Регуляторы биомолекулярных процессов реферат

Обновлено: 05.07.2024

На предлагаемом уроке различными формами и методами работы формируется целостное представление о механизмах регуляции в живой природе на разных уровнях жизни.

В ходе подготовки к уроку учащиеся класса распределяются на 5 групп по своим интересам, и выбирают предложенные преподавателем тему, для групповой проектной деятельности с использованием ИКТ.

В группах в ходе консультаций распределяются вопросы между учениками. Определяются темы конкретных выступлений с методическим обеспечением, позволяющих максимально эффективно решить задачи, поставленные перед группой.

Составляются алгоритмы для подготовки выступлений и работы над проектом. Каждая группа в результате работы над проектом готовят свои презентационные работы на компьютере.

Первая и вторя группы: генетики – строение гена и регуляция на молекулярном уровне

Третья, четвертая и пятая группы: цитологи – регуляция клеточных функций.

Примерный алгоритм работы учащихся на уроке

Этап урока, изучаемый вопрос	Краткие тезисы, выводы	Оценка деятельности
Кратко фиксируются основные этапы работы, проблемные вопросы, вопросы практических заданий и др.	Записываются выводы, решения задач, основные тезисы выступлений, словесные и логические схемы	По каждому виду деятельности оценивается собственная работа и работа других членов группы, класса.

ПЛАН УРОКА

Актуализация темы урока – 10 мин.
Изучение нового материала – 60 мин.
Обобщение (закрепление) урока – 15 мин.
Подведение итогов урока – 4 мин.
Домашнее задание – 1 мин

ХОД УРОКА

I. Актуализация знаний.

Перед учащимися ставятся вопросы:

Рассматривали ли мы вопросы регуляции при изучении биологии?
Когда впервые мы говорили о процессах регуляции? При изучении каких тем, разделов и курсов биологии?
Происходит ли регуляция функций у растений, одноклеточных организмов?

Учащиеся отвечают на вопросы, используя знания предыдущих разделов биологии.

По итогам беседы формулируем цели урока:

повторить и обобщить учебный материал о регуляции функций в органическом мире,
совершенствовать и расширить понятия о регуляции развития организмов и роли генотипа в этом процессе,
продолжать формировать и совершенствовать навыки учебной деятельности (классификация, обобщение, выделение существенных признаков и закономерностей с использованием средств мультимедиа),

Затем предлагается просмотреть видеофрагмент гуморальная регуляция мочеотделения человека и ответить на вопрос: Какие способы регуляции вы еще знаете?

После обсуждения этих вопросов ставится проблемный вопрос:

Какие способы и механизмы регуляции могут существовать в биологических системах?

II. Работа групп

1 и 2 группы – генетики.

Регуляция на молекулярном уровне

Цель работы: Обобщить и расширить знания о регуляции биологических процессов на молекулярном уровне.

Цель: Углубить и систематизировать знания обучающихся о строение гена.

В результате анализа строения гена делается вывод:

Сама структура гена предполагает процесс регуляции транскрипции – наличием промотора и терминатора, а трансляции – наличием старт-кодона и стоп-кодона.

Следующее выступление о механизме процессинга. (слайд 4, приложение 1)

Цель: Раскрыть механизм процессинга с целью формирования знаний о роли этого процесса, опираясь на знания молекулярной биологии и генетики.

В итоге формулируем вывод:

В ходе процессинга происходит изменение первичной структуры гена и путем кэпирования и полиаденилирования стабилизируются молекулы и-РНК и создаются информосомы.

Цель следующего выступления: раскрыть особенности регуляции синтеза белка на примере работы лактозного оперона (слайды 5-7, приложение 1).

Ген-регулятор кодирует белок-репрессор. Если в бактерию попадает лактоза, она связывается с белком-репрессором, образуя комплекс, который не может блокировать оператор. Оператор и промотор освобождаются, с промотором связывается фермент РНК-полимераза и начинается транскрипция и-РНК, с которой синтезируются ферменты, необходимые для усвоения лактозы.

Вывод: регуляция лактозного оперона осуществляется на этапе транскрипции продуктами, которые вступают в реакции метаболизма (в данном случае лактозы).

Работа с терминами. Один из членов группы генетиков готовит представление терминов, которые применялись при изученни регуляции на молекулярном уровне: белок-репрессор, ген-регулятор, интрон, лактоза, оператор, промотор, процессинг, сплайсинг, старт-кодон, стоп-кодон, транскрипция, трансляция, терминатор транскрипции (слайд 9, приложение 1).

Закрепление и обобщение знаний. Работа по закреплению рассмотренного материала на предлагаемом уроке можно проводить в двух вариантах.

Первый вариант – предлагаются задания разного уровня сложности, проецируемые на экран:

Проанализируйте соответствие следующих утверждений данным современной науки:
а) белковые молекулы служит матрицами, вокруг которых кристаллизуются новые молекулы (Кольцов);
б) ген может сохранятся в неизменном виде в течение миллионов лет (Серебряковский);
в) гены продуцируют копии самих себя, которые выходят в цитоплазму, обладают способностью к самовоспроизведению и контролируют типы и количество синтезируемых белков (Шпигельманн)
У большинства эукариот есть несколько сотен генов, кодирующих одну и ту же и-РНК. Как вы думаете, в чем смысл такого излишества?
Мутации в каких участках ДНК кишечной палочки, могут приводить к появлению бактерий:
а) не растущих на лактозе?
б) способных усваивать лактозу в присутствии глюкозы?
Механизм регуляции работы лактозного оперона работает с отрицательной или положительной обратной связью?

Второй вариант – с целью более глубокого познания механизма регуляции работы лактозного оперона в профильных классах можно использовать элементы биологического моделирования. Принцип моделирования заключается в том, что в Excel задаются определенные параметры (в конкретном случае) работы лактозного оперона. Ученик, изменяя содержание разных компонентов модели, реально на графике наблюдает происходящие события. При моделировании используем ноутбуки мобильного компьютерного класса.

Для работы с моделью предлагается следующий алгоритм:

Внимательно рассмотрите предложенную модель
Измените количество лактозы (индуктора, поступающего из внешней среды)
- уменьшите (отметьте, что происходит)
- увеличите (отметьте, что происходит)
Такие же действия проделайте с другими компонентами процесса.
Изменяйте только содержание лактозы (индуктора), что наблюдаете? Какменяется работа лактозного оперона? Обоснуйте результаты эксперимента.

Наличие индуктора (лактозы) определяет процесс синтеза белка, содержание которого играет важную роль в регуляции механизма синтеза белка фермента

Далее изменяем показатель коэффициента синтеза белка при одной трансляции и получаем следующую картину

Изменяем пороговое значение для включения репрессора и результат другой

Обсуждаются предложенные задания, или результаты моделирования и формулируется вывод:

Все механизмы регуляции происходят на уровне транскрипции или трансляции. Рассмотренный механизм регуляции лактозного оперона работает с положительной обратной связью.

Логические задачи можно использовать как при закреплении изученного вопроса, так и вначале рассматриваемых вопросов.

Что произойдет, если клетку, ядро которой приступило к митозу слить клеткой, находящейся в интерфазе?
Как вы считаете, на каких стадиях метаболических путей, обычно расположены ключевые ферменты? На начальных или на конечных?
Рецепторы стероидных гормонов расположены в цитоплазме. Как они достигают рецепторов?
Боевые нервно-паралитические ОВ (зарин, зоман, V-газы) необратимо ингибируют ацетилхолинэстеразу. Отчего наступает смерть при отравлениях ими?

В ходе беседы выясняется, что не на все вопросы заданий обучающиеся дают достаточно обоснованные ответы. Создается проблемная ситуация. Учащиеся сами формулируют цели работы этой группы:

Определить особенности и механизмы регуляции функций на клеточном уровне

Регуляция клеточных функций (цитологи)

Работа цитологовначинается с освящения механизма регуляции клеточного деления.

Цель: раскрыть процесс и условия регуляции клеточного деления.

Регуляция деления происходит не только при достижении клеткой определенного размера. В клетке приступающей к делению начинают синтезироваться белки – регуляторы митозстимулирующий фактор (МСФ) и циклины, концентрация которых постепенно растет в интерфазе. При достижении определенной концентрации начинается синтез МСФ и начинается митоз (слайд 3, приложение 3)

Вывод: В клетке происходит компактизация хромосом и деление начинается даже, если не произошло удвоение хромосом при наличии МСФ, который запускает механизм деления.

Затем цитологии представляют вопросы регуляции процессов самоподдержания в клетке. Синтез АТФ в клетке зависит от его концентрации в клетке. Высокое содержание АТФ в клетке ингибирует ключевой фермент и расщепление веществ не происходит, что в конечном итоге исключает образование АТФ (слайды 4 приложение 3)

Вывод:

высокое содержание АТФ ингибирует синтез ферментов,необходимых для собственного синтеза
ключевой фермент находится в начале метаболического пути;
такая регуляция называется ингибирующей обратной связью.

Следующее выступление о механизме действия стероидных гормонов. (слайд 5, приложение 3)

Цель: Определить условия и продолжительность действия стероидных гормонов

Они действуют путем изменения генетической активности. Это гормоны длительного стресса. Приблизительно их метаболические действия можно описать как угнетение синтеза пластических веществ, и активизацию реакций распада. Связываясь с рецепторами, они проходят в ядро и, контактируя с ДНК, запускают или ингибируют работу генов. Так регулируется генетическая активность

Вывод: Стероиды – гидрофобные молекулы и легко проходят через мембрану клетки и регулируют работу генов. Их действие значительно продолжительнее, чем действие нервных импульсов

Цель: Рассмотреть и обобщить особенности механизма нервной регуляции клеточных функций.

Передача нервного возбуждения с нервной клетки на мышечную происходит через синапс – контакт этих клеток. Через синаптическую щель передача возбуждения происходит нейромедиатором – ацетилхолином. При поступлении возбуждения по нервным клеткам, мембранные пузырьки, наполненные нейромедиатором, подходят к наружной мембране и сливаются с ней. Ацетилхолин связывается рецепторами, расположенными на мембране мышечной клетки.Снимается возбуждение ферментом ацетилхолинэстеразой, быстро разрушающий ацетилхолин.

Вывод: Регуляция происходящих в клетке процессов регулируется нервной системой по следующей схеме: нерв – медиатор – рецепторы медиаторов – деполяризация мембраны – выход ионов кальция в цитоплазму – сокращение мышцы

Работа с терминами: ацетилхолин, ацетилхолинэстераза, ионный канал, ключевой фермент, синапс, синаптическая щель, стероидный гормон (слайд 9, приложение 3).

Рассмотрев механизм регуляции метаболических процессов, протекающих в клетке, в ходе обсуждения формулируем выводы.

Выделяется два основных способа регуляции:

а) поддержание на нужном уровне концентрации веществ, необходимых самой клетке;
б) ответ клетки на сигналы, поступающие от специальных регулирующих систем (нервной и эндокринной).

Регуляция клеточных функций происходит по принципу отрицательной обратной связи, когда конечный продукт (АТФ) ингибирует свой собственный синтез; работа синапса идет с положительной обратной связью.

ΙΙΙ. Обобщение материала.

После рассмотренных вопросов учащимся с целью ответа на проблемный вопрос:

«Какие способы и механизмы регуляции могут существовать в биологических системах обучающимся разных групп, предлагаются следующие задания (слайд 22, приложение 4):

Составьте самостоятельно общую схему регуляции биологических процессов в организме (первая группа)
Составьте схему регуляции с положительной и отрицательной обратной связью (вторая группа)
Между организмом и внешней средой (третья группа)
Между популяциями живых организмов (четвертая группа)
В экосистеме (пятая группа)

Варианты работы обучающихся на заключительном этапе урока

Группы могут выполнять свои работы на бумажных носителях, и в таком случае защищают свои работы, проецируя через документ-камеру.
Каждая группы работает на ноутбуках и для демонстрации используют мультимедийный проектор
В ходе защиты обучающиеся отвечают на проблемный вопрос, поставленный в начале урока Представляются работы учащихся, выполненные на компьютере (см. приложение 4, слайды 23-28)

ΙV. Подведение итогов.

Обучающиеся анализируют и оценивают свою работу на уроке, отмечают наиболее трудные вопросы, вызвавшие затруднения (приложение 4, слайд 29).

После представлений своих схем, выполненных на уроке обсуждаем проблемный вопрос (Какие способы и механизмы регуляции могут существовать в биологических системах?)

Затем учащимся предлагается опять вспомнить цели урока и проанализировать степень их выполнения на уроке.

Проанализируйте свою работу на уроке: что у вас получилось, а что нет.

Какие вопросы вызвали у вас затруднения?

Оцените свою работу на уроке.

Для подведения итогов работы обучающиеся используют краткий конспект работы на уроке (алгоритм конспекта представлен в начале урока)

V. Домашнее задание

(творческое, приложение 4, слайд 30) составьте схему регуляции развития личинки яблоневой плодожорки в зависимости от температуры среды (можно будет использовать электронный учебный курс экология в кабинете биологии).

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Технологическая карта интегративного занятия-исследования по биологии и химии

(занятие естественнонаучного общества учащихся)

Педагогические цели занятия:

- На примере изучения белков доказать взаимосвязь биологических и химических знаний в целостном восприятии информации.

- Показать роль интеграции естественных наук, а так же интеграции учебной и внеурочной деятельности в подготовке обучающихся к итоговой аттестации.

Цели обучающихся:

- Доказать, что именно белки ответственны за регуляцию процессов внутри клетки (познавательные).

- Формирование умений работы с информацией в разных формах: текстовая, табличная, статистическая, диаграммы (регулятивные)

- Формирование умений участия в коллективном обсуждении проблем, работе в группе (коммуникативные)

- Формирование умения соотносить жизненные планы с учебной успешностью, удовлетворение потребности в самовыражении и самореализации (личностные)

Планируемый результат: подготовка рабочего плана своего социального проекта.

Оценить готовность учащихся к уроку

Повернулись к гостям, поприветствовали, сели в свои группы

С помощью повторения настроить обучающихся на продуктивную деятельность на занятии

1. Какие биохимические реакции происходят в клетке?

1. Обзорно повторяют этапы обмена веществ и процессы, на них идущие (слайды)

2. Вспоминают этапы этих процессов и появл. их перечень (слайд)

2. Где они происходят? (в каких структурах клеток)

Вспоминают органоиды, где идут эти процессы и устанавливают соответствие (слайд)

3. Какой вывод можно сделать, используя полученные материалы?

В клетке одновременно идет множество биохимических реакций (метаболических путей) и каждый из них имеет свое место локализации (появл. на слайде)

Мотивировать учащихся к учебной деятельности, определить содержательные рамки занятия и способы деятельности

Учитель формулирует проблемный вопрос

Все биохимические реакции (процессы) в клетке строго структурированы и протекают согласованно, подчиняясь строгой регуляции. С помощью чего (за счет чего) она осуществляется в клетках? (слайд)

Учащиеся формулируют гипотезу

Все биохимические реакции (процессы) в клетке идут в упорядоченном виде благодаря белкам

Учащиеся формулируют цель

Доказать, что именно белки ответственны за регуляцию процессов внутри клетки (слайд)

На что надо обратить внимание при рассмотрении белков, чтобы доказать цель?

Учащиеся формулируют задачи (слайд)

Вспомнить роль белков в организме

Выявить роль белков-ферментов, их виды

Изучить строение белков-ферментов и механизм их работы

Установить, при каких условиях они работают наиболее эффективно

Выявить другие регуляторы биохимических процессов и установить взаимосвязи между ними

Роль белков в организме

Повторить материал, отработать умение выполнять задания на соответствие

Установить соответствие между указанными белками и их функциями - письменно (слайд)

Роль белков-ферментов, их виды

Повторить материал, отработать умение выполнять задания на соответствие

Однокомпонентные – двухкомпонентные (Белковый компонент –АПОФЕРМЕНТ + Добавочная группа небелковой природы–

КОФЕРМЕНТ. Их роль играют водорастворимые витамины, металлы)

Записывают с комментариями учителя.

Строение белков-ферментов и механизм их работы

Обратить внимание на особенности строения и механизм действия белков-ферментов

Повторяют строение белков

- Решают задачу на соединение а/к (химия)

- Решают задачу на биосинтез белка (биология)

11 кл представляют новый материал (предварительное задание) с помощью опорных схем:

1.Строение белков-ферментов (слайд)

Субстратный-активный и регуляторный центры

Специфическая метка, сигнальные пептиды (слайды)

Для попадания в определённый отдел клетки белок должен обладать специфической меткой. В большинстве случаев такой меткой является

часть аминокислотной последовательности самого белка - лидерный (сигнальный) пептид (3-60 аминокислот).

3. Механизм работы ферментов (слайд)

Активация фермента- узнавание ферментом своего субстрата- образование Ф-С комплекса (неактивного-активного)- образование продуктов реакции

4.Действие ингибиторов и активаторов на Ф (слайд)

Ингибитор подавляет, активатор стимулирует реакции

Условия работы ферментов

Повторить материал, отработать умение выполнять задания с графиками, таблицами, рисунками

Работа в микрогруппах:

1. Зависимость пищеварительных ферментов от pH c реды и температуры в организме

(анализ двух таблиц) (слайд) 10кл

+ 10 кл анализируют дом опыты

2. Зависимость скорости ферментативных реакций от различных факторов: температура, ph среды (анализ граф) (слайд) 9кл

До некоторого значения температуры (в среднем до 5О°С) каталитическая активность растет, причем на каждые 10°С примерно в 2 раза повышается скорость преобразования субстрата. В общем для ферментов животного происхождения он лежит между 40 и 50°С, а растительного - между 50 и 60°С. Самой оптимальной температурой является 37 o С, при которой в живом организме процессы протекают быстро, сберегая большое количество энергии. Однако есть ферменты с более высоким температурным оптимумом, например, у папаина оптимум находится при 8О°С. В то же время у каталазы оптимальная температура действия находится между 0 и -10°С.

Наилучшими условиями функционирования Ф являются близкое к нейтральному значение величины рН. В резко кислой или резко щелочной среде хорошо работают лишь некоторые ферменты.

3. Зависимость скорости ферментативных реакций от различных факторов: концентрация Ф и Субстр (анализ граф) (слайд) 11кл

Концентрация и доступность субстрата . При постоянном количестве фермента скорость возрастает с увеличением концентрации субстрата. Эта реакция подчинена закону действующих масс и рассматривается в свете теории Михаэлиса – Ментона.

Концентрация фермента. Концентрация ферментов всегда относительно невелика. Скорость любого ферментативного процесса в значительной степени зависит от концентрации фермента. Для большинства пищевых применений скорость реакций пропорциональна концентрации ферментов.

Нарушения деятельности ферментов

Познакомить со значением данной информации для будущих медиков

Другие регуляторы биохимических процессов

Обобщение материала о регуляторах биохимических процессов в клетках;

отработать умение работать с текстом и составлять на основе его схемы

Вспомнить другие регуляторы биохимических процессов в организме

Составить схему, отражающую взаимосвязь между ними

Оценка результатов деятельности

Оценить собственную деятельность на уроке и работу одноклассников

- Поднять руку:

1. Кто полностью справился с работой и рабочий план проекта готов?

2. Кому не хватило времени доделать?

3. У кого остались неясные вопросы, требующие пояснения, помощи?

4. Кто готов представить свой рабочий план?

Регуляторы (лат. regulo – направляю, упорядочиваю) – биологически активные вещества стимулируют или подавляют клеточные процессы, контролируют направленность их протекания.

Общая биология 10 класс Регуляторы биомолекулярных процессов.

Учитель биологии Шахилова М. А.

Все биохимические процессы клетки протекают слажено благодаря наличию и участию регуляторов.

СН(ОН) · СН 2 · NH · CH 3

Модель молекулы адреналина

Важнейшими регуляторами большинства процессов синтеза в клетки выступают

– большая группа специфических белков, присутствующих во всех клеточных биосистемах.

Роль белков – ферментов:

1.Реализуется наследственная информация .

2.Осуществляются процессы метаболизма в клетках.

3.Все биохимические реакции клетки проходят в

определенном порядке, в определенных

местах, с определенной скоростью.

Регулирующая способность ферментов

реализуется через изменение скорости их действия, зависит

от концентрации субстратов;
рН – среды;
температуры ;
от присутствия специфических веществ, активирующих

или подавляющих каталитическую способность

– неорганические или малые органические молекулы, которые не являются катализаторами.

перенос атомов водорода

Кофермент А (КоА)

перенос атомов водорода

передаёт ацетильную группу

пантотеновая кислота (В 5 )

Особенности коферментов.

1.Синтезируются из витаминов;

2.Поступают из вне с питательными веществами;

3.Содержатся в цитоплазме;

4. В химических реакциях не участвуют;

5.Переносят атомы и группы

атомов от одной реакции

– (лат. vita – жизнь) – это низкомолекулярные органические вещества , обладающие высокой биологической активностью и регулирующие биохимические процессы клетки.

Особенности витаминов.

1.Нормализируют биохимические процессы.

2. Не являются материалом для биосинтезов и

3.Образуются только в процессе биосинтеза.

4.Являются регуляторами всех жизненных

– (греч. hormao – побуждаю, привожу в движение) – биологически активные вещества, оказывающие целенаправленное действие на рост и развитие живых структур.

выделяются железами секреции, целенаправленно действуют на рост и развитие тканей, органов.

Фитогормоны – регуляторы и координаторы онтогенеза растительных клеток.

После того как вы поделитесь материалом внизу появится ссылка для скачивания.

Подписи к слайдам:

Общая биология 10 класс Регуляторы биомолекулярных процессов. Учитель биологии МОБУ СОШ ЛГО с.Пантелеймоновка Г. П. Яценко

Все биохимические процессы клетки протекают слажено благодаря наличию и участию регуляторов.

СН(ОН) · СН2 · NH · CH3

Модель молекулы адреналина

Важнейшими регуляторами большинства процессов синтеза в клетки выступают

– большая группа специфических белков, присутствующих во всех клеточных биосистемах.

Роль белков – ферментов:

1.Реализуется наследственная информация .

2.Осуществляются процессы метаболизма в клетках.

3.Все биохимические реакции клетки проходят в

определенном порядке, в определенных

местах, с определенной скоростью.

Регулирующая способность ферментов

реализуется через изменение скорости их действия, зависит

от концентрации субстратов;
рН – среды;
температуры ;
от присутствия специфических веществ, активирующих

или подавляющих каталитическую способность

– неорганические или малые органические молекулы, которые не являются катализаторами.

перенос атомов водорода

Кофермент А (КоА)

передаёт ацетильную группу

пантотеновая кислота (В5)

1.Синтезируются из витаминов;

2.Поступают из вне с питательными веществами;

3.Содержатся в цитоплазме;

4. В химических реакциях не участвуют;

5.Переносят атомы и группы

атомов от одной реакции

1.Нормализируют биохимические процессы.

2. Не являются материалом для биосинтезов и

3.Образуются только в процессе биосинтеза.

4.Являются регуляторами всех жизненных

Фитогормоны – регуляторы и координаторы онтогенеза растительных клеток.

выделяются железами секреции, целенаправленно действуют на рост и развитие тканей, органов.

Место выработки гормона роста

1.Регулируют клеточные жизненные процессы ( особенно

2. Являются гуморальными (жидкими).

3. Регулируют активность ферментов.

4.Проявляют действие и в очень

надпочечники, место выработки регуляторов обменных процессов.

мозговой слой надпочечников

регулятор метаболизма глюкозы и жирных кислот

задняя доля гипофиза

повышение кровяного давления

передняя доля гипофиза

стимулирует рост коры надпочечников.

Некоторые гормоны человеческого тела.

место выработки гормонов, активирующих работу головного мозга.

Большое количество регуляторов, их функциональное разнообразие, точная направленность – результат длительной эволюции живой материи.
Процессы регуляции сложных и многообразных биохимических, физико-биохимических, физиологических процессов клетки реализуют

Гуморальные механизмы регуляции в организме осуществляются с помощью химических веществ, которые образуются в процессе различных биохимических реакций.

Биохимические процессы в организме основываются на молекулярном строении вещества, атомы которого соединены разными связями. При этом атомы одних веществ несут на себе положительный заряд, другие – отрицательный. При определенных условиях, делающих возможным течение химических реакций, молекулы веществ обмениваются своими составляющими (атомами или ионами). В результате комбинации атомов и молекул образуются тысячи новых химических веществ. При этом может создаться впечатление, что вещества в клетке находятся в относительном покое. Однако молекулы веществ, подобно персонажам какого-нибудь светского бала, перемещаются в заданных направлениях, периодически обмениваясь между собой партнерами. При рассмотрении функционирования клетки и ее составляющих (мембраны, цитоплазмы, органелл, ядра), в том числе генетического аппарата с биохимической точки зрения все происходящие в них процессы сводятся к разрыву одних химических связей и образованию других. Это дает возможность клетке поддерживать свою жизнедеятельность получая энергию, необходимую для поддержания подсистемы жизнеобеспечения, и выполняя специфические функции. Биохимические процессы являются основой обмена веществ.

Питательные вещества, поступающие в клетку через один из ее функциональных входов, превращаются в вещества, необходимые для поддержания жизнедеятельности клетки и выполнения ею специфических функций. Остаточные продукты обмена выводятся через выходы системы (смотри рисунок 1.4.1 в разделе 1.4.1).

Конечной целью всех биохимических реакций, протекающих в организме, является выполнение двух основных функций. Первая из них – обеспечение постоянства внутренней среды (гомеостаза), непосредственное поддержание стабильности “подсистемы жизнеобеспечения”. Вторая – выполнение специальных функций, заключающихся в реагировании на определенные внешние воздействия (например, проведение нервного импульса нейроном, выработка гормона, перенос кислорода эритроцитом, сокращение мышечной клетки).

Обе эти задачи решаются с использованием механизма обратной связи, который описан в предыдущем разделе. Его суть состоит в том, что клетка помнит (часто на генетическом уровне) нормальное значение параметра и меняет значение текущего параметра до тех пор, пока оно не достигнет нормального. В этом смысле часто нельзя сказать, когда и где начался биохимический процесс. Можно назвать только параметр, который регулируется, и определить его нормальное значение. Как же реализуется обмен веществ?

Для того чтобы вещество поступило к клеткам, оно должно сначала попасть в кровь. Только после этого, преодолев ряд внутренних барьеров, оно сможет дойти до цели, связаться с клетками-мишенями, вызвать нужные изменения в функционировании тканей, органов и систем (что и является проявлением его биологического действия) и, наконец, подвергнувшись превращениям (биотрансформации), или в неизмененном виде покинуть организм. При этом, как правило, происходит выделение энергии, в некоторых случаях – ее поглощение.

Какими путями питательные вещества могут попадать в кровоток? Из желудочно-кишечного тракта питательные вещества проникают в кровь, которая переносит их по организму и доставляет в различные ткани органов и систем. Этот процесс обозначают термином всасывание (абсорбция). При поступлении белки, углеводы и липиды преобразуются в желудочно-кишечном тракте при участии активных ферментов, которые выделяются железами желудка, кишечника, поджелудочной железой и поступают с желчью. При всасывании вещества проходят через клеточные мембраны, играющие основную роль в процессах транспорта веществ. Именно их ионные каналы и поры (“ворота” клетки структурно отражают понятие функциональных входов и выходов, участвующих в выполнении основных задач клетки.

В дальнейшем из кровяного русла питательные вещества проникают в ткани, где подвергаются различным биохимическим процессам, в ходе которых превращаются в необходимые для клетки формы химических соединений. Графическое изображение процессов представлено на рисунке 1.4.8. Обратите внимание, что на схеме не показана энергетическая сторона обмена – высвобождение, запасание и использование энергии. Более подробно эти процессы будут рассмотрены в этом разделе несколько позже.

Рисунок 1.4.8. Течение биохимических процессов в клетки. Схема обмена веществ

Давайте по рисунку проследим последовательность этапов обмена веществ в клетке. Источниками материалов для обновления структур и энергообеспечения служат пищевые продукты, в составе которых организм получает углеводы, липиды, белки, некоторые биологически активные соединения (например, витамины) и минеральные вещества. Исходные соединения поступают в клетку не в готовом виде, а в виде “заготовок” из питательных веществ, которые она, по мере необходимости, перерабатывает для своих нужд и нужд организма. Изготовление “заготовок” происходит в процессе пищеварения, когда пища в желудочно-кишечном тракте подвергается расщеплению: белки – до аминокислот, углеводы – до моносахаридов (глюкозы и других соединений), жиры – до жирных кислот и моноглицеридов. Низкомолекулярные биологически активные и минеральные вещества всасываются во внутреннюю среду преимущественно без какой-либо предварительной химической трансформации. Химические соединения с током крови поступают к клеткам, где включаются в процессы синтеза (образование специфических белков, углеводов, липидов и регуляторных соединений для клетки) процессы окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых высвобождается энергия химических связей. Следующий это этап, на котором питательные вещества подвергаются дальнейшему расщеплению и/или биотрансформации с целью получения в процессе биосинтеза собственных веществ. Основными реакциями, которые при этом протекают, являются окисление, восстановление, отщепление, гидролиз, синтез.

Полученные соединения либо сразу расходуются “на строительные, ремонтные и хозяйственные нужды” клетки, либо аккумулируются в ней для последующего использования. Запасаются главным образом высокоэнергетические соединения – жиры, глюкоза в виде полимера (гликогена), которые при расщеплении высвобождают большое количество энергии. Другие соединения, синтезированные “на экспорт” (гормоны, медиаторы и другие) выделяются (секретируются) за пределы клетки с целью коммуникации с соседними или отдаленно расположенными клетками.

Например, оптимальная концентрация белков в клетке обеспечивается их синтезом из имеющихся в клетке аминокислот “по мере необходимости”. Реакции биосинтеза белка “запускаются” по механизму обратной связи, о котором рассказывалось в предыдущем разделе. Это касается в первую очередь выработки гормонов, медиаторов и других сигнальных молекул. Синтез белка на нужды самой клетки регулируется иначе – без включения механизмов гуморальной и нервной регуляции. Вероятно, клетка каким-то образом ощущает нехватку определенного белка (например компонента клеточной мембраны), сравнивает с генетически запрограммированной должной величиной, и это становится пусковым моментом для его выработки. При рассмотрении механизмов биохимических процессов, протекающих в клетке, и их механизмов возникает много вопросов. Что заставляет клетку вырабатывать определенный белок? Как образуется такое многообразие белковых молекул? Давайте попробуем проследить на следующем примере.

Предположим, мы съели шоколадку. Не углубляясь в последствия этого опрометчивого шага, скажем, что после такой углеводной нагрузки клеткам срочно потребуется переработать углеводы. “Нужен инсулин!” – кричат клетки, и мозг посылает указание бета-клеткам поджелудочной железы: “Прошение удовлетворить. Выработать инсулин!” Дальше начинается самое интересное. Как клетки вырабатывают белок, в частности инсулин?

Белки, согласно определению, – это сложные высокомолекулярные вещества, состоящие из аминокислот, которые, в свою очередь, являются органическими кислотами, содержащими одну или более аминогрупп. Всего аминокислот 20 (представим их бусинами разных цветов), а белки – это бусы, собранные в нужном порядке. Сколько же число белковых молекул (бус) можно составить, при условии, что количество аминокислот (бусин) в одной белковой цепи может достигать нескольких сотен! Это определяет колоссальное разнообразие белков.

Основной процесс, который лежит в основе начала синтеза белка, довольно сложен и до сих пор не изучен. Ученые считают, что в ответ на воздействие внешнего фактора (в данном случае избыток углеводов) сигнал каким-то образом поступает к ядру клетки, который и является инициирующим и основополагающим в запуске синтеза белка. Считается, что синтез белка начинается в ядре клетки. ДНК – основной носитель генетической информации, и, как вы уже знаете, представляет собой двойную спираль, закрученную вокруг общей оси. Ген – это участок ДНК, содержащий программу построения только одного определенного белка, например выше упомянутого инсулина. Афористическая формула “Один ген – один белок” была открыта всего полвека назад. Чтобы “прочитать” информацию, касающуюся синтеза данного белка, надо расплести и разъединить нити ДНК на участке нужного гена (рисунок 1.4.9). Этим занимается определенный фермент (не будем перегружать вас запоминанием сложных названий и специфических терминов).

Рисунок 1.4.9. Транскрипция (первый этап биосинтеза белка)

Важно отметить, что считывание информации с ДНК или с РНК возможно только в одном направлении. Этот механизм позволяет предупредить ошибки считывания (помните – Оля и Яло из сказки “Королевство кривых зеркал”).

Итак, ген на матричной нити ДНК готов. За дело берется другой фермент (РНК-полимераза), и, как мозаику, достраивает РНК напротив гена. Помните принцип “ключ – замок”? Процесс переписывания информации с ДНК и одновременного достраивания РНК в биологии называется транскрипцией. Полученную РНК называют первичным (неактивным) транскриптатом. Процесс “созревания”, активации РНК проходит в ядре с участием ферментов, как ножницами вырезающим интроны (не несущие информации, “молчащие” участки РНК) и сшивающим оставшиеся “куски”. Биологическое значение интронов до сих пор не выяснено, и очередная Нобелевская премия ждет своего обладателя. После всех этих преобразований мы имеем готовую матричную, или информационную мРНК.

Надо заметить, что в одной клетке с одного гена можно переписывать последовательно несколько копий м-РНК, что позволяет, в конечном итоге, значительно увеличить объемы выработки нужного белка.

В цитоплазму мРНК выходит и начинается новый этап – непосредственно синтез белковой цепи, или трансляция. Как только мРНК оказалась в цитоплазме, ее “принимает” в свои “объятья” рибосома (вид Б на рисунке 1.3.9).

Напомним, что рибосома состоит из большой и малой субъединиц, между которыми имеется желобок, своеобразный канал, по которому и протягивается мРНК.

Информация, записанная в мРНК подвергается переводу в другую систему знаков – на “язык белков” (его “алфавит” – аминокислоты). Рибосома перемещается на один шаг (кодон) по цепи мРНК, в ее активном центре оказывается новый триплет (кодон), к которому подходит транспортная РНК, прикрепляется к рибосоме и передает цепочку из аминокислот, рибосома вновь делает шаг и так далее. Этот процесс проще изобразить, чем описать (смотри рисунок 1.4.10). Для повышения “производительности” процесса биосинтеза белка клетка образует полирибосомы (вид В на рисунке 1.3.9), представляющие собой несколько рибосом, последовательно считывающих информацию с мРНК.

Образовавшаяся белковая молекула не остается в клетке в виде нити бус (это всего лишь первичная структура), она компактно “упаковывается” благодаря химическим и физическим связям, возникающим между аминокислотами, по мере удлинения белковой цепи. Вторичная структура белка похожа на спираль, а третичная – на плотный шарик (глобулу). Так называемая четвертичная структура образуется при объединении нескольких белковых молекул между собой и/или с другими молекулами.

Пока вы вникали в материал предыдущего абзаца, в реальной клетке уже собрана значительная по размерам белковая цепь: синтез молекулы белка, состоящей из 100 аминокислот, занимает около 2 мин. Заканчивается сборка конкретной молекулы белка, когда в активный (“считывающий”) центр рибосомы попадает стоп-кодон мРНК, и белковая цепь обрывается (рисунок 1.3.9, вид В).

Описывая биохимические реакции, мы опустили одну важную деталь. Многие реакции могут протекать и без помощи катализатора, но это займет колоссальное время (с учетом времени жизни конкретной клетки). А реакции в клетке идут с такими скоростями, которые недостижимы, при проведении их в пробирке. Здесь работает еще одно изобретение природы – ферменты, о которых мы упоминали, говоря о химическом строении клетки.

Фермент – это катализатор, ускоряющий только одну химическую реакцию. Скорость протекания катализируемой ферментом реакции в организме увеличивается в сотни тысяч или миллионы раз (до 10 14 раз). Например, образование всего лишь одной водородной связи и сопряженное с этим изменение энергии активации может ускорить реакцию в 10 6 раз.

Название фермента чаще всего состоит из двух частей, отражающих субстрат и выполняемую им функцию. Например, сукцинатдегидрогеназа – это фермент, который от субстрата – соединения янтарной кислоты (сукцинат) – отнимает атом водорода (дегидроген). Липаза – фермент, расщепляющий жиры. Окончание “аза” говорит лишь о том, что данное слово обозначает фермент, который в 100% случаев является белком.

Часть веществ, которые образуются в клетке, являются “отходами” метаболизма, они с током крови транспортируются к печени и почкам, а затем выводятся из организма. Образующиеся продукты, как правило, лишены не только специфической активности, но и, что очень важно, – токсичности.

Напомним, что интенсивность протекания биохимических реакций в клетке варьирует на различных этапах жизненного цикла клетки (смотри рисунок 1.3.16). Во время деления клетки она минимальна, в период активного функционирования клетки процессы метаболизма и энергетического обмена протекают с максимальной скоростью. Таким образом, биохимические процессы, протекающие в организме, подчинены главному генетическому алгоритму – жизненному циклу и нацелены на выполнение основных задач.

Читайте также: