кишечной палочки и вируса табачной мозаики записаны разными триплетами.
Также разные триплеты по-разному распознаются, что влияет на скорость синтеза белка рибосомами и повышается надежность кодирования информации.
Способность разных кодонов кодировать одну аминокислоту называется вырожденностью кода.
В дальнейшем было выяснено, что существуют три триплета, не кодирующие аминокислоты- это стоп-кодоны, они означают конец синтеза одного белка.
Однако, несмотря на вырожденность, в генетическом коде полностью отсутствует двусмысленность. Кодоны РНК- ГАА и ГАГ кодируют аминокислоту глутамат, но ни один из них не кодирует одновременно ещё какую-то аминокислоту, т.е. каждый триплет кодирует строго одну определённую аминокислоту- это свойство генетического кода называется однозначность.
3. Генетический код универсален
Гены всех организмов одинаковым образом кодируют информацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.
К примеру, белок актин есть в составе цитоскелета вирусов и мышц человека.
Аминокислоты этого белка могут кодироваться одинаковыми последовательностями нуклеотидов в цепи ДНК, что в организме вируса, что в клетке человека.
Но не нужно забывать и про свойство вырожденности кода. То есть не всегда одна аминокислота кодируется одинаковыми последовательностями нуклеотидов у разных организмов.
Это свойство имеет большое практическое значение и активно используется в генной инженерии. Благодаря универсальности генетического кода мы можем заставить гены одного организма работать в другом организме и производить функционально активные белки.
Так ген для гормона роста переносят в бактерию, чтобы она была способна производить его. Таким образом получают гормон роста для медицинских целей, который в обычном организме производится в очень небольших количествах.
Таким же генно-инженерным способом научились производить гормон инсулин.
Однако универсальность генетического кода оказалась не абсолютной.
4. Внутри гена нет «знаков препинания»- свойство компактности
Между кодонами внутри одного гена нет знаков препинания.
Иными словами, триплеты не отделены друг от друга, к примеру, одним ничего не значащим нуклеотидом.
Отсутствие в генетическом коде «знаков препинания» было доказано в экспериментах Ф.Крика и С. Бреннера.
В ходе этих экспериментов учёные при помощи мутагенных веществ (акридиновых красителей) вызывали в генах возникновение определённого типа мутаций- выпадения или вставки 1 нуклеотида.
Оказалось, что выпадение или вставка 1 или 2 нуклеотидов всегда вызывает поломку кодируемого белка, а вот выпадение или вставка 3 нуклеотидов (или числа, кратного 3) практически не сказывается на функции кодируемого белка.
5. Неперекрываемость (дискретность)
Код может быть перекрывающимся и не перекрывающимся.
У большинства организмов код не перекрывающийся, исключением являются вирусы.
Сущность не перекрывающего кода заключается в том, что нуклеотид одного триплета не может быть одновременно нуклеотидом другого триплета.
6. Полярность
Считывание информации с ДНК и с иРНК происходит только в одном направлении.
Полярность имеет важное значение для определения структур белка (первичной, вторичной и третичной).
Этапы биосинтеза белка
Процесс биосинтеза белка можно разделить на два этапа:
Для того чтобы понять этапы биосинтеза белка необходимо вспомнить основные понятия.
ДНК и РНК состоят из множества нуклеотидов.
Нуклеотид— это мономер нуклеиновых кислот.
Целый нуклеотид принято обозначать каким- либо одним азотистым основанием, например, А (аденин) или Г(гуанин).
Последовательность трех нуклеотидов называют триплетом (кодон) и он обозначается, например, АГЦ.
Первый этап биосинтеза белка- транскрипция
Транскрипция— это процесс переписывания информации с последовательности нуклеотидов ДНК в последовательность нуклеотидов РНК. Этот процесс происходит в ядре клетки.
При этом против каждого нуклеотида одной из цепей ДНК встает комплементарный ему нуклеотид иРНК.
Транскрипции предшествует процесс раскручивания участка ДНК.
Двойную спираль ДНК разрывает фермент ДНК- полимераза и далее начинается считывание информации с одной спирали ДНК и формирование матричной РНК (иРНК) за счет работы РНК- полимеразы.
Процесс переписывания информации идет по принципу комплементарности.
Комплементарность- это взаимное дополнение азотистых оснований в молекуле ДНК и РНК.
Комлементарность нуклеотидов ДНК к РНК:
Так как в одной молекуле ДНК может находиться множество генов, то очень важно, чтобы РНК-полимераза начала синтез иРНК со строго определенного места ДНК, иначе в структуре иРНК будет записана информация о белке, которого нет в природе, что может привести к повреждению синтезируемой молекулы белка.
Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором.
РНК-полимераза «узнает» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки иРНК с нужного места.
Фермент продолжает синтезировать иРНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, до тех пор, пока не дойдет до очередного «стоп- кодона» (терминатора) в молекуле ДНК (это последовательность нуклеотидов, указывающая на то, что синтез иРНК нужно прекратить).
После копирования, сформированная иРНК выходит из ядра клетки в цитоплазму к рибосоме и начинается второй этап биосинтеза белка.
У меня есть дополнительная информация к этой части урока!
Ученые «увидели» как мРНК выходят из ядра.
Создав микроскоп, способный достичь не виданного ранее разрешения, ученые из Колледжа медицины Альберта Эйнштейна впервые увидели транспорт мРНК через ядерные поры живых клеток в режиме реального времени.
Ученые увидели, что через саму пору ядра мРНК проходит всего за 5 миллисекунд, но стыковка с порой занимает 80 миллисекунд ожидания.
И еще 80 миллисекунд мРНК ждет на другом конце поры, прежде чем перейти в цитоплазму.
10 процентов молекул мРНК остаются у ядерных пор, ожидая доступа, даже в течение секунд, а не миллисекунд.
Ученые предполагают, что в этих точках ожидания мРНК подвергаются проверке на качество.
Это открытие поможет понять, как лечить некоторые болезни, к примеру болезнь миотоническая дистрофия. В клетках таких больных молекулы мРНК не могут выйти из ядра и попасть в цитоплазму
Прежде чем переходить к рассмотрению второго этапа биосинтеза белка давайте поймем принцип комплементарности и попробуем решить задачи.
Задача
Фрагмент цепи ДНК имеет последовательность нуклеотидов:
Постройте мРНК по принципу комплементарности.
Решение:
Мы знаем принцип комплементарности
Если на ДНК нуклеотид А, то ему по принципу комплементарности соответствует нуклеотид У на мРНК.
Если на ДНК нуклеотид Г, то на мРНК это нуклеотид Ц и так далее.
Таким образом дописываем цепь мРНК, используя принцип комплементарности:
цепь ДНК: А-Г-Ц-Т-А-Ц-Г-А-Т
цепь иРНК: У-Ц-Г-А-У-Г-Ц-У-А
Второй этап биосинтеза белка- трансляция
Трансляция— перевод последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот белка.
Триплет нуклеотидов на верхушке тРНК называется антикодон.
Кодон- это триплет нуклеотидов на иРНК.
У эукариотических организмов иРНК синтезируется в ядре, потом она переносится через ядерную мембрану в цитоплазму к месту синтеза белка- рибосомам.
В цитоплазме обязательно должен иметься полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков.
Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей.
Аминокислоты должны попасть на рибосому, а переносит их к рибосоме транспортная РНК (тРНК).
К одной транспортной РНК прикрепляется одна аминокислота, для каждой аминокислоты существует своя тРНК.
На одном конце транспортной РНК имеется структура «черешок», к которой прочно прилепляется аминокислота.
На верхушке тРНК находится триплет нуклеотидов (антикодон), который соответствует по коду данной аминокислоте.
Триплет нуклеотидов на верхушке т-РНК называется антикодон.
В основном все белки (за исключением некоторых случаев) начинаются с аминокислоты метионин, закодированный кодоном АУГ, который является знаком начала трансляции.
Рибосома взаимодействует с иРНК именно с того конца, где находится код метионина АУГ.
После связывания рибосома начинает двигаться по иРНК, от 3 штрих конца к 5 штрих концу, задерживаясь на каждом ее участке, состоящим из 6 нуклеотидов (2 кодона).
Время задержки составляет всего 0,2 с.
За это время молекула тРНК, несущая аминокислоту, успевает распознать комплементарный триплет, то есть антикодон тРНК по принципу комплементарности соответствует кодону иРНК.
Далее аминокислота отделяется от «черешка» тРНК и присоединяется с образованием пептидной связи к растущей цепочке белка.
В тот же самый момент к рибосоме подходит следующая т-РНК, антикодон которой комплементарен следующему триплету в иРНК, и следующая аминокислота, принесенная этой тРНК, включается в растущую цепочку белка.
После этого рибосома сдвигается по иРНК, задерживается на следующих нуклеотидах, и все повторяется сначала.
Далее рибосома доходит до одного из так называемых стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА), которые не кодируют аминокислоту и сигнализируют о завершении синтеза данного белка.
Белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует определенную структуру (первичную, вторичную, третичную, четвертичную в зависимости от функции молекулы белка).
Процесс синтеза белка осуществляется за очень короткие промежутки времени.
Подсчитано, что на синтез крупной молекулы белка, состоящего из 300 аминокислотных остатков уходит всего около одной- двух минут. А, например, на синтез актина, который состоит из 376 аминокислот уйдет чуть больше минуты.
У меня есть дополнительная информация к этой части урока!
Молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей.
Одна из них содержит 21 аминокислотный остаток (цепь А), вторая- 30 аминокислотных остатков (цепь В).
В 1963 г. был синтезирован первый искусственный белок- инсулин.
Сейчас методы синтеза белков значительно усовершенствованы и их синтез не является проблемой.
Клетке необходима не одна, а множество молекул каждого белка, поэтому, как только рибосома, первой начавшая синтез белка на молекуле иРНК, продвигается вперед, тут же на эту иРНК нанизывается вторая рибосома, которая начинает синтезировать такой же белок.
На одну иРНК может быть нанизана и третья, и четвертая рибосома, и т. д.
Поэтому рибосомы можно назвать «заводом» по производству белков.
Все рибосомы, синтезирующие белок на одной молекуле иРНК, называются полисомой.
Когда синтез белка окончен, рибосома может связаться с другой молекулой иРНК и начать синтезировать новый белок, закодированный в этой молекуле иРНК.
Последовательность аминокислот в первичной структуре белка не зависит от рибосом, а определяется только последовательностью нуклеотидов иРНК.
Таким образом, трансляция— это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка.
Краткая схема биосинтеза белка:
Этапы биосинтеза белка:
Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации
Регуляция биосинтеза белка в клетке и организме
Оперон и репрессор
Гены всех организмов одинаковым образом кодируют информацию о белках вне зависимости от уровня организации и систематического положения этих организмов.
В этих генах записана информация о всех белках, которые способен синтезировать любой живой организм.
То есть клетка растения, к примеру, может синтезировать любой белок, который характерен для человека и эту способность используют в генной инженерии.
Сразу хочется задать такой вопрос: почему же клетки, содержащие в своем ядре одинаковую генетическую информацию, не производят различные белки и не синтезируют сразу все белки?
Ответ лежит в изучении механизмов контроля синтеза белка в клетках, хотя природа регуляторных процессов изучена недостаточно.
Среди теорий, объясняющих природу регуляторных процессов, наибольшую популярность приобрела «теория оперона», сформулированная Ф. Жакобом и Ж. Моно на основании исследования синтеза ферментов у бактерий.
Генетической единицей механизма регуляции синтеза белков следует считать оперон.
В состав оперона прокариот входят:
1. Структурные гены
2. Регуляторные элементы
На работу оператора оперона влияет самостоятельный регуляторный ген, синтезирующий соответствующий регуляторный белок-репрессор или белок- активатор.
Ген-регулятор не обязательно располагается рядом с опероном.
Если на операторе белок репрессор, то РНК- полимераза не может начать синтез иРНК, так как не может связаться с промотором.
Если на операторе белок-активатор, то его можно сравнить с клеем, который склеивает РНК-полимеразу и оперон.
В итоге РНК-полимераза находит промотор и начинается синтез иРНК.
РНК-полимераза продвигается по структурному гену ДНК и считывает информацию, переводя ее в нуклеотиды иРНК.
После того как РНК-полимераза дошла до терминатора, синтез на иРНК заканчивается. Затем РНК-полимераза отделяется от участка ДНК и направляется снова на процесс образования иРНК.
Образовавшаяся иРНК покидает ядро и направляется в цитоплазму, где и происходит образование белка на рибосомах.
У эукариот регуляция синтеза белка намного сложнее и еще недостаточно изучена, но известно следующее:
Стоит отметить, что синтез белка требует от клетки больших энергетических затрат.
У меня есть дополнительная информация к этой части урока!
Можно было бы предположить, что часть «неработающих» генов в тех или иных клетках утрачивается и разрушается, однако целый ряд экспериментов доказал, что это не так.
Из клетки кишечника головастика при определенных условиях можно вырастить целую лягушку, что возможно только в том случае, если в ядре этой клетки сохранилась вся генетическая информация.
Следовательно, в каждой клетке многоклеточного организма используется только часть генетической информации, содержащейся в ее ДНК.
Значит, должны иметь место механизмы, «включающие» или «выключающие» работу того или иного гена в разных клетках»
Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации