Il metabolismo e la conversione dell'energia sono alla base della vita cellulare. Metabolismo energetico nella cellula e sua essenza. L'importanza dell'ATP nel metabolismo energetico.
Scambio di plastica. Fotosintesi. Modi per aumentare la produttività delle piante agricole. Biosintesi delle proteine. Il gene e il suo ruolo nella biosintesi. Codice del DNA. Reazione di sintesi della matrice. La relazione tra i processi del metabolismo plastico e energetico.
Domande di autotest:
Cos'è la sintesi biologica?
Fornisci esempi.
Definire l'assimilazione.
Cos'è il codice genetico? Formulare le principali proprietà del codice genetico?
Dove vengono sintetizzati gli acidi ribonucleici?
Dove avviene la sintesi proteica? Raccontaci come viene effettuata la sintesi di 6elka.
Cos'è la dissimilazione? Descrivere le fasi della dissimilazione.
Qual è il ruolo dell'ATP nel metabolismo cellulare?
Spiegare il metabolismo energetico in una cellula utilizzando come esempio la degradazione del glucosio.
Quali tipi di nutrizione degli organismi conosci? Quali organismi sono detti autotrofi? In quali gruppi sono suddivisi gli organismi autotrofi?
Descrivere le fasi chiara e oscura della fotosintesi.
Perché le piante verdi rilasciano ossigeno libero nell'atmosfera come risultato della fotosintesi?
Cos'è la chemiosintesi?
Fornisci esempi di organismi fotosintetici.
Quali organismi sono detti eterotrofi?
Fornisci esempi.
Sezione 4. Riproduzione degli organismi viventi
La capacità di riprodursi, o di autoriprodursi, è una delle caratteristiche più importanti della natura organica. La riproduzione è una proprietà inerente a tutti gli organismi viventi senza eccezioni, dai batteri ai mammiferi. L'esistenza di qualsiasi specie di animali e piante, batteri e funghi, la continuità tra gli individui genitori e la loro prole è mantenuta solo attraverso la riproduzione.
La riproduzione sessuale si riferisce al cambio di generazioni e allo sviluppo di organismi basati su cellule germinali specializzate formate nelle gonadi. Nell'evoluzione della riproduzione, il metodo più progressivo si è rivelato essere quello con cui un nuovo organismo si sviluppa come risultato della fusione di due cellule germinali formate da genitori diversi. Tuttavia, negli animali invertebrati, sperma e uova si formano spesso nel corpo di un organismo. Questo fenomeno - la bisessualità - è chiamato ermafroditismo. Anche le piante da fiore sono bisessuali. Ci sono casi in cui un nuovo organismo non appare necessariamente come risultato della fusione delle cellule germinali. In alcune specie di animali e piante si osserva lo sviluppo da un uovo non fecondato. Questo tipo di riproduzione è detta vergine o partenogenetica.
La riproduzione asessuata è caratterizzata dal fatto che da un individuo asessuato si sviluppa un nuovo individuo ( cellule somatiche).
Domande di autotest:
Quali metodi di riproduzione conosci? Che è successo?
riproduzione sessuale
In quali organismi avviene la riproduzione asessuata? Quali forme di riproduzione asessuata conosci? Fornisci esempi.
Perché durante la riproduzione asessuata i figli sono geneticamente simili tra loro e al genitore?
In che modo la riproduzione sessuale differisce dalla riproduzione asessuata? Indicare le differenze tra meiosi e mitosi.
Qual è il significato biologico della meiosi? Perché le cellule germinali mature dello stesso organismo portano diverse combinazioni di geni?
Quali sono i vantaggi evolutivi della riproduzione sessuale rispetto alla riproduzione asessuata? La sintesi proteica biologica è un processo a più fasi molto complesso. È ormai dimostrato che la biosintesi delle proteine non avviene nel nucleo, ma nel citoplasma. Il DNA non è direttamente coinvolto nella sintesi proteica. Il ruolo di intermediario, la cui funzione è quella di tradurre le informazioni ereditarie sulla composizione chimica e la struttura delle proteine immagazzinate nel DNA, nella catena polipeptidica di una determinata proteina, viene svolto dagli acidi ribonucleici (i-RNA, t-RNA). L’RNA messaggero è coinvolto nella biosintesi delle proteine. Funziona come una matrice. Il numero di molecole di mRNA formate sul DNA è determinato dal numero di geni che controllano la sintesi di proteine specifiche in un particolare organismo. Ogni proteina richiede il proprio mRNA per la sintesi, una molecola della quale “cancella” la sequenza nucleotidica da una sezione di DNA uguale a un gene, e quindi l'mRNA trasferisce queste informazioni alla sequenza di amminoacidi nella catena polipeptidica della proteina . L'RNA messaggero dal nucleo penetra nel citoplasma e agisce sui ribosomi in relazione alle proteine come matrice.
La biosintesi delle proteine inizia con un processo chiamato trascrizione (dall'inglese trascrizione - riscrittura, copia). In una sezione di un gene specifico su una molecola di DNA, viene sintetizzato l'm-RNA. La sintesi dell'm-RNA viene effettuata utilizzando molti enzimi, ma ruolo principale appartiene alla RNA polimerasi, che si attacca al punto di partenza di una molecola di inizio della trascrizione del DNA chiamata promotore, svolge la doppia elica e sintetizza l'm-RNA. Il promotore si trova davanti al gene e comprende circa 80 nucleotidi negli eucarioti e circa 10 nucleotidi nei virus e nei batteri.
L'RNA polimerasi si muove lungo il gene e sintetizza l'mRNA. La molecola di m-RNA sintetizzata viene separata dal DNA e le sezioni del gene su cui si è formato questo acido vengono ricollegate. La fine della sintesi dell'm-RNA è determinata da una regione chiamata terminatore. I nucleotidi promotori e terminatori riconoscono proteine specifiche che regolano l'attività della RNA polimerasi.
È ormai dimostrato che il precursore dell'm-RNA, il cosiddetto pro-m-RNA, viene sintetizzato per primo. Questo acido ha grandi dimensioni, rispetto all'm-RNA e contiene frammenti che non codificano la sintesi della catena peptidica di una particolare proteina. Ciò è dovuto al fatto che nel DNA, insieme alle sezioni che codificano r-RNA, t-RNA e polipeptidi, ci sono frammenti che non portano informazioni genetiche. Questi frammenti sono chiamati introni e i frammenti codificanti sono chiamati esoni. Dopo la formazione del pro-RNA avviene il processo di maturazione dell'm-RNA, chiamato elaborazione. Durante il processo di maturazione dell'm-RNA, gli introni vengono rimossi da speciali enzimi e le regioni informative (esoni) vengono collegate tra loro in in rigoroso ordine utilizzando gli enzimi ligasi. Questo processo è chiamato splicing (dall'inglese splice - to splice). Significato biologico e il ruolo degli introni rimane poco chiaro. Tuttavia, è stato stabilito che quando nel DNA vengono letti solo gli esoni, l'm-RNA maturo non si forma.
La fase successiva della biosintesi è la traduzione, che avviene nel citoplasma sui ribosomi. La sua essenza è che la sequenza di disposizione dei nucleopeptidi nell'm-RNA viene tradotta in una sequenza di disposizione degli amminoacidi rigorosamente ordinata nella molecola della proteina sintetizzata. Questo processo avviene con la partecipazione attiva del t-RNA e consiste nell'attivazione degli aminoacidi e nella sintesi diretta di una molecola proteica. Gli amminoacidi liberi vengono attivati e attaccati al t-RNA utilizzando i sintetici dell'enzima aminoacil-t-RNA. Gli amminoacidi attivati dal tRNA vengono consegnati ai ribosomi. Questi organelli citoplasmatici sono costituiti da due sottoparticelle, una delle quali ha una costante di sedimentazione di 30 S, la seconda di 50 S. La molecola di m-RNA lascia il nucleo nel citoplasma e si attacca alla piccola sottoparticella ribosomiale. Il segnale per la traduzione è il codone di inizio AUG. Quando il tRNA trasporta un amminoacido attivato al ribosoma, il suo anticodone si lega al codone complementare dell'mRNA. L'estremità accettore del tRNA con il corrispondente amminoacido è attaccata alla superficie della subunità grande del ribosoma. Il tRNA successivo rilascia quindi l'amminoacido successivo, ecc. La molecola di mRNA opera su diversi ribosomi collegati per formare polisomi. L'inizio della sintesi di una catena polipeptidica è chiamato allungamento. La fine della sintesi di una catena polipeptidica è chiamata terminazione. La terminazione avviene quando uno dei codoni terminatori UAA, UAT o UGA appare sull'm-RNA.
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4.1. Anabolismo
L'insieme delle reazioni di sintesi biologica si chiama scambio di plastica O anabolismo(dal greco anabole - aumento). Il nome di questo tipo di scambio riflette la sua essenza: da sostanze semplici che entrano nella cellula dall'esterno si formano sostanze simili alle sostanze della cellula, cioè assimilazione.
Tutti i processi metabolici nella cellula e nell'intero organismo avvengono sotto il controllo dell'apparato ereditario. Possiamo dire che sono tutti il risultato dell'implementazione dell'informazione genetica presente nella cellula.
Consideriamone uno i processi più importanti manifestazioni di informazioni ereditarie durante il metabolismo plastico - biosintesi proteica.
Implementazione delle informazioni ereditarie – biosintesi delle proteine
Come già notato, l'intera varietà delle proprietà delle molecole proteiche è in definitiva determinata dalla struttura primaria, cioè dalla sequenza degli amminoacidi.
Affinché una proteina possa essere sintetizzata, sono necessarie informazioni sulla sequenza degli aminoacidi al suo interno struttura primaria devono essere consegnati ai ribosomi. Questo processo prevede due passaggi trascrizione E trasmissione.
Riso. 4.1. Trascrizione
Trascrizione(dal latino transcriptio - riscrittura) l'informazione avviene sintetizzando su una delle catene della molecola di DNA una molecola di RNA a filamento singolo, la cui sequenza nucleotidica corrisponde esattamente (complementare) alla sequenza nucleotidica della matrice - la catena polinucleotidica del DNA. Esistono speciali meccanismi di “riconoscimento”. punto di partenza sintesi, selezione del filamento di DNA da cui vengono lette le informazioni, nonché meccanismi per completare il processo. Ecco come si forma l'RNA messaggero (Fig. 4.1).
Trasmissione(dal latino translatio - trasferimento). La fase successiva della biosintesi è la traduzione delle informazioni contenute nella sequenza nucleotidica (sequenza di codoni) della molecola di mRNA nella sequenza aminoacidica della catena polipeptidica - traduzione.
Nei procarioti (batteri e piante blu-verdi), che non hanno un nucleo formato, i ribosomi possono legarsi a una molecola di mRNA appena sintetizzata immediatamente dopo la sua separazione dal DNA o anche prima che la sua sintesi sia completa. Negli eucarioti, l'mRNA deve prima essere trasportato nel citoplasma attraverso l'involucro nucleare. Il trasferimento viene effettuato da speciali proteine che formano un complesso con la molecola di RNA. Oltre a trasportare l'mRNA ai ribosomi, queste proteine proteggono l'mRNA dagli effetti dannosi degli enzimi citoplasmatici. Nel citoplasma, un ribosoma entra in una delle estremità dell'mRNA (precisamente quella da cui è iniziata la sintesi della molecola nel nucleo) e inizia la sintesi del polipeptide.
Il ribosoma si muove lungo la molecola di mRNA non in modo fluido, ma in modo intermittente, tripletta dopo tripletta (Fig. 4.2). Mentre il ribosoma si muove lungo la molecola dell'mRNA, gli amminoacidi corrispondenti alle triplette dell'mRNA vengono aggiunti uno dopo l'altro alla catena polipeptidica. L'esatta corrispondenza dell'amminoacido con il codice della tripletta di mRNA è assicurata dal tRNA. Ogni amminoacido ha il proprio t-RNA, di cui una tripletta è anticodone– complementare ad una tripletta di mRNA strettamente definita. Allo stesso modo, ogni amminoacido ha il proprio enzima che lo lega al t-RNA.
Riso. 4.2. Trasmissione
Riso. 4.3. Schema di trasmissione dell'informazione ereditaria dal DNA all'mRNA e alle proteine
Il principio generale del trasferimento delle informazioni ereditarie sulla struttura delle molecole proteiche durante la biosintesi di una catena polipeptidica è presentato nella Figura 4.3.
Dopo il completamento della sintesi, la catena polipeptidica viene separata dalla matrice, la molecola di mRNA, piegata a spirale e quindi acquisita struttura terziaria, caratteristico di questa proteina.
La molecola di mRNA può essere utilizzata ripetutamente per sintetizzare polipeptidi, proprio come un ribosoma. La descrizione della traduzione e della trascrizione è qui fornita in maniera molto semplificata. Va ricordato che la biosintesi proteica è un processo estremamente complesso associato alla partecipazione di molti enzimi e costi grande quantità energia, superando significativamente la quantità di energia generata legami peptidici. La straordinaria complessità del sistema di biosintesi e la sua elevata intensità energetica garantiscono un'elevata precisione e ordine nella sintesi dei polipeptidi.
La sintesi biologica delle molecole non proteiche nella cellula avviene in tre fasi. Innanzitutto, vengono ottenute informazioni sulla struttura di uno specifico enzima proteico e quindi, con l'aiuto di questo enzima, si forma una molecola di uno specifico carboidrato o lipide. Altre molecole si formano in modo simile: vitamine, ormoni e altre.
Punti di ancoraggio
1. Il compito principale dei processi metabolici è mantenere la costanza dell'ambiente interno del corpo (omeostasi) in condizioni di esistenza in continuo cambiamento.
2. Il metabolismo consiste in due processi interrelati: assimilazione e dissimilazione.
3. In una cellula, i processi metabolici sono associati a varie strutture di membrana del citoplasma.
4.2. Metabolismo energetico - catabolismo1. Cos'è la sintesi biologica? Fornisci esempi.
2. Definire l'assimilazione.
3. Cos'è il codice genetico?
4. Formulare le proprietà di base del codice genetico.
5. Dove vengono sintetizzati gli acidi ribonucleici?
6. Dove avviene la sintesi proteica?
7. Raccontaci come viene effettuata la sintesi proteica.
Il processo opposto alla sintesi è la dissimilazione, un insieme di reazioni di scissione. Quando i composti ad alto peso molecolare vengono scomposti, viene rilasciata l'energia necessaria per le reazioni di biosintesi. Pertanto, viene anche chiamata dissimilazione metabolismo energetico della cellula O catabolismo(dal greco katabole - distruzione).
Riso. 4.4. Schema della struttura dell'ATP e sua conversione in ADP
L'energia chimica dei nutrienti è contenuta nei vari legami covalenti tra gli atomi nelle molecole composti organici. Ad esempio, quando un legame chimico come un legame peptidico viene rotto, vengono rilasciati circa 12 kJ per 1 mole. In glucosio la quantità energia potenziale, contenuto nei legami tra gli atomi di C, H e O, è di 2800 kJ per 1 mole (cioè per 180 g di glucosio). Quando il glucosio viene scomposto, l'energia viene rilasciata gradualmente con la partecipazione di un numero di enzimi secondo l'equazione finale:
C6H12O6 + 6O2 → 6H2O + 6CO2 + 2800 kJ
Parte dell'energia rilasciata dai nutrienti viene dissipata sotto forma di calore, mentre una parte viene accumulata, cioè immagazzinata nei legami fosfatici ricchi di energia dell'ATP.
È l'ATP che fornisce energia per tutti i tipi di funzioni cellulari: biosintesi, lavoro meccanico(divisione cellulare, contrazione muscolare), trasporto attivo di sostanze attraverso le membrane, mantenimento potenziale di membrana nel processo di conduzione di un impulso nervoso, il rilascio di varie secrezioni.
La molecola di ATP è costituita dalla base azotata adenina, dallo zucchero ribosio e da tre residui di acido fosforico (Fig. 4.4). L'adenina, il ribosio e il primo fosfato formano l'adenosina monofosfato (AMP). Quando al primo si aggiunge un secondo fosfato si ottiene l'adenosina difosfato (ADP). La molecola con tre residui di acido fosforico (ATP) è quella che consuma più energia. La scissione del fosfato terminale dell'ATP è accompagnata dal rilascio di 40 kJ invece dei 12 kJ rilasciati durante la rottura dell'acido ordinario. legami chimici.
Grazie ai legami ricchi di energia presenti nelle molecole di ATP, una cellula può immagazzinare grandi quantità di energia in uno spazio molto piccolo e spenderla secondo necessità. La sintesi di ATP avviene principalmente nei mitocondri. Da qui Molecole di ATP entrano in diverse parti della cellula, fornendo energia per i processi metabolici.
Fasi del metabolismo energetico. Il metabolismo energetico è solitamente diviso in tre fasi. Prima fase – preparatorio. In questa fase, le molecole di di- e polisaccaridi, grassi, proteine si scompongono in piccole molecole: glucosio, glicerolo e acidi grassi, amminoacidi; grandi molecole di acidi nucleici - in nucleotidi. In questa fase si distingue piccola quantità energia che viene dissipata sotto forma di calore.
Seconda fase – privo di ossigeno. Viene detta anche respirazione anaerobica (glicolisi ) O fermentazione. Il termine "fermentazione" viene solitamente applicato ai processi che avvengono nelle cellule di microrganismi o piante. Le sostanze formate in questa fase nel citoplasma delle cellule con la partecipazione di enzimi subiscono un'ulteriore decomposizione. Ad esempio, nei muscoli, a seguito della respirazione anaerobica, una molecola di glucosio si scompone in due molecole di acido piruvico (C 3 H 4 O 3), che vengono poi ridotte ad acido lattico (C 3 H 6 O 3). Partecipa alle reazioni di degradazione del glucosio acido fosforico e l'ADF. In sintesi appare così:
C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2ADP → 2C 3 H 6 O 3 + 2ATP + 2H 2 O
Nei funghi di lievito, una molecola di glucosio senza la partecipazione di ossigeno viene convertita in alcol etilico e anidride carbonica (fermentazione alcolica):
C6H12O6 + 2H3 PO4 + 2ADP → 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP + 2H2O
In altri microrganismi, la glicolisi può provocare la formazione di acetone, acido acetico, ecc.
In tutti i casi, la degradazione di una molecola di glucosio è accompagnata dalla formazione di due molecole di ATP. Durante la scomposizione del glucosio senza ossigeno sotto forma di legame chimico nella molecola di ATP, il 40% dell'energia viene trattenuta e il resto viene dissipato sotto forma di calore.
La terza fase del metabolismo energetico è fase della respirazione aerobica, O scissione dell'ossigeno. Le reazioni di questa fase del metabolismo energetico si svolgono nei mitocondri. Con l'accesso dell'ossigeno alla cellula, le sostanze formate nella fase precedente vengono ossidate nei prodotti finali: H 2 O e CO 2. La respirazione dell'ossigeno è accompagnata dal rilascio di una grande quantità di energia e dal suo accumulo nelle molecole di ATP. L'equazione generale per la respirazione aerobica è simile alla seguente:
2C3H6O3 + 6O2 + 36H3 PO4 + 36ADP → 6CO2 + 42H2O + 36ATP
Pertanto, l'ossidazione di due molecole di acido lattico produce 36 molecole di ATP. Di conseguenza, la respirazione aerobica svolge il ruolo principale nel fornire energia alla cellula.
Secondo il metodo per ottenere energia, tutti gli organismi sono divisi in due gruppi: autotrofi ed eterotrofi.
4.3. Metabolismo di tipo autotroficoAutotrofi- questi sono organismi che forniscono nutrimento (cioè ricevono energia) da composti inorganici. Questi includono alcuni batteri e tutte le piante verdi. A seconda della fonte di energia utilizzata dagli organismi autotrofi per la sintesi di composti organici, sono divisi in due gruppi: fototrofi e chemiotrofi.
Riso. 4.5. Schema del processo di fotosintesi
Per i fototrofi, la fonte di energia è la luce, mentre i chemiotrofi utilizzano l'energia rilasciata durante le reazioni redox. Le piante verdi sono fototrofi. Utilizzando la clorofilla contenuta nei cloroplasti, eseguono la fotosintesi, la conversione dell'energia luminosa nell'energia dei legami chimici.
Fotosintesi. La fotosintesi è la formazione di molecole organiche (e inorganiche) da quelle inorganiche attraverso l'utilizzo di energia luce solare. Questo processo si compone di due fasi − leggero E buio(Fig. 4.5).
Nella fase luminosa, i quanti di luce - i fotoni - interagiscono con le molecole di clorofilla, per cui queste molecole si spostano per un tempo molto breve in uno stato "eccitato" più ricco di energia. L'energia in eccesso di alcune molecole di clorofilla eccitate viene quindi convertita in calore o emessa sotto forma di luce. Un'altra parte di esso viene ceduta agli ioni idrogeno H+, sempre presenti in una soluzione acquosa per effetto della dissociazione dell'acqua.
H2O → H + + OH −
Gli atomi di idrogeno risultanti (H 0) si combinano liberamente con le molecole organiche: i trasportatori di idrogeno. Ioni idrossile OH - cedono i loro elettroni ad altre molecole e si trasformano in radicali liberi OH 0. I radicali OH 0 interagiscono tra loro, provocando la formazione di acqua e ossigeno molecolare:
4OH → O2 + 2H2O
Pertanto, la fonte dell'ossigeno molecolare formato durante la fotosintesi e rilasciato nell'atmosfera è l'acqua, che viene divisa a seguito della fotolisi, la decomposizione dell'acqua sotto l'influenza della luce. Oltre alla fotolisi dell'acqua, nella fase luminosa viene utilizzata l'energia luminosa Sintesi dell'ATP da ADP e fosfato senza la partecipazione di ossigeno.
Questo è un processo molto efficiente: i cloroplasti producono 30 volte più ATP che nei mitocondri delle stesse piante con la partecipazione dell'ossigeno. In questo modo si accumula l'energia necessaria per i processi che avvengono nella fase oscura della fotosintesi.
In un complesso di reazioni chimiche della fase oscura, per il cui svolgimento la luce non è necessaria, posto chiave occupa il legame della CO2. Queste reazioni coinvolgono molecole di ATP sintetizzate durante la fase leggera e atomi di idrogeno formati durante la fotolisi dell'acqua e associati a molecole trasportatrici:
6СО 2 + 24Н → С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О
È così che l'energia della luce solare viene convertita nell'energia dei legami chimici di composti organici complessi.
Come notato sopra, un sottoprodotto della fotosintesi nelle piante verdi è l'ossigeno molecolare rilasciato nell'atmosfera. L'ossigeno libero nell'atmosfera è un potente fattore nella trasformazione delle sostanze. La sua apparizione è servita come prerequisito per l'emergere di un metabolismo di tipo aerobico sul nostro pianeta e per l'emergere della vita sulla terra.
Chemiosintesi. Alcuni batteri privi di clorofilla sono anche in grado di sintetizzare composti organici e utilizzano l’energia delle reazioni chimiche sostanze inorganiche. Viene chiamata la conversione dell'energia delle reazioni chimiche nell'energia chimica dei composti organici sintetizzati chemiosintesi.
La chemiosintesi fu scoperta dall'eminente microbiologo russo S. N. Vinogradsky (1887).
Al gruppo degli autotrofi-chemiosintetici (chemiotrofi) includono batteri nitrificanti. Alcuni di essi utilizzano l'energia dell'ossidazione dell'ammoniaca in acido nitroso, altri l'energia dell'ossidazione dell'acido nitroso in acido nitrico. Sono noti chemiosintetici che estraggono energia dall'ossidazione del ferro ferroso in ferro ferrico (“batteri del ferro”) o dall'ossidazione dell'idrogeno solforato in acido solforico (“batteri dello zolfo”). Fissando l'azoto atmosferico e convertendo i minerali in una forma solubile che può essere assorbita dalle piante, i batteri chemiosintetici giocano ruolo importante nel ciclo delle sostanze in natura.
Metabolismo di tipo eterotrofo. Gli organismi che non sono in grado di sintetizzare i composti organici da quelli inorganici necessitano di essere liberati ambiente. Tali organismi sono chiamati eterotrofi. Questi includono la maggior parte dei batteri, dei funghi e di tutti gli animali. Gli animali mangiano altri animali e piante e ottengono dal loro cibo carboidrati, grassi, proteine e acidi nucleici già pronti. Durante la vita, queste sostanze vengono scomposte. Da alcune delle molecole rilasciate durante questo processo - glucosio, amminoacidi, nucleotidi, ecc., Vengono sintetizzati composti organici più complessi caratteristici di un dato organismo: glicogeno, grassi, proteine, acidi nucleici. L'altra parte delle molecole viene divisa e l'energia rilasciata in questo caso viene utilizzata per la vita.
I processi di biosintesi si svolgono continuamente nelle cellule. Con il con l'aiuto degli enzimi le sostanze organiche piuttosto semplici vengono trasformate in complesse sostanze altamente molecolari: le proteine sono formate da aminoacidi, i carboidrati multimolecolari – da carboidrati semplici, i nucleotidi – da basi azotate e i carboidrati, DNA e RNA – da nucleotidi. Tutte le reazioni di biosintesi nell'organismo sono chiamate assimilazione. Il processo opposto, che include la distruzione dei composti organici, è la dissimilazione. L'energia derivata dalle reazioni di dissimilazione è necessaria per il processo di biosintesi.
Punti di ancoraggio
1. Il metabolismo consiste in due processi strettamente interrelati e diretti in modo opposto: assimilazione e dissimilazione.
2. La stragrande maggioranza dei processi vitali che avvengono nella cellula richiedono energia sotto forma di ATP.
3. La scomposizione del glucosio negli organismi aerobici, in cui la fase anossica è seguita dalla scomposizione dell'acido lattico con la partecipazione dell'ossigeno, è 18 volte più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alla glicolisi anaerobica.
4. La maggior parte forma efficace La fotosintesi è quella in cui l'acqua viene utilizzata come fonte di idrogeno.
Rivedi domande e compiti
1. Cos'è la dissimilazione? Descrivere le fasi della dissimilazione.
2. Qual è il ruolo dell'ATP nel metabolismo cellulare?
3. Raccontaci del metabolismo energetico in una cellula usando l'esempio della scomposizione del glucosio.
4. Quali tipi di nutrizione degli organismi conosci?
5. Quali organismi sono chiamati autotrofi?
6. Descrivi le fasi luminose e oscure della fotosintesi.
7. Perché le piante verdi rilasciano ossigeno libero nell'atmosfera come risultato della fotosintesi?
8. Cos'è la chemiosintesi?
9. Quali organismi sono chiamati eterotrofi? Fornisci esempi.
Utilizzando vocabolario le voci “Terminologia” e “Riepilogo”, si traducono in Lingua inglese Elementi “Punti di ancoraggio”.
Terminologia
Revisione del materiale studiato nel capitolo 4Domande per la discussione
Quali organismi sono detti autotrofi? In quali gruppi sono divisi gli autotrofi?
Qual è il meccanismo per la formazione di ossigeno libero come risultato della fotosintesi nelle piante verdi? Qual è il significato biologico ed ecologico di questo processo?
Dove, a seguito di quali trasformazioni molecolari e in quale quantità si forma l'ATP negli organismi viventi?
Disposizioni fondamentali
L'essenza del metabolismo è la trasformazione di sostanze ed energia.
Le reazioni metaboliche consistono in processi interconnessi ma multidirezionali di assimilazione e dissimilazione, la cui coerenza garantisce l'omeostasi del corpo.
Codice geneticoè l'organizzazione storicamente stabilita delle molecole di DNA e RNA, in cui informazioni ereditarie sulle caratteristiche e le proprietà di un organismo è contenuto in una sequenza di nucleotidi.
Il metabolismo energetico di un organismo o di una cellula comprende tre fasi: preparatoria - la scomposizione dei biopolimeri alimentari in monomeri, la scissione senza ossigeno - in prodotti intermedi e la scissione dell'ossigeno - in prodotti finali. Solo le ultime due fasi sono accompagnate dalla formazione dell'ATP.
Aree problematiche
Come si realizzano le informazioni ereditarie sulle caratteristiche e sulle proprietà dei virus a DNA e RNA?
Qual è il significato biologico della ridondanza del codice genetico?
Come si realizzano le informazioni ereditarie sulla struttura e sulle funzioni delle molecole non proteiche sintetizzate nella cellula?
Pensi che sia possibile aumentare l’efficienza della fotosintesi?
Aspetti applicativi
Come pensi che possiamo aumentare l'efficienza della fotosintesi nelle piante verdi?
Quali esempi caratterizzano l'uso delle caratteristiche metaboliche degli organismi viventi in medicina? agricoltura e altri settori, puoi citarli?
Missioni
Scrivi le equazioni di reazione per le fasi chiara e oscura della fotosintesi. Etichettare i percorsi per il trasferimento di elettroni e protoni.
Descrivere varie reazioni degradazione priva di ossigeno del glucosio negli organismi anaerobici e aerobici.
Descrivi il processo di scissione molecole organiche con la partecipazione dell'ossigeno nelle cellule degli organismi aerobici.
Capitolo 5. Struttura e funzione della cellula
Per le parti elementari più diverse degli organismi esiste principio generale struttura e sviluppo, e questo principio è la formazione delle cellule.
T. Schwann
Le trasformazioni biochimiche sono indissolubilmente legate a quelle strutture di una cellula vivente che sono responsabili dell'esecuzione di una particolare funzione. Tali strutture sono chiamate organelli poiché, come gli organi di un intero organismo, svolgono una funzione specifica. Metodi moderni La ricerca ha permesso ai biologi di stabilire che, secondo la struttura della cellula, tutti gli esseri viventi dovrebbero essere divisi in organismi "non nucleari" - procarioti (letteralmente - pre-nucleari) e "nucleari" - eucarioti. Il gruppo dei procarioti comprende tutti i batteri e i verdi-blu (ciano), mentre il gruppo degli eucarioti comprende funghi, piante e animali.
Attualmente esistono due livelli di organizzazione cellulare: procariotico ed eucariotico. Gli organismi procarioti conservano caratteristiche di estrema antichità: sono strutturati in modo molto semplice. Su questa base vengono separati in un regno indipendente. Gli organismi eucariotici contengono un nucleo limitato da un guscio, nonché complesse "stazioni energetiche" - i mitocondri. In altre parole, tutte le cellule degli eucarioti “nucleari” sono altamente organizzate, adatte al consumo di ossigeno e quindi in grado di produrre grandi quantità di energia.
5.1. Cellula procarioticaI batteri sono tipiche cellule procariotiche. Vivono ovunque: nell'acqua, nel suolo, nel cibo. Vivono nel bacino più profondo dell'oceano e sulla vetta più alta della Terra - l'Everest, si trovano nel ghiaccio dell'Artico e dell'Antartide, in fonti sotterranee acque calde, strati superiori atmosfera. Questo elenco di condizioni di vita mostra già cosa alto grado Gli organismi procarioti hanno adattabilità, nonostante la semplicità della loro struttura. I batteri sono forme di vita primitive e si può presumere che appartengano al tipo di creature viventi apparse nelle prime fasi dello sviluppo della vita sulla Terra.
Apparentemente i batteri vivevano originariamente nei mari; Probabilmente da loro hanno avuto origine i microrganismi moderni. L'uomo ha conosciuto il mondo dei microbi relativamente di recente, solo dopo aver imparato a realizzare lenti (XVII secolo) che forniscono un ingrandimento abbastanza forte. Lo sviluppo della tecnologia nei secoli successivi ha permesso di studiare in dettaglio i batteri e altri organismi procarioti.
Soffermiamoci sulle caratteristiche strutturali della cellula batterica (Fig. 5.1). Le dimensioni delle cellule batteriche variano ampiamente: da 1 a 10–15 micron. Secondo la loro forma, si distinguono le cellule sferiche: cocchi, bastoncini allungati o bacilli e contorte - spirilla (Fig. 5.2). A seconda del tipo di microrganismi a cui appartengono, esistono individualmente o formano cluster caratteristici. Ad esempio, lo streptococco, che causa malattie infiammatorie nell'uomo e negli animali, forma catene di diverse cellule batteriche; lo stafilococco, che colpisce le vie respiratorie dei bambini, cresce sotto forma di formazioni che ricordano un grappolo d'uva. In base alla natura di tali accumuli di cellule batteriche e alle peculiarità della loro attività vitale, i microbiologi possono determinare a quale tipo di microrganismo isolato appartiene.
Riso. 5.1. Schema della struttura delle cellule procariotiche
Riso. 5.2. Forma e posizione relativa dei batteri: 1 – bastoncini, 2–4 – cocchi, 5 – spirilla
La principale caratteristica strutturale dei batteri è l'assenza di un nucleo limitato da un guscio. Le loro informazioni ereditarie sono contenute in un cromosoma. Il cromosoma batterico, costituito da una molecola di DNA, ha la forma di un anello ed è immerso nel citoplasma. Il DNA nei batteri non forma complessi con le proteine, e quindi la stragrande maggioranza delle inclinazioni ereditarie - i geni che fanno parte del cromosoma - "funziona", cioè le informazioni ereditarie vengono continuamente lette da loro. La cellula batterica è circondata da una membrana (vedi Fig. 5.1), che separa il citoplasma dalla parete cellulare, formata da una sostanza eteropolimerica complessa. Ci sono poche membrane nel citoplasma. Contiene ribosomi che effettuano la sintesi proteica. Tutti gli enzimi che assicurano i processi vitali dei batteri sono diffusi diffusamente nel citoplasma o attaccati alla superficie interna della membrana. In molti microrganismi, all'interno della cellula si depositano sostanze di riserva: polisaccaridi, grassi, polifosfati. Queste sostanze, se inserite nei processi metabolici, possono prolungare la vita della cellula in assenza di fonti energetiche esterne.
I batteri si moltiplicano dividendosi in due. Dopo la duplicazione del cromosoma ad anello e l'allungamento della cellula, si forma gradualmente una partizione trasversale, e quindi le cellule figlie si disperdono o rimangono collegate in gruppi caratteristici: catene, pacchetti, ecc. A volte la riproduzione è preceduta da un processo sessuale, l'essenza di che è lo scambio di materiale genetico e l'emergere di nuove combinazioni di geni sul cromosoma batterico.
Riso. 5.3. Spora matura in una cellula batterica
Molti batteri ce l'hanno sporulazione. Le controversie sorgono, di norma, quando mancano le sostanze nutritive o quando i prodotti metabolici si accumulano in eccesso nell'ambiente. La sporulazione inizia con il distacco di parte del citoplasma dalla cellula madre. La parte staccata contiene il cromosoma ed è circondata da una membrana (Fig. 5.3). La spora è quindi circondata da una parete cellulare, spesso multistrato. I processi vitali all'interno delle spore praticamente si fermano. Le spore batteriche allo stato secco sono molto stabili e possono rimanere vitali per molte centinaia e persino migliaia di anni, resistendo a forti sbalzi di temperatura. Ne sono un esempio le spore rinvenute in antiche sepolture (mummie di antichi egizi, riserve di cibo in diverse grotte), durante la perforazione sterile dei ghiacci che circondano il Polo Sud. Quando esposte a condizioni favorevoli, le spore si trasformano in una cellula batterica attiva. Gli scienziati microbiologici hanno coltivato colonie di microrganismi da spore trovate in un campione di ghiaccio vecchio di 10-12 mila anni.
Spore di batteri patogeni rimasti dormienti per molti anni nel terreno, penetrando nell'acqua (durante vari tipi di attività di irrigazione), possono causare epidemie di malattie infettive. Quindi, ad esempio, si attacca antrace rimangono vitali, rimanendo sotto forma di spore per più di 30 anni.
Pertanto, la sporulazione nei procarioti è uno stadio ciclo vitale, fornendo l'esperienza condizioni sfavorevoli ambiente. Inoltre, allo stato di spore, i microrganismi possono diffondersi tramite il vento e altri mezzi.
Recentemente si distinguono due livelli di organizzazione cellulare: quello procariotico ed eucariotico. Negli organismi procarioti sono rimaste molte caratteristiche antiche, inclusa la semplicità della loro struttura. Pertanto, non hanno nuclei separati dal protoplasma da una membrana, nessuna capacità speciale di riprodurre organelli e nessuna formazione simile a uno scheletro nel citoplasma. A causa di queste caratteristiche sono esclusi dal regno separato dei microrganismi procarioti. Gli eubatteri e i cianobatteri sono considerati i rappresentanti più importanti di questo regno, e gli archeobatteri sono rimasti i più simili agli antichi antenati.
Punti di ancoraggio
1. Nei procarioti, il materiale genetico della cellula è rappresentato da una molecola circolare di DNA.
2. Tutti i batteri, i verdi-blu e i micoplasmi sono aploidi, cioè contengono una copia di geni.
3. Nelle cellule degli organismi procarioti non ci sono praticamente membrane interne, quindi la maggior parte degli enzimi sono distribuiti diffusamente in tutto il citoplasma.
Rivedi domande e compiti
1. Cosa sono gli organelli cellulari?
2. Qual è la base per la divisione di tutti gli organismi viventi in due gruppi: procarioti ed eucarioti?
3. Quali organismi sono procarioti?
4. Descrivere la struttura di una cellula batterica.
5. Come si riproducono i batteri?
6. Qual è l'essenza del processo di sporulazione nei batteri?
Utilizzando il vocabolario dei titoli “Terminologia” e “Riepilogo”, tradurre in inglese i paragrafi dei “Punti di ancoraggio”.
Terminologia
Per ogni termine indicato nella colonna di sinistra, seleziona la definizione corrispondente fornita nella colonna di destra in russo e inglese.
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Domande per la discussione
Qual è l'importanza dei procarioti nelle biocenosi? Qual è il loro ruolo ecologico?
In che modo i microrganismi patogeni influenzano lo stato del macroorganismo (ospite)?
Gli antibiotici sono speciali prodotti di scarto di microrganismi e loro modificazioni che hanno un'elevata attività fisiologica contro determinati gruppi di microrganismi (virus, batteri, funghi, alghe) o tumori maligni. Le idee tradizionali sugli antibiotici sono associate al loro uso diffuso nella medicina moderna e nella medicina veterinaria. Alcuni farmaci antibiotici trovano impiego come stimolanti della crescita animale, nella lotta alle malattie delle piante, nella conservazione degli alimenti e nella ricerca scientifica (nel campo della biochimica, della biologia molecolare, della genetica, dell'oncologia). Secondo la classificazione basata sulla struttura chimica, gli antibiotici possono essere suddivisi nei seguenti gruppi:
1. Composti aciclici (esclusi acidi grassi e terpeni)
2. Composti aliciclici (comprese le tetracicline)
3. Composti aromatici
5. Eterocicli contenenti ossigeno
7. Peptidi
Attualmente esistono tre metodi per ottenere antibiotici: biologico, metodo per ottenere farmaci semisintetici e sintesi composti chimici- analoghi degli antibiotici naturali.
Antibiotici sintetici
Lo studio della struttura chimica degli antibiotici ha permesso di ottenerli mediante sintesi chimica. Uno dei primi antibiotici ottenuti con questo metodo è stato il cloramfenicolo. Grandi progressi nello sviluppo e nella chimica hanno portato alla creazione di antibiotici con modifiche mirate nelle proprietà, azione di lunga durata e attivi contro gli stafilococchi resistenti alla penicillina. I farmaci a lunga durata d'azione includono ecmonovocillina, bicillina 1,3,5.
Antibiotici semisintetici
Vengono preparati utilizzando un metodo combinato: mediante sintesi biologica si ottiene il nucleo principale della molecola antibiotica nativa e mediante sintesi chimica, modificando parzialmente la struttura chimica, si ottengono farmaci semisintetici. Un grande risultato è lo sviluppo di un metodo per produrre penicilline semisintetiche. Il nucleo della molecola di penicillina, l'acido 6-aminopenicillanico (6-APA), che aveva una debole attività antimicrobica, è stato estratto mediante sintesi biologica. Aggiungendo un gruppo benzilico alla molecola 6-APA è stata creata la benzilpenicillina, che ora si ottiene anche per sintesi biologica.
Ampiamente utilizzata in medicina sotto il nome di penicillina, la benzilpeicillina ha una forte attività chemioterapica, ma è attiva solo contro i microbi gram-positivi e non influenza i microrganismi resistenti, in particolare gli stafilococchi, che formano l'enzima β-lattamasi. La benzilpenicillina perde rapidamente la sua attività in ambienti acidi e alcalini, quindi non può essere utilizzata per via orale, poiché viene distrutta nel tratto gastrointestinale. Anche i farmaci semisintetici vengono preparati sulla base dell'acido 7-amminocefalosporico (7-ASA). Derivati 7-ACC: cefalotina, cefaloridina (ceporia) non provocano reazioni allergiche nei soggetti sensibili alla penicillina. Sono stati ottenuti anche altri antibiotici semisintetici, ad esempio il rifampicip, un efficace farmaco antitubercolare.
Sintesi biologica
Completamente struttura chimica Un terzo degli antibiotici conosciuti sono stati identificati e solo la metà di essi può essere ottenuta mediante sintesi chimica. Pertanto, la sintesi microbiologica per la produzione di agenti antibiotici è molto rilevante. La sintesi di antibiotici da parte dei microrganismi è una delle forme di antagonismo; è associato ad una certa natura del metabolismo, che è sorto e si è fissato durante la sua evoluzione, cioè è una caratteristica ereditaria espressa nella formazione di una o più sostanze antibiotiche specifiche, strettamente specifiche per ciascun tipo.
La produzione industriale di antibiotici avviene solitamente mediante biosintesi e comprende le seguenti fasi:
· selezione di ceppi produttori ad alte prestazioni (fino a 45 mila unità/ml)
· scelta del mezzo nutritivo;
· processo di biosintesi;
· isolamento dell'antibiotico dal liquido di coltura;
· purificazione antibiotica.
Selezione di ceppi produttori ad alte prestazioni. I ceppi naturali sono per lo più inattivi e non possono essere utilizzati per scopi industriali. Pertanto, dopo aver selezionato il ceppo naturale più attivo, vengono utilizzati vari mutageni per aumentarne la produttività, provocando cambiamenti ereditari persistenti. I mutageni efficaci sono mutageni di natura fisica: radiazioni ultraviolette e raggi X, neutroni veloci o sostanze chimiche. L'uso di agenti mutageni consente non solo di aumentare la produttività di un ceppo naturale, ma anche di ottenere ceppi con nuove proprietà sconosciute per un microrganismo naturale.
La scelta di una composizione razionale dei mezzi nutritivi è di grande importanza per la biosintesi degli antibiotici. Il concetto di "terreno di coltura" comprende non solo una certa composizione qualitativa e quantitativa dei componenti o singoli elementi, necessario per il metabolismo costruttivo ed energetico del corpo (fonti di azoto, carbonio, fosforo, fonti di numerosi microelementi, vitamine e sostanze di crescita), ma anche fisico-chimico e fattori fisici(acidità attiva, potenziale redox, temperatura, aerazione, ecc.). Tutti questi fattori sono correlati e svolgono un ruolo significativo nello sviluppo dei microrganismi.
Quando si selezionano i terreni della composizione richiesta, è necessario tenere conto delle specificità dell'organismo coltivato. Ciò è necessario per creare condizioni ottimali che favoriscano la migliore crescita del microbo e la biosintesi dei prodotti di scarto necessari. Ad esempio, se il corpo non è in grado di sintetizzare alcuni composti essenziali per le sue funzioni vitali (come aminoacidi o vitamine) da semplici sostanze del substrato, allora per il suo sviluppo è necessario aggiungere alla composizione aminoacidi o vitamine già pronti. Tali organismi "esigenti" includono alcuni tipi di batteri (batteri lattici, ecc.). Gli attinomiceti e soprattutto le muffe, di regola, costruiscono le sostanze del loro corpo e i prodotti finali del metabolismo, che sono piuttosto complessi nella composizione, da composti formati da semplici componenti del substrato.
Metodi per coltivare produttori di antibiotici
Nelle condizioni moderne, il metodo di coltivazione profonda è riconosciuto come il metodo più promettente per coltivare microrganismi che producono antibiotici o altri composti biologicamente attivi. Il metodo consiste nel fatto che il microrganismo si sviluppa nello spessore di un mezzo nutritivo liquido, attraverso il quale viene continuamente fatta passare aria sterile e il mezzo viene miscelato.
Si possono indicare quattro principali modifiche del metodo profondo di coltivazione dei microrganismi.
1. Coltivazione in lotti. Con questo metodo l'intero processo di sviluppo dei microrganismi viene completato completamente in un fermentatore, dopodiché il fermentatore viene liberato dal liquido di coltura, lavato accuratamente, sterilizzato e riempito con terreno nutritivo fresco. Il terreno viene inoculato con il microrganismo studiato e il processo riprende.2. Metodo di svezzamento. La coltivazione dei microrganismi viene effettuata in fermentatori con prelievo periodico di parte del volume del liquido di coltura (dal 30 al 60% del volume totale). Il volume del liquido di coltura nel fermentatore viene portato al livello originale con mezzo nutritivo fresco.
3. Metodo della batteria. Lo sviluppo dei microrganismi avviene in una serie di fermentatori collegati in serie. Ad un certo stadio di sviluppo del microrganismo, il liquido di coltura viene pompato dal primo fermentatore al secondo, poi dal secondo al terzo, ecc. Il fermentatore svuotato viene immediatamente riempito con mezzo nutritivo fresco inoculato con il microrganismo. Con questo metodo di coltivazione dei microrganismi, i contenitori vengono utilizzati in modo più razionale.
4. Coltivazione continua. Il metodo è fondamentalmente diverso dalle modifiche indicate della coltivazione profonda dei produttori di antibiotici. Questo metodo si basa sul fatto che lo sviluppo di un microrganismo avviene in condizioni di flusso continuo di un mezzo nutritivo, che consente di mantenere lo sviluppo del microrganismo ad un certo stadio della sua crescita. Lo stadio di sviluppo di un microrganismo viene determinato in base a quello più vantaggioso per la massima biosintesi di un antibiotico o di un altro composto biologicamente attivo.
Un altro metodo per coltivare i microrganismi è la coltivazione superficiale. Il metodo di coltivazione superficiale su vari terreni di agar è ampiamente utilizzato nella pratica di laboratorio e in alcuni processi industriali, in particolare per la conservazione delle colture di raccolta, per lo studio delle proprietà fisiologiche e biochimiche dei microrganismi e per scopi analitici. Su scala industriale, questo metodo ha trovato applicazione nell'ottenimento di materiale sporale per la produzione di acidi organici utilizzando muffe del genere Aspergillus.
Nel metodo superficiale, la coltura del microrganismo produttore viene coltivata sulla superficie di un sottile strato di terreno liquido o solido. I mezzi nutritivi liquidi sono utilizzati principalmente nella produzione di acidi organici (citrico, itaconico), solidi - nella produzione di complessi a base di materie prime contenenti amido e cellulosa.
I metodi per isolare gli antibiotici dal liquido di coltura sono molto diversi e sono determinati dalla natura chimica dell'antibiotico. Principalmente vengono utilizzati i seguenti metodi:
1. Seminare una sospensione di terreno in acqua sulla superficie di una piastra di agar. Un certo campione di terreno, ben macinato in un mortaio con un piccolo volume di acqua, viene trasferito quantitativamente in un pallone con acqua sterile. Si agita il contenuto del pallone per 5 minuti, quindi dalla sospensione acquosa si effettuano una serie di diluizioni successive, che si seminano sull'apposito terreno opportuno. Per ottenere in futuro colture pure, le singole colonie, dopo l'incubazione in un termostato alla temperatura desiderata, vengono sottocoltivate in provette con agar nutriente inclinato. Ogni coltura pura di un microrganismo viene subcoltivata in terreni di diversa composizione e, dopo uno sviluppo sufficientemente buono, vengono controllate le sue proprietà antibiotiche.
2. Semina del terreno su agar nutriente, precedentemente seminato con un organismo di prova. La superficie dell'agar nutriente viene seminata con una coltura di prova dell'organismo richiesto, dopo di che piccoli grumi di terreno, non più grandi dei chicchi di miglio, vengono disposti sulla piastra di agar, oppure il terreno viene applicato sotto forma di polvere, distribuendolo su tutta la superficie della piastra. Quindi le tazze vengono poste in un termostato e dopo un certo periodo di tempo (24-48 ore, e talvolta più) vengono esaminati pezzi di terreno o singole sezioni di esso, attorno alle quali si sono formate zone di crescita inibita dell'organismo di prova. Colture pure di organismi vengono isolate da queste aree e sottoposte a ulteriori studi.
3. Metodo di arricchimento del suolo. Il terreno da cui si suppone isolare gli antagonisti viene arricchito con organismi di quelle specie per le quali si desidera ottenere un antagonista. A questo scopo, ai campioni di terreno posti in recipienti di vetro viene aggiunta sistematicamente una sospensione lavata dei microrganismi desiderati. Quindi, a determinati intervalli, tale terreno viene seminato sotto forma di zolle separate su piastre di agar in piastre Petri, precedentemente inoculate con lo stesso organismo utilizzato per arricchire il terreno.
4. Metodo di centrifugazione della sospensione del terreno. Per isolare gli attinomiceti dai suoli e soprattutto dai suoli in primavera, quando si sviluppano gran numero funghi e batteri, viene utilizzato il metodo di centrifugazione della sospensione del terreno. Il metodo si basa sulla differenza nella velocità di sedimentazione dei singoli tipi di microrganismi in un campo centrifugo. A 3000 giri al minuto per 20 minuti, particelle corrispondenti per dimensioni a spore di muffe o cellule batteriche si depositano sul fondo della provetta. Le particelle corrispondenti per dimensione alle spore degli actinomiceti compaiono ad una determinata velocità di centrifugazione nello strato superficiale del liquido. Seminando il liquido surnatante, nella maggior parte dei casi (fino al 92%) è possibile ottenere solo colonie di attinomiceti su piastre di agar nutriente.
5. Metodo di congelamento - scongelamento del suolo.È noto che i microrganismi nel terreno si trovano in uno stato adsorbito sulle particelle del terreno. Per completare il desorbimento dei microrganismi dalle particelle di terreno, vengono utilizzati vari metodi: chimico, in cui i campioni di terreno vengono trattati con vari detergenti, fisico, che si basa sul metodo di macinazione meccanica dei campioni di terreno.
Per un migliore desorbimento dei microrganismi dalle particelle del terreno, si consiglia di utilizzare il metodo di congelamento-scongelamento del terreno. L'essenza del metodo è la seguente. Il campione di terreno selezionato per l'isolamento degli attinomiceti viene posto nell'evaporatore di un frigorifero domestico ad una temperatura di 8°. Dopo un'ora, il campione viene tolto dal frigorifero e mantenuto a temperatura ambiente fino a completo scongelamento. La procedura di congelamento-scongelamento viene ripetuta due volte. Quindi un campione di terreno viene posto in acqua di rubinetto sterile, la sospensione viene agitata per 15 minuti su un agitatore circolare a 230 giri al minuto, dopodiché varie diluizioni della sospensione vengono seminate su una piastra di agar nutriente in piastre Petri.
Il metodo di congelamento e scongelamento dei campioni di terreno consente di rilevare in essi 1,2-3,6 volte più attinomiceti rispetto agli stessi campioni senza congelamento. Ciò è apparentemente dovuto all'aumento del desorbimento degli attinomiceti dalla superficie delle particelle del suolo. L'antibiotico viene purificato mediante metodi cromatografici (cromatografia su ossido di alluminio, cellulosa, scambiatori di ioni) o estrazione in controcorrente. Gli antibiotici purificati sono liofilizzati. Dopo che l'antibiotico è stato isolato, viene testata la sua purezza. Per fare ciò, determinarne la composizione elementare, le costanti fisico-chimiche (punto di fusione, peso molecolare, adsorbimento nelle regioni visibile, UV e IR dello spettro, rotazione specifica). Vengono inoltre studiate l'attività antibatterica, la sterilità e la tossicità dell'antibiotico.
La tossicità degli antibiotici viene determinata in animali da esperimento, ai quali vengono somministrati per via endovenosa, intraperitoneale, intramuscolare o altrimenti per un certo periodo di tempo varie dosi dell'antibiotico in studio. Se entro 12-15 giorni non si verificano cambiamenti esterni nel comportamento degli animali, si ritiene che l'antibiotico testato non abbia proprietà tossiche evidenti. Uno studio più approfondito determinerà se un dato antibiotico presenta una tossicità nascosta e se colpisce singoli tessuti e organi degli animali. Allo stesso tempo, viene studiata la natura dell'azione biologica dell'antibiotico: batteriostatica o battericida, che consente di prevedere i meccanismi delle sue proprietà antibatteriche.
La fase successiva dello studio di un antibiotico è la valutazione delle sue proprietà terapeutiche. Gli animali da esperimento vengono infettati da un certo tipo di microbo patogeno. La quantità minima di antibiotico che protegge un animale da una dose letale di infezione è la dose terapeutica minima. Maggiore è il rapporto tra la dose tossica dell'antibiotico e la dose terapeutica, maggiore è l'indice terapeutico. Se la dose terapeutica è uguale o vicina alla dose tossica (basso indice terapeutico), la probabilità di utilizzare l'antibiotico nella pratica medica è limitata o completamente impossibile. Nel caso in cui un antibiotico entri nella pratica medica diffusa, viene sviluppato metodi industriali la sua preparazione e studiarne nel dettaglio la struttura chimica.
Standardizzazione degli antibiotici
Un'unità di attività antibiotica è la quantità minima di antibiotico in grado di sopprimere lo sviluppo o ritardare la crescita di un ceppo microbico di prova standard in un determinato volume di mezzo nutritivo. L'entità dell'attività biologica degli antibiotici è solitamente espressa in unità di dose standard (ED) contenute in 1 ml di soluzione (U/ml) o 1 mg di farmaco (U/mg). Ad esempio, un'unità di attività antibiotica della penicillina è considerata la quantità minima del farmaco in grado di inibire la crescita del ceppo standard di Staphylococcus aureus 209 in 50 ml di brodo nutriente. Per la streptomicina, un'unità di attività è considerata la quantità minima di antibiotico che inibisce la crescita di E. coli in 1 ml di brodo nutriente.
Dopo che molti antibiotici furono ottenuti in forma pura, alcuni di essi iniziarono a esprimere l'attività biologica in unità di massa. Ad esempio, è stato riscontrato che 1 mg di streptomicina base pura equivale a 1000 unità. Pertanto, 1 unità di attività della streptomicina equivale a 1 μg della base pura di questo antibiotico. Pertanto, nella maggior parte dei casi, la quantità di streptomicina è ora espressa in μg/mg o μg/ml. Quanto più il numero di mcg/mg nelle preparazioni di streptomicina si avvicina a 1000, tanto più puro sarà il farmaco. È chiaro che l'unità di attività biologica di un antibiotico non sempre coincide con 1 mcg. Ad esempio, per la benzilpenicillina, 1 unità equivale a circa 0,6 mcg, poiché 1 mg di antibiotico contiene 1667 unità.
Metodi di analisi degli antibiotici
A differenza di altri composti naturali (alcaloidi, glicosidi), per gli antibiotici non esistono reazioni di gruppo generali. Tali reazioni possono essere utilizzate solo per antibiotici di una classe chimica, ad esempio per le tetracicline o le nitrofenilalchilammine (cloramfenicolo). Per identificare gli antibiotici si possono utilizzare varie reazioni cromatiche ai corrispondenti gruppi funzionali; caratteristiche spettrali nelle regioni visibile, UV e IR dello spettro; metodi cromatografici. Per la determinazione quantitativa degli antibiotici vengono utilizzati metodi biologici, chimici e fisico-chimici.
I metodi biologici si basano sull'effetto biologico diretto dell'antibiotico sull'organismo testato utilizzato, che è sensibile a questo antibiotico. Il metodo di diffusione utilizzato si basa sulla capacità delle molecole antibiotiche di diffondere nell'agar. Viene stimata la dimensione della zona in cui gli organismi di prova utilizzati non si sviluppano. Questa dimensione dipende dalla natura chimica dell'antibiotico, dalla sua concentrazione, dal pH, dalla composizione del mezzo e dalla temperatura dell'esperimento.
Un altro tipo di test biologico si basa sulla turbidimetria, un metodo di analisi quantitativa basato sull'intensità della luce assorbita dalle particelle sospese - cellule microbiche. Quando vengono aggiunte determinate quantità di antibiotici, si verifica un ritardo nella crescita delle cellule microbiche (effetto batteriostatico) e quindi la loro morte (effetto battericida). In questo caso l'intensità della luce assorbita cambia (diminuisce). In alternativa alla turbidimetria può essere utilizzato il metodo nefelometrico di analisi quantitativa dell'intensità della luce diffusa dai microrganismi.
Per la determinazione quantitativa degli antibiotici vengono utilizzati diversi metodi spettrali, principalmente metodi fotocolorimetrici e spettrofotometrici. Ad esempio, per determinare la concentrazione di una soluzione di eritromicina, si può utilizzare un metodo fotocolorimetrico, basato sulla variazione dell'assorbimento della soluzione antibiotica dopo la sua interazione con l'acido solforico. Gli antibiotici della serie delle tetracicline possono essere determinati spettrofotometricamente dalla banda di assorbimento che scompare dopo l'idrolisi alcalina del principio attivo. È stato sviluppato un metodo che combina approcci fisico-chimici e biologici per valutare l'attività dei farmaci. Il metodo si basa sulla diffrazione laser in un mezzo contenente cellule microbiche sotto l'influenza di sostanze chimiche, in particolare antibiotici.
Conservazione dei ceppi produttori di antibiotici in uno stato attivo
I metodi per mantenere la vitalità degli organismi che consentono di mantenere la loro attività antibiotica a un livello costante sono importanti per la produzione industriale di antibiotici, nonché per gli studi di laboratorio sui produttori di sostanze antibiotiche. È noto che i microrganismi, e in particolare gli attinomiceti, vengono facilmente modificati mediante metodi di conservazione convenzionali. Inoltre, molto spesso si verifica una perdita totale o parziale delle proprietà antibiotiche. La perdita delle proprietà antibiotiche sembra dipendere dal fatto che non siamo in grado, in normali condizioni di coltivazione, di creare condizioni che facilitino la conservazione da parte dell’organismo delle sue caratteristiche fisiologiche fondamentali. La perdita di attività si osserva spesso quando i microrganismi vengono coltivati su terreni ricchi di composizione e con frequente risemina.
Allo stesso tempo, i cambiamenti nelle proprietà fisiologiche o biochimiche dei produttori di sostanze antibiotiche possono essere determinati dai loro modelli genetici. È noto, ad esempio, che il produttore della gramicidina C durante lo sviluppo si dissocia in numerose varianti, alcune delle quali non formano questo antibiotico. Inoltre, il processo di dissociazione della coltura va nella direzione della formazione di un gran numero di varianti biologicamente inattive, che alla fine porta alla completa perdita della capacità della coltura di formare gramicidina. Attualmente vengono utilizzati numerosi metodi per preservare le colture dei produttori di antibiotici, garantendo la loro permanenza a lungo termine in uno stato attivo. Questi metodi si basano sul principio di ritardare lo sviluppo dei microrganismi, il principio di conservazione. Per ogni tipologia di produttore di sostanze antibiotiche deve essere scelto il metodo di conservazione più idoneo, che consenta di mantenere le colture allo stato attivo per un tempo relativamente lungo.
I metodi più comuni per conservare le colture di microrganismi che producono antibiotici allo stato attivo sono i seguenti.
1. Liofilizzazione delle colture.
2. Conservare cellule vegetative o spore di organismi in terreno sterile, sabbia sterile o sui semi di alcune piante (ad esempio il miglio). Secondo numerosi autori, le colture di attinomiceti nel terreno sterile rimangono vitali per 30 anni o più.
3. Conservazione delle spore sotto forma di sospensioni acquose in fiale sigillate.
4. Conservazione delle spore in sabbia di quarzo sterile.
5. Conservare le colture su un tampone di agar sotto olio minerale.
6. Stoccaggio delle colture a basse temperature (+4, +5°C).
7. Recentemente, per preservare vari microrganismi in uno stato attivo, viene utilizzato azoto liquido, a cui viene aggiunta una sospensione cellulare lavata dal mezzo. A volte le colture di attinomiceti vengono conservate nella fase gassosa dell'azoto liquido su blocchi di agar tagliati da una piastra di agar in piastre Petri.
La migliore forma di conservazione degli organismi, in cui non vi è perdita di attività antibiotica, è la loro liofilizzazione: il metodo è adatto sia per colture di microrganismi sporigeni che non sporigeni. L'essenza di questo metodo è che una sospensione di cellule o spore di un microrganismo, preparata in un mezzo ricco di proteine (per questi scopi viene spesso utilizzato il siero del sangue), viene rapidamente congelata a una temperatura compresa tra - 40 e - 60 ° C e essiccato sotto vuoto fino all'umidità residua (0,5-0,7%). Dopo tale trattamento, le fiale con spore o cellule del microbo liofilizzato vengono sigillate. Le forme liofilizzate di batteri possono essere conservate per 16-18 anni. Le spore fungine non perdono le loro proprietà di base se conservate in forma liofilizzata per 10 anni;
Cos'è la sintesi biologica? Fornisci esempi.
La sintesi biologica è il processo di formazione di macromolecole biologiche, la cui struttura è determinata dalla sequenza nucleotidica nella molecola di DNA (sintesi proteica). La sintesi dei biopolimeri non proteici avviene come segue: in primo luogo, viene sintetizzato un enzima proteico e con il suo aiuto si formano molecole di carboidrati, lipidi, ormoni e vitamine.
Definire l'assimilazione.
L'assimilazione (anabolismo o metabolismo plastico) è un insieme di reazioni di sintesi biologica durante le quali si formano sostanze simili a quelle della cellula a partire da sostanze semplici che entrano nella cellula dall'esterno.
Cos'è il codice genetico?
Il codice genetico è un sistema unificato per la registrazione delle informazioni ereditarie nelle molecole di DNA e RNA sotto forma di una sequenza di nucleotidi in esse contenute. Trasporta informazioni sull'ordine degli aminoacidi nella catena polipeptidica.
Formulare le proprietà di base del codice genetico.
1. Specificità. La stessa tripletta corrisponde sempre ad un solo amminoacido.
2. Ridondanza. Esistono 64 possibili combinazioni di quattro basi azotate (3 in una tripletta) e codificano per 20 amminoacidi. Di conseguenza, alcuni aminoacidi sono codificati da più triplette, il che aumenta l'affidabilità della trasmissione delle informazioni ereditarie.
H. Versatilità. Il codice genetico è universale per tutti gli organismi viventi. Ad esempio, è lo stesso nell’E. coli e nell’uomo.
4. Non sovrapposte. Le triplette che codificano gli amminoacidi non si sovrappongono mai, ma vengono sempre lette e trasmesse nel loro insieme. Non è possibile utilizzare la base azotata di una tripletta in combinazione con le basi azotate di un'altra tripletta.
Dove vengono sintetizzati gli acidi ribonucleici?
Le informazioni sulla struttura di tutti i tipi di RNA sono contenute nella sequenza nucleotidica del DNA e si realizzano in un unico passaggio attraverso la sintesi complementare di una molecola di RNA su una delle catene di molecole di DNA, cioè come risultato della trascrizione.
Dove avviene la sintesi proteica?
L'assemblaggio diretto della molecola proteica avviene nel citoplasma, sui ribosomi.
Spiegare come avviene la sintesi proteica.
Il processo di sintesi proteica si svolge in due fasi:
Il primo stadio è la trascrizione, la traduzione dell'informazione da una sequenza di triplette di DNA in una sequenza di triplette di RNA. Viene effettuato mediante sintesi complementare dell'RNA messaggero su una delle catene della molecola di DNA.
La seconda fase è la traduzione, il trasferimento di informazioni dalla sequenza delle triplette di RNA messaggero alla sequenza aminoacidica della catena polipeptidica. Viene effettuato selezionando gli anticodoni dell'RNA di trasferimento nei codoni (triplette) dell'RNA messaggero secondo il principio di complementarità. Se l'anticodone dell'RNA di trasferimento è complementare al codone dell'RNA messaggero, allora si verifica una connessione tra loro e l'amminoacido viene incluso nella catena polipeptidica. Questo processo avviene nel citoplasma, sui ribosomi, che sono, per così dire, legati a un'estremità dell'RNA messaggero e si muovono lungo di esso, tripletta dopo tripletta.
Cos'è la dissimilazione? Descrivere le fasi della dissimilazione.
La dissimilazione (catabolismo, metabolismo energetico) è un processo inverso alle reazioni di assimilazione. I biopolimeri complessi si scompongono per formare sostanze semplici. Questo rilascia l'energia necessaria per le reazioni di biosintesi.
Ci sono tre fasi del metabolismo energetico.
1. Preparatorio. In questa fase, le molecole di polisaccaridi, proteine e grassi si scompongono in molecole più piccole: glucosio, amminoacidi, acidi grassi e glicerolo. Tutta l'energia rilasciata viene dissipata sotto forma di calore.
2. Anossico (respirazione anaerobica o glicolisi). Questa fase di ossidazione incompleta è anche chiamata fermentazione. L'ossidazione anaerobica di 1 molecola di glucosio produce 2 molecole di ATP. Il 40% dell'energia rilasciata viene immagazzinata nell'ATP, il resto viene dissipato sotto forma di calore.
3. Scissione dell'ossigeno (respirazione aerobica). In questa fase, i composti organici vengono ossidati nei prodotti finali CO2 e H20. La scissione dell'ossigeno è accompagnata dal rilascio di una grande quantità di energia e dall'immagazzinamento del 60% di essa in 36 molecole di ATP.
Qual è il ruolo dell'ATP nel metabolismo cellulare?
L'energia rilasciata durante l'ossidazione dei nutrienti nella cellula viene immagazzinata nei legami fosfatici della molecola di ATP. L'ATP fornisce energia per tutte le funzioni cellulari: biosintesi, divisione cellulare, contrazione muscolare, trasporto di sostanze attraverso la membrana, mantenimento del potenziale di membrana e conduzione degli impulsi nervosi.
La molecola di ATP è costituita dalla base azotata adenina, dallo zucchero ribosio e da tre residui di acido fosforico.
Raccontaci del metabolismo energetico in una cellula usando come esempio la scomposizione del glucosio.
1. Fase preparatoria. La scomposizione del glicogeno o dell'amido in molecole di glucosio:
(C6H10O5)n + nH2O > C6H12O6
2. Ossidazione anaerobica. Da una molecola di glucosio si formano 2 molecole di acido piruvico, 2 molecole di ATP e 2 molecole di acqua. Le molecole di acido piruvico vengono successivamente ridotte ad acido lattico:
C 6H 12O 6 + 2H 3PO 4 + 2ADP > 2C 3H 6O 3 +2ATP +2H 2O
3. Ossidazione dell'ossigeno. Le molecole risultanti di acido lattico e la presenza di ossigeno vengono ossidate anidride carbonica e acqua per formare 36 molecole di ATP:
2SZNb03 + 60236ADF + 36NZRO.1 -
E6C02+42H20+36ATP.
Quali tipi di nutrizione degli organismi conosci?
In base al tipo di nutrizione, tutti gli organismi sono divisi in autotrofi ed eterotrofi.
Quali organismi sono detti autotrofi?
Gli autotrofi sono organismi che vivono di una fonte inorganica di carbonio - anidride carbonica, utilizzando l'energia della luce solare per eseguire processi di sintesi - fototrofi o l'energia dei legami chimici - chemiotrofi.
Descrivere le fasi chiara e oscura della fotosintesi.
La fotosintesi è il processo di formazione di composti organici da quelli inorganici utilizzando l'energia della luce solare. Ci sono fasi chiare e scure della fotosintesi.
Fase leggera della fotosintesi. Si verifica l'assorbimento quantico da parte delle clorofille e la fotolisi (decomposizione) dell'acqua. In questo modo si formano molecole di ATP, idrogeno atomico H", che vengono ulteriormente utilizzati nella fase oscura per la sintesi del glucosio, e ossigeno molecolare (come sottoprodotto) rilasciato nell'ambiente.
Fase oscura della fotosintesi. Il glucosio si forma dall'anidride carbonica assorbita dall'esterno, dall'idrogeno H ottenuto durante la fase luminosa, con relativo costo Energia dell'ATP, sintetizzato anche nella fase leggera.
Perché le piante verdi rilasciano ossigeno libero nell'atmosfera come risultato della fotosintesi?
Durante le reazioni della fase leggera della fotosintesi, sotto l'influenza dei quanti di luce e in seguito all'interazione con la clorofilla, avviene la decomposizione (fotolisi) in idrogeno atomico e radicali liberi. Questi ultimi interagiscono tra loro formando ossigeno libero e acqua.
Poiché l'ossigeno non è incluso nell'ulteriore cascata di reazioni di fotosintesi, viene rilasciato nell'ambiente esterno.
Cos'è la chemiosintesi?
La chemiosintesi è il processo di sintesi di composti organici utilizzando il carbonio dall'anidride carbonica utilizzando l'energia dei legami chimici delle sostanze inorganiche.
Quali organismi sono detti eterotrofi? Fornisci esempi.
Gli eterotrofi sono organismi che utilizzano una fonte di carbonio organico. Questi includono tutti gli animali, i funghi e la maggior parte delle piante.
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