Los antibióticos son productos de desecho especiales de microorganismos y sus modificaciones que tienen una alta actividad fisiológica contra ciertos grupos de microorganismos (virus, bacterias, hongos, algas) o tumores malignos. Las ideas tradicionales sobre los antibióticos están asociadas con su uso generalizado en la medicina moderna y la medicina veterinaria. Algunos antibióticos se utilizan como estimulantes del crecimiento animal, en la lucha contra enfermedades de las plantas, en la conservación de alimentos y en la investigación científica (en el campo de la bioquímica, la biología molecular, la genética, la oncología). De acuerdo con la clasificación, que se basa en la estructura química, los antibióticos se pueden dividir en los siguientes grupos:
1. Compuestos acíclicos (excluidos ácido graso y terpenos)
2. Compuestos alicíclicos (incluidas las tetraciclinas)
3. Compuestos aromáticos
5. Heterociclos que contienen oxígeno.
7. Péptidos
Actualmente, existen tres métodos para obtener antibióticos: biológico, método de obtención de fármacos semisintéticos y de síntesis. compuestos químicos- análogos de los antibióticos naturales.
Antibióticos sintéticos
El estudio de la estructura química de los antibióticos permitió obtenerlos mediante síntesis química. Uno de los primeros antibióticos obtenidos por este método fue el cloranfenicol. Grandes avances en el desarrollo y la química han llevado a la creación de antibióticos con cambios específicos en las propiedades, acción duradera y activos contra estafilococos resistentes a la penicilina. Los fármacos de acción prolongada incluyen ecmonovocilina y bicilina 1,3,5.
Antibióticos semisintéticos
Se preparan mediante un método combinado: mediante síntesis biológica se obtiene el núcleo principal de la molécula antibiótica nativa, y mediante síntesis química, cambiando parcialmente la estructura química, se obtienen fármacos semisintéticos. Un gran logro es el desarrollo de un método para producir penicilinas semisintéticas. El núcleo de la molécula de penicilina, el ácido 6-aminopenicilánico (6-APA), que tenía una débil actividad antimicrobiana, se extrajo mediante síntesis biológica. Añadiendo un grupo bencilo a la molécula de 6-APA se creó la bencilpenicilina, que ahora también se obtiene mediante síntesis biológica.
Ampliamente utilizada en medicina con el nombre de penicilina, la bencilpeicilina tiene una fuerte actividad quimioterapéutica, pero es activa sólo contra microbios grampositivos y no afecta a los microorganismos resistentes, especialmente los estafilococos, que forman la enzima β-lactamasa. La bencilpenicilina pierde rápidamente su actividad en ambientes ácidos y alcalinos, por lo que no se puede usar por vía oral, ya que se destruye en el tracto gastrointestinal. También se preparan fármacos semisintéticos a base de ácido 7-aminocefalospórico (7-ASA). Derivados de 7-ACC: cefalotina, cefaloridina (ceporia) no provocan reacciones alérgicas en personas sensibles a la penicilina. También se han obtenido otros antibióticos semisintéticos, por ejemplo, el rifampicip, un fármaco eficaz contra la tuberculosis.
Síntesis biológica
Completamente Estructura química Se ha identificado un tercio de los antibióticos conocidos y sólo la mitad de ellos pueden obtenerse mediante síntesis química. Por lo tanto micro síntesis biológica Obtener antibióticos es muy importante. La síntesis de antibióticos por microorganismos es una de las formas de antagonismo; está asociado a una determinada naturaleza del metabolismo, que surgió y se fijó durante su evolución, es decir, es una característica hereditaria expresada en la formación de una o más sustancias específicas, estrictamente específicas para cada tipo de antibiótico.
La producción industrial de antibióticos suele realizarse mediante biosíntesis e incluye las siguientes etapas:
· selección de cepas productoras de alto rendimiento (hasta 45 mil unidades/ml)
· elección del medio nutritivo;
· proceso de biosíntesis;
· aislamiento del antibiótico del líquido de cultivo;
· purificación de antibióticos.
Selección de cepas productoras de alto rendimiento. Las cepas naturales son en su mayoría inactivas y no pueden utilizarse con fines industriales. Por ello, tras seleccionar la cepa natural más activa, se utilizan diversos mutágenos para aumentar su productividad, provocando persistentes cambios hereditarios. Los mutágenos eficaces son mutágenos de naturaleza física: radiación ultravioleta y de rayos X, neutrones rápidos o productos químicos. El uso de mutágenos permite no sólo aumentar la productividad de una cepa natural, sino también obtener cepas con nuevas propiedades desconocidas para un microorganismo natural.
La selección de una composición racional de los medios nutritivos es de gran importancia para la biosíntesis de antibióticos. El concepto de "medio de cultivo" incluye no sólo una cierta composición cualitativa y cuantitativa de componentes o elementos individuales necesarios para el metabolismo constructivo y energético del cuerpo (fuentes de nitrógeno, carbono, fósforo, fuentes de varios microelementos, vitaminas y crecimiento sustancias), pero también fisicoquímicas y factores físicos(acidez activa, potencial redox, temperatura, aireación, etc.). Todos estos factores están interconectados y juegan un papel importante en el desarrollo de microorganismos.
Al seleccionar medios de la composición requerida, se deben tener en cuenta las características específicas del organismo cultivado. Esto es necesario para crear condiciones óptimas que promuevan el mejor crecimiento del microbio y la biosíntesis de los productos de desecho necesarios. Por ejemplo, si el cuerpo no puede sintetizar algunos compuestos esenciales para sus funciones vitales (como aminoácidos o vitaminas) a partir de sustancias simples del sustrato, entonces, para su desarrollo, se deben agregar a la composición aminoácidos o vitaminas ya preparados. Estos organismos "exigentes" incluyen algunos tipos de bacterias (bacterias del ácido láctico, etc.). Los actinomicetos y principalmente los mohos, por regla general, construyen las sustancias de su cuerpo y los productos finales del metabolismo, que tienen una composición bastante compleja, a partir de compuestos formados a partir de componentes simples del sustrato.
Métodos para cultivar productores de antibióticos.
En las condiciones modernas, el método de cultivo profundo se reconoce como el método más prometedor para cultivar microorganismos que producen antibióticos u otros compuestos biológicamente activos. El método consiste en que el microorganismo se desarrolla en la densidad de un medio nutritivo líquido, a través del cual se pasa continuamente aire estéril y se mezcla el medio.
Se pueden indicar cuatro modificaciones principales del método profundo de cultivo de microorganismos.
1. Cultivo por lotes. Con este método, todo el proceso de desarrollo de microorganismos se completa completamente en un fermentador, después de lo cual el fermentador se libera del líquido de cultivo, se lava a fondo, se esteriliza y se rellena con medio nutritivo fresco. Se inocula el medio con el microorganismo en estudio y se reanuda el proceso.2. Método de destete. El cultivo de microorganismos se realiza en fermentadores con muestreo periódico de parte del volumen del líquido de cultivo (del 30 al 60% del volumen total). El volumen del líquido de cultivo en el fermentador se lleva al nivel original con medio nutritivo fresco.
3. Método de batería. El desarrollo de microorganismos tiene lugar en una serie de fermentadores conectados secuencialmente. En una determinada etapa de desarrollo del microorganismo, el líquido de cultivo se bombea del primer fermentador al segundo, luego del segundo al tercero, etc. El fermentador vacío se llena inmediatamente con medio nutritivo fresco inoculado con el microorganismo. Con este método de cultivo de microorganismos, los contenedores se utilizan de forma más racional.
4. Cultivo continuo. El método es fundamentalmente diferente de las modificaciones indicadas del cultivo profundo de productores de antibióticos. Este método se basa en el hecho de que el desarrollo de un microorganismo se produce en condiciones de un flujo continuo de un medio nutritivo, lo que permite mantener el desarrollo del microorganismo en una determinada etapa de su crecimiento. La etapa de desarrollo de un microorganismo se determina en función de la más ventajosa para la máxima biosíntesis de un antibiótico u otro compuesto biológicamente activo.
Otro método de cultivo de microorganismos es el cultivo en superficie. El método de cultivo superficial en diversos medios de agar se utiliza ampliamente en la práctica de laboratorio y en algunos procesos industriales, en particular para la conservación de cultivos colectivos, para el estudio de las propiedades fisiológicas y bioquímicas de los microorganismos y con fines analíticos. A escala industrial, este método ha encontrado aplicación en la obtención de material de esporas para la producción de ácidos orgánicos utilizando mohos del género Aspergillus.
En el método de superficie, el cultivo del microorganismo productor se cultiva sobre la superficie de una capa delgada de medio líquido o sólido. Los medios nutrientes líquidos se utilizan principalmente en la producción de ácidos orgánicos (cítrico, itacónico), sólidos, en la producción de complejos a base de almidón y materias primas que contienen celulosa.
Los métodos para aislar antibióticos a partir del líquido de cultivo son muy diversos y están determinados por la naturaleza química del antibiótico. Se utilizan principalmente los siguientes métodos:
1. Sembrar una suspensión de tierra en agua sobre la superficie de una placa de agar. Una determinada muestra de suelo, bien molida en un mortero con un pequeño volumen de agua, se transfiere cuantitativamente a un matraz con agua esterilizada. Se agita el contenido del matraz durante 5 minutos, y luego se realizan una serie de diluciones sucesivas a partir de la suspensión acuosa, que se siembran en el medio aconsejable adecuado. Para obtener cultivos puros en el futuro, las colonias individuales, después de la incubación en un termostato a la temperatura deseada, se subcultivan en tubos con agar nutritivo inclinado. Cada cultivo puro de un microorganismo se subcultiva en medios de diferente composición y, tras un desarrollo suficientemente bueno, se comprueban sus propiedades antibióticas.
2. Sembrar la tierra sobre agar nutritivo, previamente sembrado con un organismo de prueba.. La superficie del agar nutritivo se siembra con un cultivo de prueba del organismo requerido, después de lo cual se colocan pequeños trozos de tierra, no más grandes que los granos de mijo, sobre la placa de agar, o se aplica la tierra en forma de polvo, distribuyéndose sobre toda la superficie de la placa. Luego, las tazas se colocan en un termostato y después de un cierto período de tiempo (24-48 horas, y a veces más), se examinan trozos de tierra o secciones individuales de la misma, alrededor de las cuales se han formado zonas de crecimiento inhibido del organismo de prueba. Se aíslan cultivos puros de organismos de estas áreas y se someten a estudios adicionales.
3. Método de enriquecimiento del suelo. El suelo del que se supone que se deben aislar los antagonistas se enriquece con organismos de aquellas especies para las que se quiere obtener un antagonista. Para ello, se añade sistemáticamente una suspensión lavada de los microorganismos deseados a muestras de suelo colocadas en recipientes de vidrio. Luego, a ciertos intervalos, dicha tierra se siembra en forma de terrones separados en placas de agar en placas de Petri, previamente inoculadas con el mismo organismo que se utilizó para enriquecer la tierra.
4. Método de centrifugación de la suspensión del suelo. Aislar actinomicetos de los suelos y especialmente de los suelos en primavera, cuando se desarrollan. Número grande hongos y bacterias, se utiliza el método de centrifugación de la suspensión del suelo. El método se basa en la diferencia en la velocidad de sedimentación de tipos individuales de microorganismos en un campo centrífugo. A 3000 rpm durante 20 minutos, las partículas correspondientes en tamaño a esporas de moho o células bacterianas se depositan en el fondo del tubo de ensayo. Las partículas de tamaño correspondiente a las esporas de actinomicetos aparecen en la capa superficial del líquido a una velocidad de centrifugación determinada. Al sembrar el líquido sobrenadante, en la mayoría de los casos (hasta un 92%) es posible obtener únicamente colonias de actinomicetos en placas de agar nutritivo.
5. Método de congelación - descongelación del suelo. Se sabe que los microorganismos del suelo se encuentran adsorbidos en las partículas del suelo. Para completar la desorción de microorganismos de las partículas del suelo, se utilizan varios métodos: químico, en el que las muestras de suelo se tratan con varios detergentes, y físico, que se basa en el método de trituración mecánica de muestras de suelo.
Para una mejor desorción de los microorganismos de las partículas del suelo, se recomienda utilizar el método de congelación y descongelación del suelo. La esencia del método es la siguiente. La muestra de suelo seleccionada para el aislamiento de actinomicetos se coloca en el evaporador de un frigorífico doméstico a una temperatura de 8°. Después de una hora, la muestra se saca del frigorífico y se mantiene a temperatura ambiente hasta que se descongela por completo. El procedimiento de congelación y descongelación se repite dos veces. Luego se coloca una muestra de suelo en agua del grifo esterilizada, la suspensión se agita durante 15 minutos en un agitador circular a 230 rpm, después de lo cual se siembran varias diluciones de la suspensión en una placa de agar nutritivo en placas de Petri.
El método de congelación y descongelación de muestras de suelo permite detectar en ellas entre 1,2 y 3,6 veces más actinomicetos que en las mismas muestras sin congelar. Aparentemente, esto se debe a una mayor desorción de actinomicetos de la superficie de las partículas del suelo. El antibiótico se purifica mediante métodos cromatográficos (cromatografía sobre óxido de aluminio, celulosa, intercambiadores de iones) o extracción a contracorriente. Los antibióticos purificados se liofilizan. Una vez aislado el antibiótico, se prueba su pureza. Para ello, se determina su composición elemental, constantes fisicoquímicas (punto de fusión, peso molecular, adsorción en las regiones visible, UV e IR del espectro, rotación específica). También se estudia la actividad antibacteriana, la esterilidad y la toxicidad del antibiótico.
La toxicidad de los antibióticos se determina en animales de experimentación, a los que se les administra por vía intravenosa, intraperitoneal, intramuscular o de otro modo durante un cierto período de tiempo con diferentes dosis del antibiótico en estudio. Si no hay cambios externos en el comportamiento de los animales dentro de 12 a 15 días, se considera que el antibiótico probado no tiene propiedades tóxicas notables. Un estudio más profundo determinará si un determinado antibiótico tiene toxicidad oculta y si afecta a tejidos y órganos individuales de los animales. Al mismo tiempo, se estudia la naturaleza de la acción biológica del antibiótico: bacteriostática o bactericida, lo que permite predecir los mecanismos de sus propiedades antibacterianas.
La siguiente etapa en el estudio de un antibiótico es la evaluación de sus propiedades terapéuticas. Los animales de experimentación están infectados con cierto tipo de microbio patógeno. La cantidad mínima de antibiótico que protege a un animal de una dosis letal de infección es la dosis terapéutica mínima. Cuanto mayor sea la relación entre la dosis tóxica del antibiótico y la dosis terapéutica, mayor será el índice terapéutico. Si la dosis terapéutica es igual o cercana a la dosis tóxica (índice terapéutico bajo), entonces la probabilidad de utilizar el antibiótico en la práctica médica es limitada o completamente imposible. En el caso de que un antibiótico entre en la práctica médica generalizada, se desarrolla métodos industriales su preparación y estudiar detalladamente su estructura química.
Estandarización de antibióticos.
Se considera que una unidad de actividad antibiótica es la cantidad mínima de antibiótico capaz de suprimir el desarrollo o retrasar el crecimiento de una cepa microbiana de prueba estándar en un cierto volumen de medio nutritivo. La magnitud de la actividad biológica de los antibióticos suele expresarse en unidades de dosis estándar (DE) contenidas en 1 ml de solución (U/ml) o 1 mg del fármaco (U/mg). Por ejemplo, se considera que la unidad de actividad antibiótica de la penicilina es cantidad minima un fármaco capaz de inhibir el crecimiento de Staphylococcus aureus cepa estándar 209 en 50 ml de caldo nutritivo. Para la estreptomicina, se considera que una unidad de actividad es la cantidad mínima de antibiótico que inhibe el crecimiento de E. coli en 1 ml de caldo nutritivo.
Después de que muchos antibióticos se obtuvieron en forma pura, algunos de ellos comenzaron a expresar actividad biológica en unidades de masa. Por ejemplo, se ha descubierto que 1 mg de estreptomicina base pura equivale a 1000 unidades. Por tanto, 1 unidad de actividad de estreptomicina equivale a 1 μg de la base pura de este antibiótico. Por lo tanto, en la mayoría de los casos, la cantidad de estreptomicina ahora se expresa en μg/mg o μg/ml. Por lo tanto, cuanto más se acerque el número de mcg/mg en las preparaciones de estreptomicina a 1000, más puro será el fármaco. Está claro que la unidad de actividad biológica de un antibiótico no siempre coincide con 1 mcg. Por ejemplo, para la bencilpenicilina, 1 unidad equivale aproximadamente a 0,6 mcg, ya que 1 mg del antibiótico contiene 1667 unidades.
Métodos de análisis de antibióticos.
A diferencia de otros compuestos naturales (alcaloides, glucósidos), los antibióticos no tienen reacciones grupales generales. Estas reacciones sólo se pueden utilizar con antibióticos de una clase química, por ejemplo, con tetraciclinas o nitrofenilalquilaminas (cloranfenicol). Para identificar antibióticos se pueden utilizar varias reacciones de color a los grupos funcionales correspondientes; características espectrales en las regiones visible, UV e IR del espectro; métodos cromatográficos. Para la determinación cuantitativa de antibióticos se utilizan métodos biológicos, químicos y fisicoquímicos.
Los métodos biológicos se basan en el efecto biológico directo del antibiótico sobre el organismo de prueba utilizado, que es sensible a este antibiótico. El método de difusión utilizado se basa en la capacidad de las moléculas de antibióticos para difundirse en medios de agar. Se estima el tamaño de la zona en la que no se desarrollan los organismos de prueba utilizados. Este tamaño depende de la naturaleza química del antibiótico, su concentración, pH y composición del medio, y la temperatura del experimento.
Otro tipo de prueba biológica se basa en la turbidimetría, un método de análisis cuantitativo basado en la intensidad de la luz absorbida por las partículas en suspensión, las células microbianas. Cuando se añaden determinadas cantidades de antibióticos, se produce un retraso en el crecimiento de las células microbianas (efecto bacteriostático) y luego su muerte (efecto bactericida). En este caso, la intensidad de la luz absorbida cambia (disminuye). Como alternativa a la turbidimetría, se puede utilizar el método nefelométrico de análisis cuantitativo de la intensidad de la luz dispersada por microorganismos.
Para la determinación cuantitativa de antibióticos se utilizan diversos métodos espectrales, principalmente métodos fotocolorimétricos y espectrofotométricos. Por ejemplo, para determinar la concentración de una solución de eritromicina, se puede utilizar un método fotocolorimétrico, basado en el cambio en la absorción de una solución de antibiótico después de su interacción con el ácido sulfúrico. Los antibióticos de la serie de las tetraciclinas pueden determinarse espectrofotométricamente mediante la banda de absorción que desaparece tras la hidrólisis alcalina del principio activo. Se ha desarrollado un método que combina enfoques fisicoquímicos y biológicos para evaluar la actividad de los fármacos. El método se basa en la difracción láser en un medio que contiene células microbianas bajo la influencia de productos químicos, en particular antibióticos.
Preservación de cepas productoras de antibióticos en estado activo.
Los métodos para mantener la viabilidad de los organismos que permitan mantener su actividad antibiótica a un nivel constante son importantes para la producción industrial de antibióticos, así como para los estudios de laboratorio de los productores de sustancias antibióticas. Se sabe que los microorganismos, y especialmente los actinomicetos, se modifican fácilmente mediante métodos de almacenamiento convencionales. Además, muy a menudo se produce una pérdida total o parcial de las propiedades antibióticas. La pérdida de las propiedades antibióticas aparentemente depende del hecho de que no somos capaces, en condiciones normales de cultivo, de crear condiciones que faciliten la preservación por parte del cuerpo de sus características fisiológicas básicas. La pérdida de actividad se observa a menudo cuando los microorganismos se cultivan en medios ricos en composición y con resiembra frecuente.
Al mismo tiempo, los cambios en las propiedades fisiológicas o bioquímicas de los productores de sustancias antibióticas pueden estar determinados por sus patrones genéticos. Se sabe, por ejemplo, que el productor de gramicidina C durante el desarrollo se disocia en varias variantes, algunas de las cuales no forman este antibiótico. Además, el proceso de disociación del cultivo va en la dirección de la formación de un gran número de variantes biológicamente inactivas, lo que finalmente conduce a la pérdida total de la capacidad del cultivo para formar gramicidina. Actualmente, se utilizan varios métodos para preservar los cultivos de productores de antibióticos, asegurando su permanencia a largo plazo en estado activo. Estos métodos se basan en el principio de retrasar el desarrollo de microorganismos, el principio de conservación. Para cada tipo de productor de sustancias antibióticas, se debe seleccionar el método de conservación más adecuado, que permita mantener los cultivos en estado activo durante un tiempo relativamente largo.
Los métodos más comunes para conservar cultivos de microorganismos productores de antibióticos en estado activo son los siguientes.
1. Liofilización de cultivos.
2. Almacenar células vegetativas o esporas de organismos en suelo estéril, arena esterilizada o en semillas de determinadas plantas (por ejemplo, mijo). Según varios autores, los cultivos de actinomicetos en suelo estéril siguen siendo viables durante 30 años o más.
3. Almacenamiento de esporas en forma de suspensiones acuosas en ampollas selladas.
4. Almacenamiento de esporas en arena de cuarzo esterilizada.
5. Almacenar los cultivos en una almohadilla de agar bajo aceite mineral.
6. Almacenamiento de cultivos a bajas temperaturas (+4, +5°C).
7.B Últimamente Para preservar varios microorganismos en estado activo, se utiliza nitrógeno líquido, al que se le añade una suspensión celular lavada del medio. A veces, los cultivos de actinomicetos se conservan en la fase gaseosa de nitrógeno líquido en bloques de agar cortados de una placa de agar en placas de Petri.
La mejor forma de conservar organismos, en la que no hay pérdida de actividad antibiótica, es su liofilización; el método es adecuado tanto para cultivos de microorganismos formadores de esporas como para cultivos no formadores de esporas. La esencia de este método es que una suspensión de células o esporas de un microorganismo, preparada en un medio rico en proteínas (a menudo se utiliza suero sanguíneo para estos fines), se congela rápidamente a una temperatura de - 40 a - 60 ° C y secado al vacío hasta humedad residual (0,5-0,7%). Después de dicho tratamiento, se sellan ampollas con esporas o células del microbio liofilizado. Las formas liofilizadas de bacterias se pueden almacenar durante 16 a 18 años, las esporas de hongos no pierden sus propiedades básicas cuando se almacenan en forma liofilizada durante 10 años.
El ADN es el portador de todo. Información genética en la célula: participación directa en la síntesis de proteínas (implementación de este información hereditaria) No acepto. En las células animales y vegetales, las moléculas de ADN están separadas por una membrana nuclear del citoplasma, donde se produce la síntesis de proteínas. Desde el núcleo se envía un intermediario a los ribosomas, los sitios de ensamblaje de proteínas, que transporta la información copiada y puede atravesar los poros de la membrana nuclear. Un intermediario de este tipo es el ARN mensajero, que participa en reacciones de matriz.
Las reacciones matriciales son reacciones para la síntesis de nuevos compuestos basados en macromoléculas "antiguas" que actúan como una matriz, es decir, una forma, una muestra para copiar nuevas moléculas. Las reacciones matriciales para la implementación de información hereditaria, en las que participan el ADN y el ARN, son:
1. replicación del ADN– duplicación de las moléculas de ADN, gracias a la cual la transferencia de información genética se lleva a cabo de generación en generación. La matriz es el ADN materno.
2. Transcripción(lat. transcripción- reescritura) es la síntesis de moléculas de ARN según el principio de complementariedad en la matriz de una de las cadenas de ADN. Ocurre en el núcleo bajo la acción de la enzima ARN polimerasa dependiente de ADN. El ARN mensajero es una molécula monocatenaria y la copia de genes se produce a partir de una hebra de una molécula de ADN bicatenario. El lenguaje de los tripletes de ADN se traduce al lenguaje de los codones de ARNm. Como resultado de la transcripción de diferentes genes, se sintetizan todos los tipos de ARN. Luego, el ARNm, el ARNt y el ARNr ingresan al citoplasma celular a través de los poros de la membrana nuclear para realizar sus funciones.
3. Transmisión (lat. traducción– transmisión, traducción) es la síntesis de cadenas polipeptídicas de proteínas en la matriz de ARNm maduro, llevada a cabo por ribosomas. Hay varias etapas en este proceso:
La etapa uno - iniciación(inicio de la síntesis). En el citoplasma, un ribosoma entra por uno de los extremos del ARNm (precisamente aquel a partir del cual comenzó la síntesis de la molécula en el núcleo) y comienza la síntesis del polipéptido. La molécula de ARNt que transporta el aminoácido glutamina (ARNt GLN) se conecta al ribosoma y se adhiere al comienzo de la cadena de ARNm (código UAG). Junto al primer t-RNA (que no tiene nada que ver con la proteína que se sintetiza), se adjunta un segundo t-RNA con un aminoácido. Si el anticodón es t-RNA, entonces se produce un enlace peptídico entre los aminoácidos, que está formado por una determinada enzima. Después de esto, el ARNt abandona el ribosoma (va al citoplasma en busca de un nuevo aminoácido) y el ARNm mueve un codón.
Segunda fase - alargamiento(alargamiento de cadena). El ribosoma se mueve a lo largo de la molécula de ARNm no suavemente, sino de forma intermitente, triplete tras triplete. El tercer ARNt con un aminoácido se une con su anticodón al codón del ARNm. Cuando se establece un enlace complementario, el ribosoma da otro paso, un "codón", y una enzima específica "entrecruza" el segundo y tercer aminoácidos con un enlace peptídico: se forma una cadena peptídica. Los aminoácidos en una cadena polipeptídica en crecimiento están conectados en la secuencia en la que se encuentran los codones de ARNm que los codifican (Fig. 14).
Tercera etapa - terminación(fin de síntesis) cadena. Ocurre cuando el ribosoma traduce uno de los tres “codones sin sentido” (UAA, UAG, UGA). Los ribosomas saltan del ARNm y se completa la síntesis de proteínas.
Así, conociendo el orden de los aminoácidos en una molécula de proteína, es posible determinar el orden de los nucleótidos (tripletes) en la cadena de ARNm y, a partir de ahí, el orden de los pares de nucleótidos en una sección de ADN y viceversa, teniendo en cuenta El principio de complementariedad de nucleótidos.
Pero en el proceso de reacciones matriciales, pueden ocurrir cambios (mutaciones). Se trata de mutaciones genéticas a nivel molecular, resultado de diversos daños en las moléculas de ADN, que afectan a uno o más nucleótidos. Todas las formas de mutaciones genéticas se pueden dividir en dos grandes grupos.
Primer grupo- cambio del marco de lectura: representa la inserción o eliminación de uno o más nucleótidos. Dependiendo de la ubicación de la infracción, cambia uno u otro número de codones. Este es el daño más grave a los genes, ya que la proteína incluirá aminoácidos completamente diferentes. Estas deleciones e inserciones representan el 80% de todas las mutaciones genéticas espontáneas.
Los efectos más dañinos son las tonterías: mutaciones asociadas con la aparición de codones terminadores que detienen la síntesis de proteínas. Esto puede provocar la interrupción prematura de la síntesis de proteínas, que se degrada rápidamente. El resultado es la muerte celular o un cambio en la naturaleza del desarrollo individual.
Las mutaciones asociadas con la sustitución, eliminación o inserción en la parte codificante de un gen se manifiestan fenotípicamente como sustitución de aminoácidos en la proteína. Dependiendo de la naturaleza de los aminoácidos y del significado funcional de la zona dañada, se observa una pérdida total o parcial de la actividad funcional de la proteína. Esto se expresa en una disminución de la viabilidad, cambios en las características de los organismos, etc.
Segundo grupo- Se trata de mutaciones genéticas con sustitución de pares de bases de nucleótidos. Hay dos tipos de sustituciones de bases:
1. Transición: sustitución de una base purínica por otra base purínica (A con G o G con A) o una pirimidina por otra pirimidina (C con T o T con C).
2. Transversión: sustitución de una base purínica por una base pirimidina o viceversa (A a C, G a T, o A a U). Un ejemplo de transversión es la anemia falciforme, que se produce debido a un trastorno hereditario de la estructura de la hemoglobina. En el gen mutante que codifica una de las cadenas de hemoglobina, sólo se altera un nucleótido y la adenina se reemplaza por uracilo en el ARNm (GAA a HUA). Como resultado, se produce un cambio en el fenotipo bioquímico: en la cadena β de la hemoglobina, el ácido glutámico se reemplaza por valina. Este reemplazo cambia la superficie de la molécula de hemoglobina: en lugar de un disco bicóncavo, los glóbulos rojos adquieren forma de hoz y obstruyen los vasos pequeños o se eliminan rápidamente de la circulación, lo que rápidamente conduce a la anemia. .
Por tanto, la importancia de las mutaciones genéticas para la vida de un organismo varía:
· algunas “mutaciones silenciosas” no afectan la estructura y función de la proteína (por ejemplo, una sustitución de nucleótidos que no conduce a una sustitución de aminoácidos);
· algunas mutaciones provocan la pérdida completa de la función proteica y la muerte celular (por ejemplo, mutaciones sin sentido);
· otras mutaciones: con un cambio cualitativo en el ARNm y los aminoácidos, provocan cambios en las características del organismo;
· algunas mutaciones que cambian las propiedades de las moléculas de proteínas tienen un efecto perjudicial sobre la actividad vital de las células; tales mutaciones causan enfermedades graves (por ejemplo, transversiones).
Fin del trabajo -
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Según la naturaleza del cambio de fenotipo, todas las mutaciones se pueden dividir en los siguientes grupos. 1. Morfológico, violando los signos de la estructura física; sin ojos, de dedos cortos
Mutaciones a nivel poblacional
Se cree que cualquier mutación es dañina porque altera la interacción del organismo con el medio ambiente. Sin embargo, algunas mutaciones provocan cambios menores en el organismo y no suponen ningún peligro particular.
El efecto de las mutaciones cromosómicas en varios sistemas del cuerpo.
El grado de cambio en las características de un organismo debido a mutaciones cromosómicas depende del tamaño del área defectuosa y del contenido de genes importantes para el desarrollo en ella. Determinar las consecuencias de las mutaciones cromosómicas.
Consecuencias de la mutación en células germinales y somáticas.
El efecto de una mutación en el fenotipo de una persona puede variar según el tipo de células en las que se produce el cambio en las estructuras hereditarias. Mutaciones generativas o cambios en la herencia.
Estabilidad y reparación del material genético.
La estabilidad del material genético está garantizada por: un conjunto diploide de cromosomas; doble hélice de ADN; degeneración (redundancia) del código genético;
Antimutágenos
El proceso de mutación es la fuente de cambios que conducen a diversas condiciones patológicas. Principio de compensación en escenario moderno Implica medidas para prevenir enfermedades genéticas.
1. Materia, tareas y métodos de la genética. Historia del desarrollo y establecimiento de la genética como ciencia. 2. Etapas de desarrollo de la genética clásica. Genética (molecular) moderna. Conceptos básicos y
Página de solución detallada, página 135 en biología de nivel avanzado para estudiantes de décimo grado, autores V.B. Zakharov, S.G. Mamontov. Nivel avanzado 2015
- GDZ trabajando Se puede encontrar el cuaderno de biología para el grado 10.
PREGUNTAS Y TAREAS DE REVISIÓN
Pregunta 1. ¿Qué es la disimilación? Describe las etapas de este proceso.
El conjunto de reacciones de escisión se denomina metabolismo energético celular o disimilación. La disimilación es exactamente lo contrario de la asimilación: como resultado de la división, las sustancias pierden su parecido con las sustancias celulares.
El metabolismo energético suele dividirse en 3 etapas. La primera etapa es preparatoria. En esta etapa, las moléculas de di y polisacáridos, grasas y proteínas se descomponen en moléculas pequeñas (glucosa, glicerol y ácidos grasos, aminoácidos, moléculas grandes de ácidos nucleicos) en bases nitrogenadas: nucleótidos. En esta etapa se destaca No un gran número de energía que se disipa en forma de energía térmica.
La segunda etapa está libre de oxígeno o está incompleta. También se le llama respiración anaeróbica o fermentación. El término "fermentación" se suele aplicar a los procesos que tienen lugar en las células de microorganismos o plantas. Las sustancias formadas en esta etapa, con la participación de enzimas, entran en el camino de una mayor degradación. En los músculos, por ejemplo, como resultado de la respiración anaeróbica, una molécula de glucosa se descompone en 2 moléculas de ácido láctico (glucólisis). Participa en las reacciones de descomposición de la glucosa. ácido fosfórico y ADF.
La tercera etapa del metabolismo energético es la etapa de respiración aeróbica o descomposición del oxígeno. Las reacciones de esta etapa del metabolismo energético también son catalizadas por enzimas. Cuando O ingresa a la célula, las sustancias formadas durante la etapa anterior se oxidan a los productos finales: H2O y CO2. La respiración de oxígeno va acompañada de la liberación de una gran cantidad de energía y su acumulación en moléculas de ATP.
Pregunta 2. ¿Cuál es el papel del ATP en el metabolismo celular?
Los organismos vivos sólo pueden utilizar energía ligada químicamente. Cada sustancia tiene una reserva determinada. energía potencial. Sus principales portadores materiales son los enlaces químicos, cuya ruptura o transformación conduce a la liberación de energía. El nivel de energía de algunos enlaces tiene un valor de 8 a 10 kJ; estos enlaces se denominan normales. Otros enlaces contienen mucha más energía (25-40 kJ); son los llamados enlaces de alta energía. Casi todos los compuestos conocidos que tienen tales enlaces contienen átomos de fósforo o azufre, en cuya ubicación en la molécula se localizan estos enlaces. Uno de los compuestos que desempeña un papel vital en la vida celular es el ácido adenosín trifosfórico (ATP).
El ácido adenosín trifosfórico (ATP) está formado por la base orgánica adenina (I), el carbohidrato ribosa (II) y tres residuos de ácido fosfórico (III). La combinación de adenina y ribosa se llama adenosina. Los grupos pirofosfato tienen enlaces de alta energía, indicados por ~. descomposición de uno moléculas de ATP con la participación de agua se acompaña de la eliminación de una molécula de ácido fosfórico y la liberación de energía libre, que es igual a 33-42 kJ/mol. Todas las reacciones que involucran ATP están reguladas por sistemas enzimáticos.
Pregunta 3. Cuéntenos sobre el metabolismo energético en una célula usando como ejemplo la descomposición de la glucosa.
Pregunta 4. ¿Qué tipos de nutrición de organismos conoces?
Según el tipo de nutrición, todos los organismos se dividen en autótrofos, heterótrofos y mixotróficos.
Pregunta 5. ¿Qué organismos se llaman autótrofos?
Autótrofos (organismos que viven de una fuente de carbono inorgánico) dióxido de carbono que utilizan la energía de la luz solar para llevar a cabo procesos de síntesis: fotótrofos o energía enlaces químicos- quimiotrofos.
Pregunta 6. Describe las fases clara y oscura de la fotosíntesis.
La fotosíntesis es el proceso de formación de compuestos orgánicos a partir de inorgánicos en las hojas de las plantas verdes bajo la luz del sol. Hay fases claras y oscuras de la fotosíntesis.
Durante la fase luminosa de la fotosíntesis, los fotones son absorbidos por las clorofilas y se produce la fotólisis (descomposición) del agua. Como resultado, se forman moléculas de ATP, hidrógeno atómico H", que luego se utilizan en la fase oscura para la síntesis de glucosa y oxígeno molecular (como subproducto) que se libera al medio ambiente.
Fase oscura de la fotosíntesis. La glucosa se forma a partir del dióxido de carbono absorbido del exterior, el hidrógeno H se obtiene durante la fase ligera, con el coste energía ATP, también sintetizado en la fase ligera.
Pregunta 7. ¿Por qué las plantas verdes liberan oxígeno libre a la atmósfera como resultado de la fotosíntesis?
El oxígeno es un subproducto de la fotosíntesis. Durante las reacciones de la fase luminosa de la fotosíntesis, bajo la influencia de cuantos de luz y durante la interacción con la clorofila, se produce la descomposición (fotólisis) en hidrógeno atómico y radicales libres He-. Estos últimos interactúan entre sí, formando oxígeno y agua libres.
Dado que el oxígeno no participa en la cascada adicional de reacciones de fotosíntesis, se libera al ambiente externo.
Pregunta 8. ¿Qué es la quimiosíntesis?
La quimiosíntesis es el proceso de síntesis de compuestos orgánicos utilizando carbono a partir de dióxido de carbono utilizando la energía de los enlaces químicos. sustancias inorgánicas.
Pregunta 9. ¿Qué organismos se llaman heterótrofos? Dar ejemplos.
Los heterótrofos son organismos que no son capaces de sintetizar sustancias orgánicas a partir de inorgánicas mediante la fotosíntesis o la quimiosíntesis. Para sintetizar las sustancias orgánicas necesarias para su vida, necesitan sustancias orgánicas exógenas, es decir, producidas por otros organismos. Durante el proceso de digestión, las enzimas digestivas descomponen los polímeros de sustancias orgánicas en monómeros. Casi todos los animales y hongos son heterótrofos.
PREGUNTAS Y TAREAS PARA DISCUSIÓN
Pregunta 1. ¿Qué organismos se llaman autótrofos? ¿En qué grupos se dividen los autótrofos?
Los organismos autótrofos son organismos que pueden sintetizar compuestos orgánicos de inorgánicos (dióxido de carbono, agua y compuestos inorgánicos de nitrógeno y azufre). Dependiendo de la fuente de energía consumida, los autótrofos se clasifican en organismos fotosintéticos y quimiosintéticos. Los primeros utilizan energía luminosa, mientras que los segundos utilizan la energía exotérmica. reacciones químicas(durante la transformación de compuestos inorgánicos), es decir, energía generada durante la oxidación de diversos compuestos inorgánicos (hidrógeno, sulfuro de hidrógeno, amoníaco, etc.).
Pregunta 2. ¿Cuál es el mecanismo para la formación de oxígeno libre como resultado de la fotosíntesis en las plantas verdes? Revelar la importancia biológica y ecológica de este proceso.
En general, el equilibrio químico de la fotosíntesis se puede representar como una ecuación simple:
El hidrógeno necesario para reducir el dióxido de carbono a glucosa proviene del agua y el oxígeno liberado durante la fotosíntesis es un subproducto. El proceso requiere energía luminosa, ya que el agua por sí sola no es capaz de reducir el dióxido de carbono.
La fotosíntesis es un proceso del que depende toda la vida en la Tierra. Ocurre sólo en plantas. Durante la fotosíntesis, una planta produce sustancias orgánicas necesarias para todos los seres vivos a partir de sustancias inorgánicas. El dióxido de carbono contenido en el aire ingresa a la hoja a través de aberturas especiales en la epidermis de la hoja, que se llaman estomas; El agua y los minerales llegan del suelo a las raíces y de allí son transportados a las hojas a través del sistema conductor de la planta. La energía necesaria para la síntesis de sustancias orgánicas a partir de inorgánicas la suministra el Sol; esta energía es absorbida por los pigmentos vegetales, principalmente la clorofila. En la célula, la síntesis de sustancias orgánicas se produce en los cloroplastos, que contienen clorofila. El oxígeno libre, también producido durante la fotosíntesis, se libera a la atmósfera.
Pregunta 3. ¿Dónde, como resultado de qué transformaciones de moléculas y en qué cantidad se forma ATP en los organismos vivos?
La síntesis de ATP ocurre en las membranas mitocondriales durante la respiración, por lo que todas las enzimas y cofactores de la cadena respiratoria, todas las enzimas de fosforilación oxidativa se localizan en estos orgánulos.
AREAS PROBLEMÁTICAS
Pregunta 1. ¿Cómo se realiza la información hereditaria sobre las características y propiedades de los virus de ADN y ARN?
En la naturaleza, los ácidos nucleicos son portadores de información genética. Hay dos tipos principales de ácidos nucleicos: ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico). La mayoría de los organismos vivos contienen ácidos nucleicos en el núcleo y el citoplasma (savia celular). Los virus, aunque son estructuras no celulares, también contienen ácidos nucleicos. Según el tipo de ácido nucleico que contienen, los virus se dividen en dos clases: los que contienen ADN y los que contienen ARN. Los virus que contienen ADN incluyen los virus de la hepatitis B, el herpes y otros. Los microorganismos que contienen ARN están representados por la influenza y la parainfluenza, el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), la hepatitis A, etc. En estos microorganismos, así como en otros organismos vivos, los ácidos nucleicos Los ácidos desempeñan el papel de portadores de información genética. La información sobre la estructura de varias proteínas (información genética) está codificada en la estructura de los ácidos nucleicos en forma de secuencias de nucleótidos específicas ( componentes ADN y ARN). Los genes de ácidos nucleicos virales codifican una variedad de enzimas y proteínas estructurales. El ADN y el ARN de los virus son el sustrato material de la herencia y la variabilidad de estos microorganismos, dos componentes principales en la evolución de los virus en particular y de toda la naturaleza viva en general.
Pregunta 2. ¿Cuál es el significado biológico de la redundancia del código genético?
La redundancia del código es consecuencia de su naturaleza triplete y significa que un aminoácido puede ser codificado por varios tripletes (ya que hay 20 aminoácidos y 64 tripletes). Las excepciones son la metionina y el triptófano, que están codificados por un solo triplete. Además, algunos trillizos realizan funciones específicas. Entonces, en la molécula de ARNm, tres de ellos UAA, UAG, UGA son codones de parada, es decir, señales de parada que detienen la síntesis de una cadena polipeptídica. El triplete correspondiente a la metionina (AUG), situado al inicio de la cadena de ADN, no codifica ningún aminoácido, pero cumple la función de iniciar (excitar) la lectura.
La redundancia de secuencias de codificación es una propiedad muy valiosa, ya que aumenta la estabilidad del flujo de información ante los efectos adversos del entorno externo e interno. Al determinar la naturaleza del aminoácido que se incluirá en una proteína, el tercer nucleótido de un codón no es tan importante como los dos primeros. Para muchos aminoácidos, reemplazar el nucleótido en la tercera posición de un codón no afecta su significado.
Pregunta 3. ¿Cómo se sintetiza en la célula la información hereditaria sobre la estructura y funciones de las moléculas no proteicas?
La información genética está cifrada en ADN y ARN.
Pregunta 4. ¿Crees que es posible aumentar la eficiencia de la fotosíntesis?
Cumplimiento del régimen de riego,
ASPECTOS APLICADOS
Pregunta 1. ¿Cómo crees que podemos aumentar la eficiencia de la fotosíntesis en las plantas verdes?
Basado en los mecanismos de influencia de factores internos y externos que actúan sobre los parámetros de la actividad fotosintética de las plantas, en la práctica agrícola se utilizan una serie de técnicas para aumentar la intensidad de la fotosíntesis y aumentar el rendimiento de los cultivos agrícolas, entre las que se incluyen:
Cumplimiento del régimen de riego,
Cumplimiento del régimen de nutrición mineral.
Uso de la fertilización foliar necesaria con microelementos,
Aumento de la concentración de dióxido de carbono en suelos protegidos mediante el uso de fertilizantes orgánicos (aplicación de estiércol), el uso de hielo seco y marcos de invernaderos humeantes. Al mismo tiempo, los pepinos no solo aumentan la intensidad de la fotosíntesis, sino que también aumentan la cantidad de flores femeninas.
Pregunta 2. ¿Qué ejemplos caracterizan el uso de las características metabólicas de los organismos en medicina? agricultura y otras industrias, ¿puedes citarlas?
Un ejemplo de metabolismo en la industria de la confitería es el uso de levadura.
TAREAS
Pregunta 1. Escribe las reacciones de las fases clara y oscura de la fotosíntesis. Etiqueta las vías de transferencia de electrones y protones.
Pregunta 3. Describe el proceso de descomposición de moléculas orgánicas con la participación de oxígeno en las células aeróbicas.
La respiración es una descomposición oxidativa de nutrientes orgánicos con la participación de oxígeno, acompañada de la formación de metabolitos químicamente activos y la liberación de energía que utilizan las células para procesos vitales.
El proceso de respiración produce una enorme cantidad de energía. Si se liberara todo a la vez, la célula dejaría de existir. Pero esto no sucede, porque la energía no se libera toda de una vez, sino por etapas, en pequeñas porciones. La liberación de energía en pequeñas dosis se debe al hecho de que la respiración es un proceso de múltiples etapas, en las cuales se forman varios productos intermedios (con diferentes longitudes de cadena de carbono) y se libera energía. La energía liberada no se consume en forma de calor, sino que se almacena en un compuesto universal de alta energía: el ATP. Cuando se descompone el ATP, la energía se puede utilizar en cualquier proceso necesario para mantener la vida del cuerpo: para la síntesis de diversas sustancias orgánicas, Trabajo mecánico, manteniendo la presión osmótica del protoplasma, etc.
Las reacciones de síntesis de sustancias orgánicas ocurren en la célula simultáneamente con los procesos de división. Los biopolímeros complejos específicos (proteínas, grasas, carbohidratos, ácidos nucleicos) se sintetizan a partir de sustancias simples formadas como resultado de procesos de disimilación.
Las sustancias orgánicas sintetizadas se utilizan para construir diversos orgánulos celulares, enzimas, secreciones y sustancias de reserva para reemplazar las consumidas. Todos estos procesos ocurren con la absorción de energía. La síntesis de sustancias que ocurren en la célula se llama biosíntesis o intercambio de plástico.
En esta etapa, se libera un total de 2600 kJ de energía en varios enlaces intermedios.
La formación de 36 enlaces de alta energía durante la conversión de ADP en ATP requiere 1440 kJ, o el 54% de la energía liberada, que se convierte en energía potencial de ATP. En consecuencia, durante la división del oxígeno, se genera 13 veces más energía que durante la división sin oxígeno, y la célula almacena 18 veces más en forma de ATP.
La ecuación general para la descomposición completa de la glucosa en dos etapas se puede escribir de la siguiente manera:
Según el método de obtención de compuestos orgánicos, todas las células se dividen en autótrofas y heterótrofas (ver sección "Botánica").
El ATP formado en este caso se envía a través de los canales del retículo endoplásmico a otras partes de la célula donde surge la necesidad. Así, de la energía generada durante la descomposición de la glucosa, se ahorra para la célula un total de 80 kJ + 1440 kJ = 1520 kJ, o el 55% de la energía, que se convierte en energía potencial y posteriormente es utilizada por la célula. Por tanto, la reacción de división se llama intercambio de energía.
Fotosíntesis(tabla de colores I) es un proceso único de formación de compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas utilizando energía luminosa. Por primera vez, el destacado científico ruso Kliment Arkadyevich Timiryazev (1843-1920) describió el proceso de la fotosíntesis y el papel de la clorofila vegetal en él. La fotosíntesis es un proceso complejo de varias etapas que ocurre en dos fases: clara y oscura.
fase de luz Comienza con la iluminación del cloroplasto. luz visible. Bajo la influencia de los cuantos de luz, algunos de los electrones móviles de las moléculas de clorofila se mueven a un nivel de energía más alto y adquieren energía potencial. Algunos de estos electrones “excitados” regresan a su lugar original y la energía liberada se disipa en forma de calor. Otra parte de ellos, con la participación de portadores, actúa como agentes reductores y se une a los iones de hidrógeno que se forman constantemente en las células durante la disociación de las moléculas de agua (H 2 O =H + +OH -). Los iones de hidrógeno, después de agregar un electrón, se convierten en átomos de hidrógeno (H + +e - = H) y se combinan con moléculas de sustancias portadoras.
Los iones OH, que se quedan sin contraiones de hidrógeno, ceden sus electrones a otros iones y se convierten en radicales OH (OH = e - + OH). Al interactuar entre sí, forman agua y oxígeno molecular (40H = 2H 2 O+O 2).
El proceso de formación de oxígeno molecular durante la descomposición del agua bajo la influencia de la energía luminosa se llama fotólisis del agua. Fue estudiado y descrito por primera vez por el científico soviético Alexander Pavlovich Vinogradov (1895 -1975), utilizando el método de los átomos marcados. En su mecanismo, la fotólisis del agua es similar a la electrólisis del agua.
Además, durante la fase luminosa, algunos de los electrones "excitados" de la clorofila y los electrones separados de los iones OH - participan en la formación de un enlace fosfato de alta energía durante la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (P) (ADP + P = ATP).
Así, durante la fase luminosa de la fotosíntesis, como resultado de la absorción de energía luminosa por la clorofila debido a los electrones "excitados", se produce la fotólisis del agua con la liberación de oxígeno y la síntesis de ATP.
La fase oscura de la fotosíntesis consiste en una serie de reacciones enzimáticas secuenciales para la unión de CO 2, como resultado de las cuales se forma glucosa, que sirve como material de partida para la biosíntesis de otras sustancias orgánicas de la planta. Este proceso ocurre debido a la energía del ATP con la participación de átomos de hidrógeno formados en la fase ligera (6СO 2 +24Н=С 6 Н 12 O 6 +6Н 2 O).
La ecuación general para la fotosíntesis es:
6CO 2 + 6H 2 O = C 6 H 12 O 6 + 6O 2
La estructura de la membrana del cloroplasto distingue entre sustancias reactivas.
Productividad fotosintética- 1 g de materia orgánica por 1 m2 de hojas en 1 hora Cada año, como resultado de la fotosíntesis, se forman alrededor de 400 mil millones de toneladas de materia orgánica. El requerimiento anual de oxígeno de una persona lo proporciona el funcionamiento de 10 a 12 árboles de mediana edad durante la temporada de crecimiento. Se ha establecido que la productividad de la fotosíntesis aumenta con un aumento, hasta cierto nivel, de la intensidad de la luz, el contenido de CO 2, la temperatura y la humedad del aire circundante. Estos patrones se utilizan ampliamente cuando se cultivan plantas en suelos protegidos.
La quimiosíntesis fue descubierta en 1888 por el biólogo ruso S. N. Vinogradsky, quien demostró la capacidad de algunas bacterias para asimilar dióxido de carbono utilizando energía química. Existen varios grupos de bacterias quimiosintéticas, de las cuales valor más alto Tienen bacterias nitróficas, bacterias de azufre y bacterias de hierro. Por ejemplo, las bacterias nitrificantes obtienen energía para la síntesis de sustancias orgánicas oxidando el amoníaco a nitrógeno y luego a Ácido nítrico; bacterias del azufre, que oxidan el sulfuro de hidrógeno a sulfatos, y bacterias del hierro, que convierten las sales de óxido de hierro en sales de óxido. La energía liberada se acumula en las células de las bacterias quimiosintéticas en forma de ATP. El proceso de quimiosíntesis, en el que se forma materia orgánica a partir de CO 2, procede de manera similar a la fase oscura de la fotosíntesis.
Gracias a la actividad de las bacterias quimiosintéticas, en la naturaleza se acumulan grandes depósitos de salitre y mineral de turbera.
La biosíntesis de proteínas ocurre en cada célula viva. Es más activo en células jóvenes en crecimiento, donde se sintetizan las proteínas utilizadas para construir sus orgánulos, así como en las células secretoras, donde se sintetizan proteínas enzimáticas y proteínas hormonales.
El papel principal en la determinación de la estructura de las proteínas pertenece al ADN. Un fragmento de ADN que consta de varios cientos de nucleótidos y que contiene información sobre la estructura de una proteína se llama gen. Una macromolécula de ADN contiene varios cientos de genes. La molécula contiene un código sobre la secuencia de aminoácidos de una proteína en forma de nucleótidos específicamente combinados. La esencia del código de ADN es que cada aminoácido corresponde a una sección de una cadena de ADN de tres nucleótidos adyacentes. trillizos. Por ejemplo, A - - C - A corresponde al aminoácido cisteína, A - A - C - leucina, T - T - T - lisina, etc. Hay 20 aminoácidos diferentes, el número de combinaciones posibles es de 4 nucleótidos de 3 es 64. Por lo tanto, los tripletes son más que suficientes para todos los aminoácidos.
La biosíntesis de proteínas es un proceso complejo de varias etapas que representa una cadena de reacciones sintéticas que se desarrollan según el principio de síntesis de matrices.
La esencia reacciones de síntesis de matrices es que las nuevas moléculas de proteínas se sintetizan exactamente de acuerdo con el plan establecido en la estructura de las moléculas de ADN existentes. Estas reacciones aseguran la secuencia específica exacta de los monómeros en los polímeros sintetizados.
En la biosíntesis de proteínas se determinan las siguientes etapas, que ocurren en diferentes partes de la célula.
Síntesis de ARNm (ocurre en el núcleo). La información contenida en el gen del ADN se transcribe en ARNm. Este proceso se llama transcripción (del latín “transcriptis” - reescritura).
En este caso, frente a cada nucleótido de una de las cadenas de ADN hay un nucleótido complementario de i-ARN. Las moléculas de ARNm son individuales, cada una de ellas transporta información de un gen.
Conexión de aminoácidos con moléculas de ARNt.(ocurre en el citoplasma). Las moléculas de ARNt constan de 70 a 80 nucleótidos. La cadena de ARNt contiene varias unidades de nucleótidos que son complementarias entre sí. Cuando se juntan, se pegan para formar una estructura similar a una hoja de trébol (61). Un cierto aminoácido está adherido al "pecíolo" de la hoja y en la "parte superior" de la hoja se encuentra triplete de código nucleótidos correspondientes a un aminoácido específico. Cada uno de los 20 aminoácidos tiene su propio ARNt.
"Ensamblaje de proteínas"(ocurre en los ribosomas). Los ARNm se envían a los ribosomas desde el núcleo. En este caso, varios ribosomas se ubican simultáneamente en una molécula de ARNm, formando un complejo llamado polirribosoma. Esto asegura la síntesis simultánea de una gran cantidad de moléculas de proteínas idénticas.
Desde el citoplasma, los ARNt con aminoácidos "colgados" se acercan a los ribosomas y con su extremo codificado tocan el triplete de nucleótidos de ARNi que los atraviesa. este momento a través del ribosoma. En este momento, el extremo opuesto del t-RNA con el aminoácido ingresa al sitio de “ensamblaje” de la proteína y, si el triplete del código del t-RNA resulta ser complementario al triplete del i-RNA actualmente ubicado en el ribosoma, el aminoácido se separa del t-RNA y pasa a formar parte de la proteína, y el ribosoma da un “paso” un triplete a lo largo del mRNA (tripletes de mRNA correspondientes a cada uno de los 20 aminoácidos, ver Apéndice).
Habiendo donado un aminoácido, el ARNt abandona el ribosoma y es reemplazado por otro, con un aminoácido diferente, que constituye el siguiente eslabón de la molécula de proteína en construcción (62). Así es como se ensambla eslabón por eslabón la cadena polipeptídica de una proteína, y la información sobre la estructura de la proteína, registrada en el ARNm como una secuencia de nucleótidos, se reproduce en la cadena polipeptídica de la proteína en forma de una secuencia de aminoácidos. ácidos. Este proceso se llama traducción (del latín "transmitir" - transferencia) (ver apéndice, tarea 2 y tabla). Cuando se completa la síntesis de la molécula de proteína, el ribosoma abandona el ARNm. La proteína resultante ingresa al retículo endoplásmico y a través de sus canales a otras partes de la célula, y el ribosoma ingresa a otro ARNm y participa en la síntesis de otra proteína. Todas las reacciones de síntesis de proteínas son catalizadas por enzimas especiales y la energía la proporciona el ATP.
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4.1. Anabolismo
El conjunto de reacciones de síntesis biológica se denomina intercambio de plastico o anabolismo(del griego anabole - subir). El nombre de este tipo de intercambio refleja su esencia: a partir de sustancias simples que ingresan a la célula desde el exterior, se forman sustancias similares a las sustancias de la célula, es decir, asimilación.
Todos los procesos metabólicos en la célula y en todo el organismo ocurren bajo el control del aparato hereditario. Podemos decir que todos son resultado de la implementación de la información genética presente en la célula.
Consideremos uno de los procesos más importantes Manifestaciones de información hereditaria durante el metabolismo plástico: biosíntesis de proteínas.
Implementación de información hereditaria – biosíntesis de proteínas.
Como ya se señaló, toda la variedad de propiedades de las moléculas de proteínas está determinada en última instancia por la estructura primaria, es decir, la secuencia de aminoácidos.
Para que una proteína se sintetice, se necesita información sobre la secuencia de aminoácidos en su estructura primaria debe ser entregado a los ribosomas. Este proceso implica dos pasos transcripción Y transmisión.
Arroz. 4.1. Transcripción
Transcripción(del latín transcriptio - reescritura) la información se produce al sintetizar en una de las cadenas de la molécula de ADN una molécula de ARN monocatenario, cuya secuencia de nucleótidos coincide exactamente (complementaria) con la secuencia de nucleótidos de la matriz: la cadena de polinucleótidos del ADN. Existen mecanismos especiales para “reconocer” el punto de partida de la síntesis, seleccionando la cadena de ADN de la que se lee la información, así como mecanismos para completar el proceso. Así se forma el ARN mensajero (fig. 4.1).
Transmisión(del latín translatio - transferir). La siguiente etapa de la biosíntesis es la traducción de la información contenida en la secuencia de nucleótidos (secuencia de codones) de la molécula de ARNm a la secuencia de aminoácidos de la cadena polipeptídica: la traducción.
En los procariotas (bacterias y verdes azules), que no tienen un núcleo formado, los ribosomas pueden unirse a una molécula de ARNm recién sintetizada inmediatamente después de su separación del ADN o incluso antes de que se complete su síntesis. En los eucariotas, el ARNm primero debe llegar al citoplasma a través de la envoltura nuclear. La transferencia se lleva a cabo mediante proteínas especiales que forman un complejo con la molécula de ARN. Además de transportar ARNm a los ribosomas, estas proteínas protegen el ARNm de los efectos dañinos de las enzimas citoplasmáticas. En el citoplasma, un ribosoma entra por uno de los extremos del ARNm (precisamente aquel a partir del cual comenzó la síntesis de la molécula en el núcleo) y comienza la síntesis del polipéptido.
El ribosoma se mueve a lo largo de la molécula de ARNm no suavemente, sino de forma intermitente, triplete tras triplete (fig. 4.2). A medida que el ribosoma se mueve a lo largo de la molécula de ARNm, los aminoácidos correspondientes a los tripletes de ARNm se añaden uno tras otro a la cadena polipeptídica. La coincidencia exacta del aminoácido con el código del triplete de ARNm está garantizada por el ARNt. Cada aminoácido tiene su propio ARNt, uno de cuyos tripletes es anticodón– complementario a un triplete de ARNm estrictamente definido. Del mismo modo, cada aminoácido tiene su propia enzima que lo une al t-RNA.
Arroz. 4.2. Transmisión
Arroz. 4.3. Esquema de transmisión de información hereditaria del ADN al ARNm y proteínas.
El principio general de la transferencia de información hereditaria sobre la estructura de las moléculas de proteínas durante la biosíntesis de una cadena polipeptídica se presenta en la Figura 4.3.
Una vez completada la síntesis, la cadena polipeptídica se separa de la matriz: la molécula de ARNm, se pliega en espiral y luego adquiere estructura terciaria, característico de esta proteína.
La molécula de ARNm se puede utilizar repetidamente para sintetizar polipéptidos, como un ribosoma. La descripción de la traducción y transcripción se proporciona aquí de forma muy simplificada. Cabe recordar que la biosíntesis de proteínas es un proceso sumamente complejo, asociado a la participación de muchas enzimas y al gasto de una gran cantidad de energía, superando significativamente la cantidad de energía producida. enlaces peptídicos. La asombrosa complejidad del sistema de biosíntesis y su alta intensidad energética garantizan una alta precisión y orden en la síntesis de polipéptidos.
La síntesis biológica de moléculas no proteicas en la célula se produce en tres etapas. Primero, se obtiene información sobre la estructura de una proteína-enzima específica y luego, con la ayuda de esta enzima, se forma una molécula de un carbohidrato o lípido específico. De forma similar se forman otras moléculas: vitaminas, hormonas y otras.
Puntos de anclaje
1. La principal tarea de los procesos metabólicos es mantener la constancia del entorno interno del cuerpo (homeostasis) en condiciones de existencia en continuo cambio.
2. El metabolismo consta de dos procesos interrelacionados: asimilación y disimilación.
3. En una célula, los procesos metabólicos están asociados con varias estructuras de membrana del citoplasma.
4.2. Metabolismo energético - catabolismo1. ¿Qué es la síntesis biológica? Dar ejemplos.
2. Defina asimilación.
3. ¿Qué es el código genético?
4. Formular las propiedades básicas del código genético.
5. ¿Dónde se sintetizan los ácidos ribonucleicos?
6. ¿Dónde ocurre la síntesis de proteínas?
7. Cuéntanos cómo se realiza la síntesis de proteínas.
El proceso opuesto a la síntesis es la disimilación, un conjunto de reacciones de escisión. Cuando se descomponen compuestos de alto peso molecular, se libera la energía necesaria para las reacciones de biosíntesis. Por eso, la disimilación también se llama metabolismo energético de la célula o catabolismo(del griego katabole - destrucción).
Arroz. 4.4. Esquema de la estructura del ATP y su conversión en ADP.
La energía química de los nutrientes está contenida en varios enlaces covalentes entre átomos en moléculas de compuestos orgánicos. Por ejemplo, cuando se rompe un enlace químico, como un enlace peptídico, se liberan aproximadamente 12 kJ por 1 mol. En la glucosa, la cantidad de energía potencial contenida en los enlaces entre los átomos de C, H y O es de 2800 kJ por 1 mol (es decir, por 180 g de glucosa). Cuando se descompone la glucosa, se libera energía en etapas con la participación de varias enzimas según la ecuación final:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6H 2 O + 6CO 2 + 2800 kJ
Parte de la energía liberada por los nutrientes se disipa en forma de calor y otra se acumula, es decir, se almacena en los enlaces fosfato del ATP, ricos en energía.
Es el ATP el que proporciona energía para todo tipo de funciones celulares: biosíntesis, trabajo mecánico (división celular, contracción muscular), transporte activo de sustancias a través de membranas, mantenimiento. Potencial de membrana en el proceso de conducción de un impulso nervioso, la liberación de diversas secreciones.
La molécula de ATP está formada por la base nitrogenada adenina, el azúcar ribosa y tres residuos de ácido fosfórico (fig. 4.4). La adenina, la ribosa y el primer fosfato forman monofosfato de adenosina (AMP). Cuando se añade un segundo fosfato al primero, se forma difosfato de adenosina (ADP). La molécula con tres residuos de ácido fosfórico (ATP) es la que consume más energía. La escisión del fosfato terminal del ATP va acompañada de la liberación de 40 kJ en lugar de los 12 kJ que se liberan cuando se rompen los enlaces químicos convencionales.
Gracias a los enlaces ricos en energía de las moléculas de ATP, una célula puede almacenar grandes cantidades de energía en un espacio muy pequeño y gastarla según sea necesario. La síntesis de ATP ocurre principalmente en las mitocondrias. Desde aquí, las moléculas de ATP ingresan a diferentes partes de la célula, proporcionando energía para los procesos metabólicos.
Etapas del metabolismo energético. El metabolismo energético suele dividirse en tres etapas. Primera etapa - preparatorio. En esta etapa, las moléculas de di y polisacáridos, grasas y proteínas se descomponen en moléculas pequeñas: glucosa, glicerol y ácidos grasos, aminoácidos; grandes moléculas de ácidos nucleicos - en nucleótidos. En esta etapa, se libera una pequeña cantidad de energía que se disipa en forma de calor.
Segunda fase - libre de oxígeno. También se llama respiración anaeróbica (glucólisis). ) o fermentación. El término "fermentación" se suele aplicar a los procesos que tienen lugar en las células de microorganismos o plantas. Las sustancias formadas en esta etapa en el citoplasma de las células con la participación de enzimas se descomponen aún más. Por ejemplo, en los músculos, como resultado de la respiración anaeróbica, una molécula de glucosa se descompone en dos moléculas de ácido pirúvico (C 3 H 4 O 3), que luego se reducen a ácido láctico (C 3 H 6 O 3). El ácido fosfórico y el ADP participan en la degradación de la glucosa. En resumen se ve así:
C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2ADP → 2C 3 H 6 O 3 + 2ATP + 2H 2 O
En los hongos de levadura, una molécula de glucosa sin la participación de oxígeno se convierte en alcohol etílico y dióxido de carbono (fermentación alcohólica):
C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2ADP → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 2ATP + 2H 2 O
En otros microorganismos, la glucólisis puede dar lugar a la formación de acetona, ácido acético, etc.
En todos los casos, la degradación de una molécula de glucosa va acompañada de la formación de dos moléculas de ATP. Durante la descomposición de la glucosa sin oxígeno en forma de enlace químico en la molécula de ATP, se retiene el 40% de la energía y el resto se disipa en forma de calor.
La tercera etapa del metabolismo energético es etapa de respiración aeróbica, o división del oxígeno. Las reacciones de esta etapa del metabolismo energético se llevan a cabo en las mitocondrias. Con el acceso de oxígeno a la célula, las sustancias formadas durante la etapa anterior se oxidan a los productos finales: H 2 O y CO 2. La respiración de oxígeno va acompañada de la liberación de una gran cantidad de energía y su acumulación en moléculas de ATP. La ecuación general para la respiración aeróbica se ve así:
2C 3 H 6 O 3 + 6O 2 + 36H 3 PO 4 + 36ADP → 6CO 2 + 42H 2 O + 36ATP
Así, la oxidación de dos moléculas de ácido láctico produce 36 moléculas de ATP. En consecuencia, la respiración aeróbica desempeña el papel principal a la hora de proporcionar energía a la célula.
Según el método de obtención de energía, todos los organismos se dividen en dos grupos: autótrofos y heterótrofos.
4.3. Tipo de metabolismo autótrofo.autótrofos- estos son organismos que proporcionan nutrición (es decir, reciben energía) a partir de compuestos inorgánicos. Estos incluyen algunas bacterias y todas las plantas verdes. Dependiendo de la fuente de energía que utilicen los organismos autótrofos para la síntesis de compuestos orgánicos, se dividen en dos grupos: fotótrofos y quimiotrofos.
Arroz. 4.5. Diagrama del proceso de fotosíntesis.
Para los fotótrofos, la fuente de energía es la luz, mientras que los quimiotrofos utilizan la energía liberada durante las reacciones redox. Las plantas verdes son fotótrofas. Utilizando la clorofila contenida en los cloroplastos, llevan a cabo la fotosíntesis, la conversión de la energía luminosa en energía de enlaces químicos.
Fotosíntesis. La fotosíntesis es la formación de moléculas orgánicas (e inorgánicas) a partir de moléculas inorgánicas mediante el uso de energía. luz de sol. Este proceso consta de dos fases: luz Y oscuro(Figura 4.5).
En la fase de luz, los cuantos de luz (fotones) interactúan con las moléculas de clorofila, como resultado de lo cual estas moléculas pasan a un estado "excitado" más rico en energía durante un tiempo muy corto. El exceso de energía de algunas de las moléculas de clorofila excitadas se convierte en calor o se emite en forma de luz. Otra parte se transfiere a los iones de hidrógeno H+, siempre presentes en una solución acuosa debido a la disociación del agua.
H 2 O → H + + OH −
Los átomos de hidrógeno resultantes (H 0) se combinan libremente con moléculas orgánicas: portadores de hidrógeno. Iones de hidroxilo OH: ceden sus electrones a otras moléculas y se convierten en radicales libres OH 0. Los radicales OH 0 interactúan entre sí, como resultado de lo cual se forma agua y oxígeno molecular:
4OH → O 2 + 2H 2 O
Por lo tanto, la fuente de oxígeno molecular formado durante la fotosíntesis y liberado a la atmósfera es el agua, que se descompone como resultado de la fotólisis, la descomposición del agua bajo la influencia de la luz. Además de la fotólisis del agua, en la fase luminosa se utiliza energía luminosa para síntesis de ATP de ADP y fosfato sin la participación de oxígeno.
Este es un proceso muy eficaz: los cloroplastos producen 30 veces más ATP que en las mitocondrias de las mismas plantas con la participación de oxígeno. De esta forma se acumula la energía necesaria para los procesos que ocurren en la fase oscura de la fotosíntesis.
En el complejo de reacciones químicas de la fase oscura, para las que no se requiere luz, el lugar clave lo ocupa la unión de CO 2. Estas reacciones involucran moléculas de ATP sintetizadas durante la fase ligera y átomos de hidrógeno formados durante la fotólisis del agua y asociados con moléculas portadoras:
6СО 2 + 24Н → С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О
Así es como la energía de la luz solar se convierte en energía de enlaces químicos de compuestos orgánicos complejos.
Como se señaló anteriormente, un subproducto de la fotosíntesis en las plantas verdes es el oxígeno molecular liberado a la atmósfera. El oxígeno libre en la atmósfera es un factor poderoso en la transformación de sustancias. Su aparición sirvió como requisito previo para el surgimiento de un tipo de metabolismo aeróbico en nuestro planeta y el surgimiento de la vida en la tierra.
Quimiosíntesis. Algunas bacterias que carecen de clorofila también son capaces de sintetizar compuestos orgánicos y utilizan la energía de reacciones químicas de sustancias inorgánicas. La conversión de la energía de las reacciones químicas en energía química de los compuestos orgánicos sintetizados se llama quimiosíntesis.
La quimiosíntesis fue descubierta por el destacado microbiólogo ruso S. N. Vinogradsky (1887).
Al grupo de autótrofos-quimiosintéticos. (quimiotrofos) Incluye bacterias nitrificantes. Algunos de ellos utilizan la energía de la oxidación del amoníaco en ácido nitroso, otros, la energía de la oxidación del ácido nitroso en ácido nítrico. Se conocen quimiosintéticos que extraen energía de la oxidación del hierro ferroso en hierro férrico (“bacterias del hierro”) o de la oxidación del sulfuro de hidrógeno en ácido sulfúrico (“bacterias del azufre”). Al fijar el nitrógeno atmosférico y convertir los minerales en una forma soluble que las plantas puedan absorber, las bacterias quimiosintéticas juegan papel importante en el ciclo de las sustancias en la naturaleza.
Tipo de metabolismo heterotrófico. Los organismos que no pueden sintetizar compuestos orgánicos a partir de inorgánicos necesitan ser liberados de ambiente. Estos organismos se llaman heterótrofos. Estos incluyen la mayoría de las bacterias, hongos y todos los animales. Los animales comen otros animales y plantas y obtienen de sus alimentos carbohidratos, grasas, proteínas y ácidos nucleicos ya preparados. Durante la vida, estas sustancias se descomponen. A partir de algunas de las moléculas liberadas durante este proceso (glucosa, aminoácidos, nucleótidos, etc.), se sintetizan compuestos orgánicos más complejos característicos de un organismo determinado: glucógeno, grasas, proteínas, ácidos nucleicos. Otra parte de las moléculas se divide y la energía liberada en este caso se utiliza de por vida.
En las células tienen lugar continuamente procesos de biosíntesis. Con el Con la ayuda de enzimas, las sustancias orgánicas bastante simples se transforman en complejas de alto peso molecular: las proteínas se forman a partir de aminoácidos, los carbohidratos multimoleculares (a partir de carbohidratos simples), los nucleótidos (a partir de bases nitrogenadas y los carbohidratos), el ADN y el ARN (a partir de nucleótidos). Todas las reacciones de biosíntesis en el organismo se denominan asimilación. El proceso opuesto, que incluye la destrucción de compuestos orgánicos, es la disimilación. La energía derivada de las reacciones de disimilación es necesaria para el proceso de biosíntesis.
Puntos de anclaje
1. El metabolismo consta de dos procesos estrechamente interrelacionados y de direcciones opuestas: asimilación y disimilación.
2. La gran mayoría de los procesos vitales que ocurren en la célula requieren energía en forma de ATP.
3. La descomposición de la glucosa en organismos aeróbicos, en los que al paso anóxico le sigue la descomposición del ácido láctico con la participación de oxígeno, es 18 veces más eficiente energéticamente que la glucólisis anaeróbica.
4. La mayoría forma efectiva La fotosíntesis es aquella en la que se utiliza agua como fuente de hidrógeno.
Revisar preguntas y tareas
1. ¿Qué es la disimilación? Describe las etapas de la disimilación.
2. ¿Cuál es el papel del ATP en el metabolismo celular?
3. Cuéntenos sobre el metabolismo energético en una célula usando el ejemplo de la descomposición de la glucosa.
4. ¿Qué tipos de nutrición de organismos conoces?
5. ¿Qué organismos se llaman autótrofos?
6. Describe las fases clara y oscura de la fotosíntesis.
7. ¿Por qué las plantas verdes liberan oxígeno libre a la atmósfera como resultado de la fotosíntesis?
8. ¿Qué es la quimiosíntesis?
9. ¿Qué organismos se llaman heterótrofos? Dar ejemplos.
Usando léxico títulos “Terminología” y “Resumen”, traducir al idioma en Inglés Elementos de “puntos de anclaje”.
Terminología
Revisión del material estudiado en el Capítulo 4.Temas para discusión
¿Qué organismos se llaman autótrofos? ¿En qué grupos se dividen los autótrofos?
¿Cuál es el mecanismo para la formación de oxígeno libre como resultado de la fotosíntesis en las plantas verdes? ¿Cuál es el significado biológico y ecológico de este proceso?
¿Dónde, como resultado de qué transformaciones moleculares y en qué cantidad se forma el ATP en los organismos vivos?
Disposiciones básicas
La esencia del metabolismo es la transformación de sustancias y energía.
Las reacciones metabólicas consisten en procesos de asimilación y disimilación interconectados pero multidireccionales, cuya consistencia asegura la homeostasis del cuerpo.
El código genético es una organización históricamente establecida de moléculas de ADN y ARN, en la que la información hereditaria sobre las características y propiedades de un organismo está contenida en una secuencia de nucleótidos.
El metabolismo energético de un organismo o célula incluye tres etapas: preparatoria: la descomposición de los biopolímeros alimentarios en monómeros, la división sin oxígeno (en productos intermedios) y la división con oxígeno (en productos finales). Sólo las dos últimas etapas van acompañadas de la formación de ATP.
Areas problemáticas
¿Cómo se realiza la información hereditaria sobre las características y propiedades de los virus de ADN y ARN?
¿Cuál es el significado biológico de la redundancia del código genético?
¿Cómo se realiza la información hereditaria sobre la estructura y funciones de las moléculas no proteicas sintetizadas en la célula?
¿Crees que es posible aumentar la eficiencia de la fotosíntesis?
Aspectos de aplicación
¿Cómo crees que podemos aumentar la eficiencia de la fotosíntesis en las plantas verdes?
¿Qué ejemplos puede dar que caractericen el uso de las características metabólicas de los organismos vivos en la medicina, la agricultura y otras industrias?
Tareas
Escribe las ecuaciones de reacción para las fases clara y oscura de la fotosíntesis. Etiqueta las vías de transferencia de electrones y protones.
Describir varias reacciones descomposición de la glucosa sin oxígeno en organismos anaeróbicos y aeróbicos.
Describir el proceso de descomposición de moléculas orgánicas con la participación de oxígeno en las células de organismos aeróbicos.
Capítulo 5. Estructura y función celular.
Para las más diversas partes elementales de los organismos existe principio general estructura y desarrollo, y este principio es la formación de células.
T. Schwann
Las transformaciones bioquímicas están indisolublemente ligadas a aquellas estructuras de una célula viva que son responsables de realizar una función particular. Estas estructuras se denominan orgánulos porque, como los órganos de un organismo completo, realizan una función específica. Métodos modernos La investigación permitió a los biólogos establecer que, según la estructura de la célula, todos los seres vivos deberían dividirse en organismos "no nucleares": procariotas (literalmente, prenucleares) y "nucleares", eucariotas. El grupo de los procariotas incluye todas las bacterias y los azul-verdes (cianos), y el grupo de los eucariotas incluye hongos, plantas y animales.
Actualmente, existen dos niveles de organización celular: procariótica y eucariota. Los organismos procarióticos conservan características de extrema antigüedad: están estructurados de manera muy simple. Sobre esta base, se dividen en un reino independiente. Los organismos eucariotas contienen un núcleo limitado por una capa, así como complejas "estaciones de energía": las mitocondrias. En otras palabras, todas las células de los eucariotas “nucleares” están altamente organizadas, adaptadas al consumo de oxígeno y, por tanto, pueden producir grandes cantidades de energía.
5.1. Célula procariotaLas bacterias son células procarióticas típicas. Viven en todas partes: en el agua, en el suelo, en los alimentos. Viven en la cuenca más profunda del océano y en el pico más alto de la Tierra: el Everest, se encuentran en el hielo del Ártico y la Antártida, en fuentes subterráneas aguas calientes, capas superiores atmósfera. Esta lista de condiciones de vida ya muestra lo que alto grado Los organismos procarióticos tienen adaptabilidad, a pesar de la simplicidad de su estructura. Las bacterias son formas de vida primitivas y se puede suponer que pertenecen al tipo de seres vivos que aparecieron en las primeras etapas del desarrollo de la vida en la Tierra.
Al parecer, las bacterias originalmente vivían en los mares; Probablemente a partir de ellos se originaron los microorganismos modernos. El hombre se familiarizó con el mundo de los microbios hace relativamente poco tiempo, sólo después de que aprendió a fabricar lentes (siglo XVII) que proporcionan un aumento bastante fuerte. Los avances tecnológicos de los siglos posteriores permitieron estudiar en detalle las bacterias y otros organismos procarióticos.
Detengámonos en las características estructurales de la célula bacteriana (Fig. 5.1). Los tamaños de las células bacterianas varían ampliamente: de 1 a 10 a 15 micrones. Según su forma, se distinguen células esféricas (cocos), alargadas (bacilos o bacilos) y contorneadas (espirillas) (fig. 5.2). Dependiendo del tipo de microorganismo al que pertenezcan, existen individualmente o forman grupos característicos. Por ejemplo, el estreptococo, que causa enfermedades inflamatorias en humanos y animales, forma cadenas de varias células bacterianas; El estafilococo, que afecta el tracto respiratorio de los niños, crece en forma de formaciones que se asemejan a un racimo de uvas. Por la naturaleza de tales acumulaciones de células bacterianas y las peculiaridades de su actividad vital, los microbiólogos pueden determinar a qué tipo de microorganismo aislado pertenece.
Arroz. 5.1. Esquema de la estructura de las células procarióticas.
Arroz. 5.2. Forma y posición relativa de las bacterias: 1 – bastones, 2–4 – cocos, 5 – espirillas
La principal característica estructural de las bacterias es la ausencia de un núcleo limitado por una capa. Su información hereditaria está contenida en un cromosoma. El cromosoma bacteriano, que consta de una molécula de ADN, tiene forma de anillo y está sumergido en el citoplasma. El ADN en las bacterias no forma complejos con las proteínas y, por lo tanto, la gran mayoría de las inclinaciones hereditarias (genes que forman parte del cromosoma) "funcionan", es decir, la información hereditaria se lee continuamente de ellos. La célula bacteriana está rodeada por una membrana (ver Fig. 5.1) que separa el citoplasma de la pared celular, formada por una sustancia heteropolímera compleja. Hay pocas membranas en el citoplasma. Contiene ribosomas que llevan a cabo la síntesis de proteínas. Todas las enzimas que aseguran los procesos vitales de las bacterias están dispersas de manera difusa por todo el citoplasma o adheridas a la superficie interna de la membrana. En muchos microorganismos, las sustancias de reserva se depositan dentro de la célula: polisacáridos, grasas, polifosfatos. Estas sustancias, cuando se incluyen en los procesos metabólicos, pueden prolongar la vida de la célula en ausencia de fuentes de energía externas.
Las bacterias se multiplican dividiéndose en dos. Después de la reduplicación del cromosoma en anillo y el alargamiento de la célula, se forma gradualmente una partición transversal y luego las células hijas se dispersan o permanecen conectadas en grupos característicos: cadenas, paquetes, etc. A veces, la reproducción va precedida por un proceso sexual, la esencia de que es el intercambio de material genético y la aparición de nuevas combinaciones de genes en el cromosoma bacteriano.
Arroz. 5.3. Espora madura en una célula bacteriana.
Muchas bacterias tienen esporulación. Las disputas surgen, por regla general, cuando faltan nutrientes o cuando se acumulan en exceso productos metabólicos en el medio ambiente. La esporulación comienza con el desprendimiento de parte del citoplasma de la célula madre. La parte desprendida contiene el cromosoma y está rodeada por una membrana (fig. 5.3). Luego, la espora queda rodeada por una pared celular, a menudo multicapa. Los procesos vitales dentro de las esporas prácticamente se detienen. Las esporas bacterianas en estado seco son muy estables y pueden permanecer viables durante muchos cientos e incluso miles de años, soportando fuertes fluctuaciones de temperatura. Un ejemplo de ello son las esporas descubiertas en antiguos entierros (momias de antiguos egipcios, reservas de alimentos en varias cuevas), durante la perforación estéril del hielo que rodea el Polo Sur. Cuando se exponen a condiciones favorables, las esporas se transforman en una célula bacteriana activa. Los científicos microbiológicos cultivaron colonias de microorganismos a partir de esporas encontradas en una muestra de hielo que tenía entre 10 y 12 mil años.
Las esporas de bacterias patógenas que han permanecido latentes durante muchos años en el suelo y que llegan al agua (durante diversos tipos de actividades de riego) pueden provocar brotes de enfermedades infecciosas. Así, por ejemplo, palos. ántrax siguen siendo viables, permaneciendo en forma de esporas durante más de 30 años.
Por tanto, la esporulación en procariotas es una etapa ciclo vital, brindando la experiencia condiciones desfavorables ambiente. Además, en estado de esporas, los microorganismos pueden propagarse por el viento y otros medios.
Recientemente se distinguen dos niveles de organización celular: los procarióticos y los eucarióticos. En los organismos procarióticos se han conservado muchas características antiguas, incluida la simplicidad de su estructura. Por lo tanto, no tienen núcleos separados del protoplasma por una membrana, ni capacidad especial para reproducir orgánulos, ni formaciones esqueléticas en el citoplasma. Debido a estas características, están excluidos del reino separado de los microorganismos procarióticos. Los representantes más importantes de este reino son las eubacterias y las cianobacterias, mientras que las arqueobacterias siguen siendo las más parecidas a sus ancestros antiguos.
Puntos de anclaje
1. En los procariotas, el material genético de la célula está representado por una molécula de ADN circular.
2. Todas las bacterias, azul-verdes y micoplasmas son haploides, es decir, contienen una copia de genes.
3. En las células de los organismos procarióticos prácticamente no existen membranas internas, por lo que la mayoría de las enzimas se distribuyen de forma difusa por todo el citoplasma.
Revisar preguntas y tareas
1. ¿Qué son los orgánulos celulares?
2. ¿Cuál es la base para la división de todos los organismos vivos en dos grupos: procariotas y eucariotas?
3. ¿Qué organismos son procariotas?
4. Describe la estructura de una célula bacteriana.
5. ¿Cómo se reproducen las bacterias?
6. ¿Cuál es la esencia del proceso de esporulación en las bacterias?
Utilizando el vocabulario de los títulos “Terminología” y “Resumen”, traduzca los párrafos de “Puntos de anclaje” al inglés.
Terminología
Para cada término indicado en la columna de la izquierda, seleccione la definición correspondiente que figura en la columna de la derecha en ruso e inglés.
Seleccione la definición correcta para cada término en la columna de la izquierda entre las variantes en inglés y ruso que figuran en la columna de la derecha.
Temas para discusión
¿Cuál es la importancia de los procariotas en las biocenosis? ¿Cuál es su papel ecológico?
¿Cómo afectan los microorganismos patógenos al estado del macroorganismo (huésped)?
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