"Биология", Сивоглазов В.И., Каменский А.А., Сарычева Н.Ю. и др.
Пластический обмен, или анаболизм, — это создание сложных веществ из более простых с затратой энергии. К нему относятся фотосинтез и биосинтез белка. При фотосинтезе растения используют свет, воду и углекислый газ, чтобы образовать органические вещества и запасти в них энергию. При сборке белка клетка использует наследственную информацию: копирует её с ДНК на иРНК, а затем соединяет аминокислоты в заданном порядке. Понимание этих процессов помогает увидеть, как клетка строит свои молекулы и превращает энергию.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Пластический обмен (анаболизм) — совокупность реакций, в которых из простых веществ образуются сложные вещества организма; на эти процессы расходуется энергия. Например, клетка строит молекулы белков и углеводов из более простых компонентов. Анаболизм позволяет клеткам расти, обновлять свои части и создавать вещества для работы организма.
Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света; у растений он сопровождается выделением кислорода. Это один из способов запасти энергию света в химических связях органических молекул. Благодаря фотосинтезу растение создаёт вещества для своего роста и становится источником пищи для других организмов.
Биосинтез белка — образование белковой молекулы на основе информации, записанной в гене. Ген содержит порядок нуклеотидов, по которому клетка определяет порядок аминокислот в белке. Такой синтез нужен, чтобы клетка получала белки для построения своих структур и выполнения разных функций.
Генетический код — соответствие между последовательностью нуклеотидов в иРНК и последовательностью аминокислот в белке. Информация считывается не по одному нуклеотиду, а тройками, называемыми кодонами. Код помогает клетке переводить запись с молекулярного «языка» нуклеотидов в последовательность аминокислот.
В хлоропластах хлорофилл поглощает энергию света и передаёт её реакциям фотосинтеза. Вода и углекислый газ служат исходными веществами для образования органических соединений, прежде всего углеводов; кислород выделяется в окружающую среду. Упрощённое уравнение процесса: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂, если есть свет и хлорофилл. Углекислый газ поступает из воздуха, а воду растение получает главным образом корнями, поэтому органические вещества не «всасываются» из почвы.
Фотосинтез включает световую стадию и светонезависимые реакции. На световой стадии энергия света используется для расщепления воды; при этом выделяется кислород и образуются соединения, которые запасают и переносят энергию. Затем эта энергия расходуется на включение углекислого газа в состав органических веществ. Светонезависимые реакции не нуждаются в непосредственном освещении, но обычно не могут идти без продуктов световой стадии, поэтому название не означает, что весь фотосинтез возможен в темноте.
Синтез белка начинается с транскрипции — переписывания информации с участка ДНК на иРНК. У эукариот этот процесс происходит в ядре, где находится основная часть ДНК; иРНК затем переносит копию инструкции к рибосоме. Такой способ позволяет сохранить ДНК и использовать её информацию для изготовления белка. На рибосоме начинается следующий этап — трансляция, то есть перевод последовательности иРНК в последовательность аминокислот.
Рибосома считывает иРНК группами по три нуклеотида: каждая такая тройка называется кодоном. Кодон указывает, какую аминокислоту нужно присоединить следующей, а специальные кодоны задают начало или завершение сборки. тРНК доставляет к рибосоме аминокислоту, соответствующую считываемому кодону. Рибосома соединяет аминокислоты в цепь, и её порядок влияет на строение и свойства будущего белка.
Фотосинтез и биосинтез белка относятся к пластическому обмену, потому что оба процесса создают сложные молекулы. При фотосинтезе энергия света запасается в органическом веществе, которое может использоваться клетками. Для сборки белка нужны энергия и готовые аминокислоты, а порядок их соединения задаётся наследственной информацией. Значит, процессы различаются источником энергии и исходными веществами, но оба обеспечивают клетку необходимыми веществами и молекулами.
| Признак | Фотосинтез | Биосинтез белка |
|---|---|---|
| Где происходит | В хлоропластах | На рибосомах; транскрипция у эукариот происходит в ядре |
| Исходные вещества | Вода и углекислый газ | Аминокислоты; матрица иРНК с информацией о белке |
| Источник энергии | Энергия света | Энергия клетки, необходимая для этапов синтеза |
| Основные этапы | Световая стадия и светонезависимые реакции | Транскрипция и трансляция |
| Результат процесса | Органические вещества и кислород | Белковая молекула |
| Биологическое значение | Создание органических веществ и запасание энергии | Создание белков, необходимых клетке |
Сначала сравнивайте место протекания и исходные вещества: это помогает не путать два процесса. Затем проследите, куда поступает энергия и что получается в результате. Оба процесса строят молекулы, но энергия света нужна для фотосинтеза, а последовательность аминокислот при синтезе белка задаётся информацией иРНК.
Задача 1. Назовите исходные вещества и продукты фотосинтеза и укажите, откуда клетка получает энергию для процесса. Решение удобно начать с общего уравнения: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. Это уравнение показывает основные вещества, но не означает, что весь процесс идёт в один шаг.
Найдём вещества слева от стрелки: это углекислый газ и вода, то есть исходные вещества. Углекислый газ поступает из воздуха, вода — из окружающей среды. Они используются при образовании органических веществ.
Теперь определим результат: справа указаны глюкоза и кислород. Энергия не берётся из почвы или самих исходных веществ: хлорофилл поглощает свет и передаёт его энергию реакциям фотосинтеза. Ответ: исходные вещества — вода и углекислый газ; продукты — органическое вещество и кислород; источник энергии — свет.
Задача 2. В последовательности иРНК изменился один нуклеотид. Объясните, как это может повлиять на последовательность аминокислот и строение белка. Для рассуждения нужно проследить путь от нуклеотида к белку: кодоны иРНК задают аминокислоты, а их последовательность определяет строение белковой цепи.
Сначала выясним, какой кодон затронуло изменение. Если нуклеотид поменялся внутри кодона, этот кодон может начать соответствовать другой аминокислоте или сигналу завершения синтеза. Если изменённый кодон всё ещё обозначает ту же аминокислоту, белковая цепь может не измениться.
Если в цепи заменится аминокислота, могут измениться укладка и свойства белка; особенно существенны изменения, влияющие на его форму или активный участок. Поэтому одного факта замены нуклеотида недостаточно, чтобы точно предсказать результат: нужно знать конкретный кодон и его новое значение. Ответ: изменение может быть незаметным или привести к изменению аминокислоты, а иногда — к преждевременному окончанию синтеза и изменению белка.
Задача 3. Сопоставьте этапы фотосинтеза и синтеза белка по месту протекания, исходным веществам, использованию энергии и результату. Чтобы не смешать процессы, сначала определим, что именно строит каждый из них, а затем сравним условия и материалы. В одном случае клетка образует органические вещества из неорганических, в другом — собирает белковую цепь.
Для фотосинтеза укажем хлоропласты, воду и углекислый газ. Энергией служит свет, а в результате образуются органические вещества и выделяется кислород. Световая стадия обеспечивает энергией дальнейшее использование углекислого газа.
Для биосинтеза белка укажем рибосомы, аминокислоты и информацию иРНК; у эукариот копия инструкции предварительно создаётся в ядре. Клеточная энергия необходима для реакций сборки, а порядок аминокислот определяется кодонами иРНК. Ответ: оба процесса создают сложные вещества, но фотосинтез использует свет и неорганические вещества, а синтез белка — клеточную энергию, аминокислоты и наследственную инструкцию.
Ошибка: считать, что растение получает органические вещества из почвы. Так можно подумать, потому что корни поглощают воду и минеральные соли, а почва нужна растению для роста. Проверьте себя по уравнению: углерод для образования углеводов растение получает из углекислого газа, а вода тоже участвует в фотосинтезе.
Ошибка: путать фотосинтез с дыханием. Оба процесса связаны с веществами и энергией, поэтому их легко смешать, но направление превращений у них различается. При фотосинтезе энергия света используется для создания органических веществ, а при дыхании вещества расщепляются и энергия высвобождается.
Ошибка: считать, что белок собирается прямо на ДНК. ДНК действительно содержит инструкцию, но служит её хранилищем, а не местом сборки белка. Проверьте порядок этапов: сначала транскрипция и появление иРНК, затем её считывание на рибосоме.
Ошибка: менять местами функции иРНК и тРНК. Обе молекулы участвуют в трансляции, поэтому их роли иногда смешивают. Спросите себя, кто несёт последовательность кодонов, а кто приносит аминокислоты: первое делает иРНК, второе — тРНК.
Для понимания процессов нужны знания о строении клетки и функциях ядра, рибосом и хлоропластов, а также о роли ДНК и РНК. Эти сведения позволяют проследить, где хранится информация и где создаются разные молекулы. Если функции клеточных структур пока неясны, полезно сначала повторить их назначение.
Фотосинтез связан с обменом веществ и клеточным дыханием. Сравнение синтеза и расщепления показывает, что в клетке вещества постоянно превращаются, а энергия переходит из одной формы в другую. Биосинтез белка, в свою очередь, помогает понять генетику: изменения наследственной информации могут отражаться на белках и признаках организма.
Почему фотосинтез относят к пластическому обмену?
При фотосинтезе из простых веществ — воды и углекислого газа — образуются органические вещества. Для их образования используется энергия света, которая запасается в химических связях.
Откуда при фотосинтезе берётся кислород?
Кислород выделяется при расщеплении молекул воды во время световой стадии фотосинтеза. Он не образуется из углекислого газа.
Чем световая стадия фотосинтеза отличается от светонезависимых реакций?
В световой стадии хлорофилл поглощает энергию света, происходит расщепление воды и образуются вещества, обеспечивающие энергией дальнейшие реакции. В светонезависимых реакциях используется углекислый газ для синтеза углеводов. Они не требуют непосредственного освещения, но зависят от продуктов световой стадии.
Почему синтез белка не происходит непосредственно на ДНК?
ДНК хранит наследственную информацию, а её рабочая копия переносится на иРНК при транскрипции. Затем иРНК поступает к рибосоме, где по её последовательности собирается белок.
Как клетка определяет порядок аминокислот в белке?
Рибосома считывает иРНК тройками нуклеотидов, которые называются кодонами. Каждый кодон соответствует определённой аминокислоте, а тРНК доставляет её к рибосоме.
§ 13. Обмен веществ и энергии в организме: пластический обмен (фотосинтез, синтез белка)
