Синтез какого вещества происходит в ядре?

Топором — это возможно, что люди вырубали леса и строили дома, а огонь это может быть… лесные пожары, которые уничтожали леса и прочие растения. Непотушенные костры.

Это и есть рожь, так как, когда сеяли пшеницу и ячмень, то вместе с ними всходила так называемая сорно-полевая рожь. После ее начали высаживать специально, обосновывая тем, что если пшеница не взойдет, то останется рожь. В настоящее время рожь занимает обширные территории на селькохозяйственных полей.

1.  яблоко
2.
3. подсолнух
4. оса
5. светлячок

1) Ротовая  полость  —  работает  фермент  амилаза — расщепляет  сложные  углеводы (крахмал)  до  глюкозы;
2) Желудок — работает  фермент  пепсин — расщепляет  сложные  белки  до  аминокислот;
3) Кишечник:  тонкий  отдел (тонкая  кишка) —  работают  ферменты  печени (желчь), двеннадцатипёрстной   кишки (липаза  и  трипсин) — расщепляют  жиры  до  глицерина  и  жирных  кислот.

Изучением интеллекта и интеллектуальных возможностей человека давно занимаются ученые различных специализаций. Один из основных вопросов, стоящих перед психологией — это вопрос является ли интеллект врожденным или формируется в зависимости от окружающей среды. Этот вопрос, пожалуй, касается не только интеллекта, но здесь он особенно актуален, т.к. интеллект и креативность (нестандартность решений) приобретают особую ценность в наш век всеобщей скоростной компьютеризации.

Сейчас особенно нужны люди, способные нестандартно и быстро мыслить, имеющие высокий интеллект, чтобы решать сложнейшие научно-технические задачи, и мало того, что обслуживать суперсложные машины и автоматы, но и создавать их.

Зачет по биологии 12 класс | Тест по биологии по теме:

12 класс.

 Зачет №1 по теме «Клеточный уровень жизни».

1.Внутренняя полужидкая среда клетки, пронизанная мельчайшими нитями и трубочками, в которой расположены органоиды и ядро

1)вакуоль                                      3)аппарат Гольджи

2)цитоплазма                                4)митохондрии

2. Органоиды, которые находятся на шероховатой эндоплазматической сети,   участвуют в синтезе белка

1)лизосомы                                      3)рибосомы

2)митохондрии                                4)хлоропласты

 3.Хлоропласты в растительной клетке выполняют функцию

1)хранения и передачи наследственной информации

2) транспорта органических веществ в клетке

3)окисления органических веществ до неорганических

4)Образования органических веществ из неорганических с использованием энергии

света

4.Органоид клетки ,на котором расположены рибосомы

1)эндоплазматическая сеть  2)митохондрии      3)лизосомы             4)аппарат Гольджи

5.Аппарат Гольджи наиболее развит в клетках

1)мышечной ткани                               3)секреторных железах

2)нервной ткани                                   4)кроветворных клетках

6.  Органоид, содержащий ферменты, которые расщепляют сложные органические вещества до простых мономеров

1)митохондрия                                     3)рибосома

2)аппарат Гольджи                               4)лизосома

7. К основным свойствам плазматической мембраны относят

1)непроницаемость                               3)избирательная проницаемость

2)сократимость                                      4)возбудимость и проводимость

 8.В рибосомах в отличие от комплекса Гольджи происходит

1)окисление углеводов                        3)синтез липидов и углеводов

2)синтез молекул белка                         4)окисление нуклеиновых кислот

9.Митохондрии в клетке не выполняют функцию

1)окисление органических веществ          3)клеточного дыхания

2)фотолиза молекул воды                           4) синтеза молекул АТФ  

 10.Из одной молекулы нуклеиновой кислоты в соединении с белком состоит

1)митохондрия   2)хлоропласт  3)хромосома

 11.Дочерние хроматиды в процессе мейоза расходятся к полюсам клетки в:

1)Метафазе первого деления

2)Профазе второго деления

3)Анафазе второго деления

4)Телофазе первого деления  

12.Коньюгация и кроссинговер имеют большое значение для эволюции, так как способствуют:

1)сохранению генофонда популяции

2)изменению численности популяции

3)повышению жизнеспособности потомства

4)возникновению новых сочетаний признаков в популяции

13. При митозе из одной материнской клетки образуется:

1)1 дочерняя клетка      2)8 дочерних клеток       3)2 дочерние клетки        4) 4 дочерние клетки

14.В ходе мейоза из одной материнской клетки образуется:

1)2 яйцеклетки            2)8 яйцеклеток                      3) 1 яйцеклетка                4) яйцеклетки

15. Восстановление диплоидного набора хромосом в зиготе происходит в результате:

1) мейоза                     2) коньюгации                         3)оплодотворения          4) митоза

16.Бактерии размножаются:

1)почкованием             2) спорами            3) делением  клетки               4)посредством половых клеток

17.Бактерии, питающиеся органическими веществами отмерших организмов, — это:

1)паразиты                      2)сапрофиты         3)хемотрофы                     4)симбионты

18.Органы движения бактерий:

1)жгутики                        2)ложноножки           3)реснички                    4)нет органов движения

19. Клубеньковые бактерии обогащают почву соединениями:

1)фосфора                     2)азота                            3) калия                                4)натрия

20.Формирование половых клеток происходит  в …… периоде:

1)первом                   2)втором                          3)третьем                           4)четвертом


Ответ к зачету №1 по теме: «Клеточный уровень жизни».

1 – 2                                   11 – 3

2 – 3                                    12 — 4

3 – 4                                    13 — 3

4 – 1                                     14 — 3

5 – 3                                    15 — 3

6 – 4                                    16 — 3

7 – 3                                    17 — 2

8 – 2                                    18 -1

9 – 2                                    19 — 2

10 – 3                                  20 — 4


12 класс

Зачет №2 по теме: «Молекулярный уровень жизни».

1.Белки – биополимеры, мономерами которых являются:

1) нуклеотиды                      2)аминокислоты                    3)пептиды

2. При окислении каких веществ освобождается больше энергии.

1)глюкозы                          2) белков                                  3) жиров

3.Программа о первичной структуре белка зашифрована в молекулах.

1)ДНК                                   2) т-РНК                                      3)липидов

4. Метаболизм складывается из двух взаимосвязанных и противоположно направленных процессов.

1)жизни и смерти             2)синтеза и распада              3)возбуждения и торможения

5.Всю совокупность химических реакций в клетке называют:

1)фотосинтезом                  2)брожением                        3) метаболизмом

6.Ускоряют химические реакции в клетке:

1)ферменты                           2)витамины                           3)гормоны

7.К органическим веществам, входящим в состав клетки, относят:

1)белки, жиры, углеводы    2)ДНК, РНК,АТФ                3)все вышеуказанное

8. Конечные продукты подготовительного этапа энергетического обмена.

1)углекислый газ и вода    2)глюкоза и аминокислоты      3)белки и жиры

9. Три рядом расположенных нуклеотида в молекуле ДНК, кодирующих одну аминокислоту, называют:

1)триплетом                         2) геномом                               3) генотипом

10.Значительная часть веществ поступает в клетку и удаляется из неё в виде:

1)газов                                  2)соединений с углеводами     3) водных растворов

11. Фотосинтез в отличие от биосинтеза белка происходит в клетках:

1)всех организмов           2)содержащих хлоропласты     3) содержащих лизосомы

12.Фотолиз воды происходит:

1) в световую фазу               2)темновую фазу                 3) в световую и темновую фазы

13.На каком этапе энергетического обмена синтезируется 2 молекулы АТФ?

1)гликолиза                           2) подготовительном         3)кислородном

14.Вещества, содержащие азот, образуются при биологическом окислении:

1)жиров                                  2) углеводов                             3) белков

15. Молекулы АТФ выполняют в клетке функцию:

1) защитную                         2)транспортную                           3)аккумулятора энергии

16.В состав ферментов входят:

1)АТФ                                  2)углеводы                                     3)белки

17.Синтез какого вещества происходит в ядре?

1)белка                                 2)и-РНК                                         3) т-РНК

18. Молекулы РНК от ДНК содержат азотистое основание:

1) урацил                                2)гуанин                                  3)аденин

19. Переход электронов на более высокий энергетический уровень происходит в световую фазу фотосинтеза в молекулах:

1) воды                                2) хлорофилла                           3)глюкозы

20.Белок состоит из 50 аминокислотных остатков. Сколько нуклеотидов в гене, в котором закодирована последовательность этого белка?

1) 50                                  2) 100                                              3) 150        


Ответы к зачету №2 по теме «Молекулярный уровень жизни».

1 – 2                                       11 — 2

2 – 3                                        12 — 1

3 – 1                                        13 — 1

4 – 2                                        14 — 3

5 – 3                                        15 — 3

6 – 1                                        16 — 3

7 – 3                                        17 — 2

8 – 2                                        18 — 1

9 – 1                                        19 — 1

10 – 3                                      20 — 3

1. Синтез белков в клетке

Каждая клетка содержит тысячи белков. Свойства белков определяются их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот в их молекулах.

 

В свою очередь наследственная информация о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Эта информация получила название генетической, а участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется ген.

Ген — это участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка.

Ген — это единица наследственной информации организма.

 

Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип.

Биосинтез белка

Биосинтез белка — это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определённую последовательность аминокислот в белковых молекулах.

Процесс биосинтеза белка состоит из двух этапов: транскрипции и трансляции.

 

 

Каждый этап биосинтеза катализируется соответствующим ферментом и обеспечивается энергией АТФ.


Биосинтез происходит в клетках с огромной скоростью. В организме высших животных в одну минуту образуется до \(60\) тыс. пептидных связей.

Транскрипция

Транскрипция — это процесс снятия информации с молекулы ДНК синтезируемой на ней молекулой иРНК (мРНК).

Носителем генетической информации является ДНК, расположенная в клеточном ядре.

 

В ходе транскрипции участок двуцепочечной ДНК «разматывается», а затем на одной из цепочек синтезируется молекула иРНК.

 

 

Информационная (матричная) РНК состоит из одной цепи и синтезируется на ДНК в соответствии с правилом комплементарности.

 

 

Формируется цепочка иРНК, представляющая собой точную копию второй (нематричной) цепочки ДНК (только вместо тимина включён урацил). Так информация о последовательности аминокислот в белке переводится с «языка ДНК» на «язык РНК».


Как и в любой другой биохимической реакции, в этом синтезе участвует фермент — РНК-полимераза.


Так как в одной молекуле ДНК может находиться множество генов, очень важно, чтобы РНК-полимераза начала синтез иРНК со строго определённого места ДНК. Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором. РНК-полимераза «узнаёт» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки иРНК с нужного места.

 

Фермент продолжает синтезировать иРНК до тех пор, пока не дойдёт до очередного «знака препинания» в молекуле ДНК — терминатора (это последовательность нуклеотидов, указывающая на то, что синтез иРНК нужно прекратить).


У прокариот синтезированные молекулы иРНК сразу же могут взаимодействовать с рибосомами и участвовать в синтезе белков.


У эукариот иРНК синтезируется в ядре, поэтому сначала она взаимодействует со специальными ядерными белками и переносится через ядерную мембрану в цитоплазму.

Трансляция 

Трансляция — это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка.

В цитоплазме клетки обязательно должен иметься полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей, а некоторые могут синтезироваться в самом организме.

 

Обрати внимание!

Аминокислоты доставляются к рибосомам транспортными РНК (тРНК). Любая аминокислота может попасть в рибосому, только прикрепившись к специальной тРНК.

На тот конец иРНК, с которого нужно начать синтез белка, нанизывается рибосома. Она движется вдоль иРНК прерывисто, «скачками», задерживаясь на каждом триплете приблизительно \(0,2\) секунды.

 

За это время молекула тРНК, антикодон которой комплементарен кодону, находящемуся в рибосоме, успевает распознать его. Аминокислота, которая была связана с этой тРНК, отделяется от «черешка» тРНК и присоединяется с образованием пептидной связи к растущей цепочке белка. В тот же самый момент к рибосоме подходит следующая тРНК (антикодон которой комплементарен следующему триплету в иРНК), и следующая аминокислота  включается в растущую цепочку.


Аминокислоты, доставленные на рибосомы, ориентированы по отношению друг к другу так, что карбоксильная группа одной молекулы оказывается рядом с аминогруппой другой молекулы. В результате между ними образуется пептидная связь.


 

Рибосома постепенно сдвигается по иРНК, задерживаясь на следующих триплетах. Так постепенно формируется молекула полипептида (белка).

 

Синтез белка продолжается до тех пор, пока на рибосоме не окажется один из трёх стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА). После этого белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует присущую этому белку вторичную, третичную и четвертичную структуры.

 

Так как клетке необходимо много молекул каждого белка, то как только рибосома, первой начавшая синтез белка на иРНК, продвинется вперёд, за ней на ту же иРНК нанизывается вторая рибосома. Затем на иРНК последовательно нанизываются следующие рибосомы.

 

Все рибосомы, синтезирующие один и тот же белок, закодированный в данной иРНК, образуют полисому. Именно на полисомах и происходит одновременный синтез нескольких одинаковых молекул белка.

 

Когда синтез данного белка окончен, рибосома может найти другую иРНК и начать синтезировать другой белок.

 

Общая схема синтеза белка представлена на рисунке.

 

Пример:

последовательность нуклеотидов матричной цепи ДНК: ЦГА  ТТА  ЦАА.
На информационной РНК (иРНК) по принципу комплементарности будет синтезирована цепь ГЦУ  ААУ  ГУУ, в результате чего выстроится цепочка аминокислот: аланин — аспарагин — валин.

При замене нуклеотидов в одном из триплетов или их перестановке этот триплет будет кодировать другую аминокислоту, а следовательно, изменится и белок, кодируемый данным геном.

Изменения в составе нуклеотидов или их последовательности называются мутациями

Источники:

Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.

Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.

http://distant-lessons.ru/molekula-rnk.html

http://900igr.net

http://tonpix.ru/biosintez_belka_translyaciya_47725/

Образование атомных ядер

13. Образование атомных ядер

    Окружающий нас мир состоит из ~ 100 различных химических элементов. Как они образовались в естественных условиях? Подсказку для ответа на этот вопрос даёт относительная распространенность химических элементов. Среди наиболее существенных особенностей распространенности химических элементов Солнечной системы можно выделить следующие.

  1. Вещество во Вселенной в основном состоит из водорода H – ~ 90% всех атомов.
  2. По распространенности гелий He занимает второе место, составляя ~ 10% от числа атомов водорода.
  3. Существует глубокий минимум, соответствующий химическим элементам литий Li, бериллий Be и бор B.
  4. Сразу за глубоким минимумом Li, Be, В следует максимум, обусловленный повышенной распространенностью углерода C и кислорода O.
  5. Вслед за кислородным максимумом идет скачкообразное падение распространенности элементов вплоть до скандия (А = 45).
  6. Наблюдается резкое повышение распространенности элементов в районе железа A = 56 (группа железа).
  7. После A = 60 уменьшение распространенности элементов происходит более плавно.
  8. Наблюдается заметное различие между химическими элементами с четным и нечетным числом протонов Z. Как правило, химические элементы с четными Z являются более распространенными.

Ядерные реакции во Вселенной

t = 0 Большой взрыв. Рождение Вселенной
t = 10-43 с Эра квантовой гравитации. Струны
ρ = 1090 г/см3, T = 1032 K
t = 1035 с Кварк-глюонная среда
ρ = 1075 г/см3, T = 1028 K
t = 1 мкс Кварки объединяются в нейтроны и протоны
ρ = 1017 г/см3, T = 6·1012 K
t = 100 с Образование дозвездного 4He
ρ = 50 г/см3, T = 109 K
t = 380 тыс. лет Образование нейтральных атомов
ρ = 0.5·10-20 г/см3, T = 3·103 K
t = 10
8
лет

Первые звезды

Горение водорода в звездах
ρ = 102 г/см3, T = 2·106 K

Горение гелия в звездах
ρ = 103 г/см3, T = 2·108 K

Горение углерода в звездах
ρ = 105 г/см3, T = 8·108 K

Горение кислорода в звездах
ρ = 105÷106 г/см3, T = 2·109 K

Горение кремния в звездах
ρ = 106 г/см3, T = (3÷5)·109 K
t = 13.7 млрд. лет
Современная Вселенная
ρ = 10-30 г/см3, T = 2. 73 K

Дозвездный нуклеосинтез. Образование 4He




    Космологический синтез гелия – основной механизм его образования во Вселенной. Синтез гелия из водорода в звёздах увеличивает долю 4He по массе в барионной материи примерно на 10%. Механизм дозвёздного образования гелия количественно объясняет распространённость гелия во Вселенной и является сильным аргументом в пользу догалактической фазы его образования и всей концепции Большого Взрыва.

    Космологический нуклеосинтез позволяет объяснить распространённость во Вселенной таких легчайших ядер как дейтерий (2H), изотопы 3He и 7Li. Однако их количества ничтожны по сравнению с ядрами водорода и 4He. По отношению к водороду дейтерий образуется в количестве 10-4-10-5, 3He – в количестве ≈ 10-5, а 7Li – в количестве ≈ 10-10.
    Для объяснения образования химических элементов в 1948 году Г. Гамовым была выдвинута теория Большого взрыва. Согласно модели Гамова, синтез всех химических элементов происходил во время Большого взрыва в результате неравновесного захвата атомными ядрами нейтронов с испусканием γ-квантов и последующим β
-распадом образовавшихся ядер. Однако расчеты показали, что в этой модели невозможно объяснить образование химических элементов тяжелее Li. Оказалось, что механизм образования лёгких ядер (A < 7) связан с условиями, существовавшими во Вселенной в течение первых трех минут. Более тяжелые ядра образовались в результате ядерных реакций, происходящих при горении звезд.

    Дозвездная стадия образования легчайших ядер.

На этапе эволюции Вселенной через 100 с после Большого взрыва при температуре ~ 109 К вещество во Вселенной состояло из протонов p, нейтронов n, электронов e, позитронов e+, нейтрино ν, антинейтрино и фотонов γ. Излучение, находилось в тепловом равновесии с электронами e, позитронами e+ и нуклонами.



    В условиях термодинамического равновесия вероятность образования системы с энергией EN, равной энергии покоя нуклона, описывается распределением Гиббса . Поэтому в условиях термодинамического равновесия соотношение между числом нейтронов и протонов будет определяться разностью масс нейтрона и протона

Образование электрон-позитронных пар прекращается при Т < 1010 К, так как энергии фотонов становятся ниже порога образования ee+-пар (~ 1 МэВ). К концу равновесной стадии на каждый нейтрон приходилось 5 протонов. Так как на этом этапе эволюции Вселенной плотность протонов и нейтронов была велика, сильное ядерное взаимодействие между ними привело к образованию 4He и небольшого количества изотопов Li и Be.

Основные реакции дозвездного нуклеосинтеза:

p + n → d + γ,
d + p → 3He + γ, 
3He + n → 3He + p
d + d →  3He + n, 3He + n 3H + p,
3H + p 4He + ,
3H + d 4He + n.
3H + p,

    Так как стабильных ядер с А = 5 не существует, ядерные реакции завершаются в основном образованием 4Не. 7Ве, 6Li и 7Li составляют лишь ~ 10–9 – 10–12 от образования изотопа 4Не. Практически все нейтроны исчезают, образуя ядра 4Не. При плотности вещества ρ ~ 10–3 – 10–4 г/см3 вероятность того, что нейтрон и протон не провзаимодействуют за время первичного нуклеосинтеза составляет менее 10–4. Так как в начале на один нейтрон приходилось 5 протонов, соотношение между числом ядер 4Не и р должно быть ~ 1/10. Таким образом, соотношение распространенностей водорода и гелия, наблюдаемое в настоящее время, сформировалось в течение первых минут существования Вселенной. Расширение Вселенной привело к понижению её температуры и прекращению первичного дозвездного нуклеосинтеза.

    Образование химических элементов в звездах. Так как процесс нуклеосинтеза на ранней стадии эволюции Вселенной закончился образованием водорода, гелия и небольшого количества Li, Be, В, необходимо было найти механизмы и условия, при которых могли образоваться более тяжелые элементы.
    Г.Бете и К.Вайцзеккер показали, что соответствующие условия существуют внутри звезд. Более тяжелые ядра образовались лишь через миллиарды лет после Большого взрыва в процессе звездной эволюции. Образование химических элементов в звездах начинается с реакции горения водорода с образованием 4Не.

    Г. Бете, 1968 г.: «С незапамятных времен люди хотели знать, за счёт чего поддерживается свечение Солнца. Первая попытка научного объяснения была предпринята Гельмгольцем около ста лет назад. Она была основана на использовании самых известных в то время сил – сил всемирного тяготения. Если один грамм вещества падает на поверхность Солнца, он приобретает потенциальную энергию

Eп = -GM/R = -1. 91·1015 эрг/г.

    Известно, что в настоящее время мощность излучения Солнца определяется величиной

ε = 1.96 эрг/г×с.

Следовательно, если источником энергии является тяготение, запас гравитационной энергии может обеспечить излучение в течение 1015 с, т.е. в период около тридцати миллионов лет…
    В конце XIX века Беккерель, Пьер и Мария Кюри открыли радиоактивность. Открытие радиоактивности позволило определить возраст Земли. Несколько позже удалось определить возраст метеоритов, по которому можно было судить, когда в Солнечной системе появилось вещество в твердой фазе. Из этих измерений можно было установить, что возраст Солнца с точностью до 10% составляет 5 млрд. лет. Таким образом, тяготение не может обеспечить нужный запас энергии на всё это время…
    С начала 30-х годов стали склоняться к тому, что звездная энергия возникла за счет ядерных реакций… Простейшей из всех возможных реакций будет реакция

H + H → D + e+ + ν.

    Так как процесс первичного нуклеосинтеза завершился в основном образованием ядер 4He в результате реакций взаимодействия p + n, d + d, d + 3He, d + 3H и были израсходованы все нейтроны, необходимо было найти условия, при которых образовались более тяжелые элементы. В 1937 г. Г. Бете создал теорию, объясняющую происхождение энергии Солнца и звезд в результате реакций слияния ядер водорода и гелия, идущими в центре звезд. Так как в центре звезд не было достаточного количества нейтронов для реакций типа p + n, то в них могли продолжаться только реакции
p + p → d + e+ + ν. Эти реакции протекали в звездах, когда температура в центре звезды достигала 10К, а плотность − 105 кг/м3. То обстоятельство, что реакция p + p → d + e+ + ν происходила в результате слабого взаимодействия, объясняло особенности диаграммы Герцшпрунга–Рассела.

Нобелевская премия по физике
1967 г. − Г. Бете
За вклад в теорию ядерных реакций, и особенно за открытие источника энергии звезд.

    Сделав разумные предположения о силе реакций на основе общих принципов ядерной физики, я обнаружил в 1938 г., что углеродно-азотный цикл может обеспечить необходимое выделение энергии на Солнце… Углерод служит только катализатором; результатом реакции является комбинация четырех протонов и двух электронов, образующих ядро 4He. В этом процессе испускаются два нейтрино, уносящих с собой энергию примерно 2 МэВ. Остающаяся энергия около 25 МэВ на цикл освобождается и поддерживает температуру Солнца неизменной… Это была та основа, на которой Фаулер и другие рассчитали скорости реакции в (С,N)-цикле».

    Горение водорода. Возможны две различные последовательности реакций горения водорода — преобразование четырех ядер водорода в ядро 4He, которое может обеспечить достаточное выделение энергии для поддержания светимости звезды:

  • протон-протонная цепочка (рр-цепочка), в которой водород превращается непосредственно в гелий;
  • углеродно-азотно-кислородный цикл (CNO-цикл), в котором в качестве катализаторов участвуют ядра С, N и О.

    Какая из этих двух реакций играет более существенную роль, зависит от температуры звезды. В звездах, имеющих массу, сравнимую с массой Солнца, и меньше, доминирует протон-протонная цепочка. В более массивных звездах, имеющих более высокую температуру, основным источником энергии является CNO-цикл. При этом, естественно, необходимо, чтобы в составе звездного вещества присутствовали ядра С, N и О. Температура внутренних слоев Солнца составляет 1.5∙107 К и доминирующую роль в выделении энергии играет протон-протонная цепочка.


Зависимость от температуры логарифма скорости V выделения энергии в водородном (pp) и углеродном (CNO) циклах

    Горение водорода. Протон-протонная цепочка. Ядерная реакция

p + p → 2H + e+ + νe + Q,

начинается в центральной части звезды при плотностях ≈100 г/см3. Эта реакция останавливает дальнейшее сжатие звезды. Тепло, выделяющееся в процессе термоядерной реакции горения водорода, создаёт давление, которое противодействует гравитационному сжатию и не позволяет звезде коллапсировать. Происходит качественное изменение механизма выделения энергии в звезде. Если до начала ядерной реакции горения водорода нагревание звезды происходило, главным образом, за счёт гравитационного сжатия, то теперь появляется другой доминирующий механизм – энергия выделяется за счёт ядерных реакций синтеза.

    Звезда приобретает стабильные размеры и светимость, которые для звезды с массой, близкой к солнечной, не меняется в течение миллиардов лет, пока происходит «сгорание» водорода. Это самая длительная стадия звёздной эволюции. В результате сгорания водорода из каждых четырёх ядер водорода образуется одно ядро гелия. Наиболее вероятная цепочка ядерных реакций на Солнце, приводящих к этому, носит название протон-протонного цикла и выглядит следующим образом:

p + p → 2H + e+ + νe + 0. 42 МэВ,
p + 2H → 3He + 5.49 МэВ,
3
He + 3He → 4He + p + p + 12.86 МэВ

или в более компактном виде

4p → 4He + 2e+ + 2νe + 24.68 МэВ.

    Единственным источником, дающим информацию о событиях, происходящих в недрах Солнца, являются нейтрино. Спектр нейтрино, образующихся на Солнце в результате горения водорода в реакции 4p → 4He и в CNO-цикле, простирается от энергии 0.1 МэВ до энергии ~12 МэВ. Наблюдение солнечных нейтрино позволяет осуществить непосредственную проверку модели термоядерных реакций на Солнце.
    Выделяемая энергия в результате рр-цепочки составляет 26.7 МэВ. Испускаемые Солнцем нейтрино зарегистрированы наземными детекторами, что подтверждает протекание на Солнце реакции синтеза.
    Горение водорода. CNO-цикл.
Особенность CNO-цикла состоит в том, что он, начинаясь с ядра углерода, сводится к последовательному связыванию 4-х протонов с образованием в конце CNO-цикла ядра 4Не

l2C + p → 13N + γ
13
N → 13C + e+ + ν
13
C + p → 14N + γ
14
N + p → 15O + γ
15
O → 15N + e+ + ν
15
N + p → 12C + 4He

CNO-цикл

Цепочка реакций I

12C + p → 13N + γ (Q = 1.94 МэВ),
13
N → 13C + e+ + νe (Q = 1.20 МэВ, T1/2 = 10 мин),
13
C + p → 14N + γ  (Q = 7.55 МэВ),
14
N + p → 15O + γ  (Q = 7.30 МэВ),
15
O → 15N + e+ + νe (Q = 1.73 МэВ, T1/2 = 124 с),
15
N + p → 12C + 4He (Q = 4. 97 МэВ).

Цепочка реакций II

15N + p → 16O + γ  (Q = 12.13 МэВ),
16O + p → 17F + γ  (Q = 0.60 МэВ),
17F → 17O + e+ + νe (Q = 1.74 МэВ, T1/2=66 c),
17O + p → 14N + ν  (Q = 1.19 МэВ).

Цепочка реакций III

17O + p → 18F + γ  (Q = 6.38 МэВ),
18
F → 18O + e+ + ν(Q = 0.64 МэВ, T1/2=110 мин),
18
O + p → 15N + α  (Q = 3.97 МэВ).

    Основное время эволюции звезды связано с горением водорода. При плотностях, характерных для центральной части звезды, горение водорода происходит при температуре (1–3)∙107 К. При этих температурах требуется 106 – 1010 лет для того, чтобы значительная часть водорода в центре звезды переработалась в гелий. При дальнейшем повышении температуры в центре звезды могут образовываться более тяжелые химические элементы Z > 2. Звезды главной последовательности сжигают водород в центральной части, где из-за более высокой температуры ядерные реакции происходят наиболее интенсивно. По мере выгорания водорода в центре звезды реакция горения водорода начинает перемещаться к периферии звезды. Температура в центре звезды непрерывно возрастает и когда она достигнет 106 К начинаются реакции горения 4Не. Реакция 3α → 12C + γ наиболее важна для образования химических элементов. Она требует одновременного соударения трех α-частиц и возможна благодаря тому, что энергия реакции 8Be + 4He совпадает с резонансом возбужденного состояния 12C. Наличие резонанса резко увеличивает вероятность слияния трех α-частиц.

    Образование средних ядер A < 60. Какие ядерные реакции будут происходить в центре звезды, зависит от массы звезды, которая должна обеспечить высокую температуру за счет гравитационного сжатия в центре звезды. Так как теперь в реакциях синтеза участвуют ядра с большим Z, центральная часть звезды сжимается всё больше, температура в центре звезды повышается. При температурах несколько миллиардов градусов происходит разрушение ранее образовавшихся стабильных ядер, образуются протоны, нейтроны, α-частицы, высокоэнергичные фотоны, что приводит к образованию химических элементов всей Периодической таблицы Менделеева вплоть до железа. Образование химических элементов тяжелее железа происходит в результате последовательного захвата нейтронов и последующего β-распада.
    Образование средних и тяжелых ядер
A > 60. В процессе термоядерного синтеза в звёздах образуются атомные ядра вплоть до железа. Дальнейший синтез невозможен, так как ядра группы железа обладают максимальной удельной энергией связи. Образованию более тяжёлых ядер в реакциях с заряженными частицами — протонами и другими лёгкими ядрами − препятствует увеличивающийся кулоновский барьер тяжелых ядер.


Образование элементов 4He → 32Ge.

 

Эволюция массивной звезды M > M

    По мере вовлечения в процесс горения элементов с всё большими значениями Z температура и давление в центре звезды увеличиваются со всё возрастающей скоростью, что в свою очередь увеличивает скорость ядерных реакций. Если для массивной звезды реакция горения водорода продолжается несколько миллионов лет, то горение гелия происходит в 10 раз быстрее. Процесс горения кислорода длится около 6 месяцев, а горение кремния происходит за сутки.
    Распространённость элементов, расположенных в области за железом, относительно слабо зависит от массового числа А. Это свидетельствует об изменении механизма образования этих элементов. Необходимо принять во внимание то, что большинство тяжёлых ядер являются βрадиоактивными. В образовании тяжёлых элементов решающую роль играют реакции захвата ядрами нейтронов (n, γ):

(A, Z) + n → (A+1, Z) + γ.

В результате цепочки чередующихся процессов захвата ядрами одного или нескольких нейтронов с последующим β-распадом увеличиваются массовые числа А и заряд Z ядер и из исходных элементов группы железа образуются все более тяжёлые элементы вплоть до конца Периодической таблицы.

    В стадии сверхновой центральная часть звезды состоит из железа и незначительной доли нейтронов и α-частиц – продуктов диссоциации железа под действием γквантов. В районе
M/M = 1.5 преобладает 28Si. 20Ne и 16О составляют основную долю вещества в области от 1.6 до 6 M/M. Внешняя оболочка звезды (M/M > 8) состоит из водорода и гелия.
    На этой стадии в ядерных процессах происходит не только выделение энергии, но и её поглощение. Массивная звезда теряет устойчивость. Происходит взрыв Сверхновой, при котором значительная часть химических элементов, образовавшихся в звезде, выбрасывается в межзвездное пространство. Если звезды первого поколения состояли из водорода и гелия, то в звездах последующих поколений уже в начальной стадии нуклеосинтеза присутствуют более тяжелые химические элементы.

    Ядерные реакции нуклеосинтеза. Е. Бербидж, Г. Бербидж, В. Фаулер, Ф. Хойл в 1957 году дали следующее описание основных процессов звездной эволюции, в которых происходит образование атомных ядер.

  1. Горение водорода, в результате этого процесса образуются ядра 4Не.
  2. Горение гелия. В результате реакции 4Не + 4Не + 4Не → 12С + γ образуются ядра 12С.

  3. α-процесс. В результате последовательного захвата α-частиц образуются α-частичные ядра 16O, 20Ne, 24Mg, 28Si, …
  4. е-процесс. При достижении температуры 5∙109 К в звездах в условиях термодинамического равновесия протекает большое количество разнообразных реакций, в результате чего образуются атомные ядра вплоть до Fe и Ni. Ядра с А ~ 60 – наиболее сильно связанные атомные ядра. Поэтому на них заканчивается цепочка ядерных реакций синтеза, сопровождающихся выделением энергии.
  5. s-процесс. Ядра тяжелее Fe образуются в реакциях последовательного захвата нейтронов. Очень часто ядро, захватившее нейтрон, оказывается β-радиоактивным. Прежде чем ядро захватит следующий нейтрон, оно может распасться в результате β-распада. Каждый β-распад повышает порядковый номер образующихся атомных ядер на единицу. Если интервал времени между последовательными захватами нейтронов больше периодов β-распада, процесс захвата нейтронов называется s-процессом (slow). Таким образом, ядро в результате захвата нейтронов и последующих β-распадов становится все тяжелее, но при этом оно не отходит слишком далеко от долины стабильности на N-Z-диаграмме.
  6. r-процесс. Если скорость последовательного захвата нейтронов гораздо больше скорости β-распада атомного ядра, то оно успевает захватить сразу большое число нейтронов. В результате r-процесса образуется нейтроноизбыточное ядро, сильно удаленное от долины стабильности. Лишь затем оно, в результате последовательной цепочки β-распадов, превращается в стабильное ядро. Обычно считается, что г-процессы происходят в результате взрывов Сверхновых.
  7. Р-процесс. Некоторые стабильные нейтронодефицитные ядра (так называемые обойденные ядра) образуются в реакциях захвата протона, в реакциях (γ,n) или в реакциях под действием нейтрино.

    Синтез трансурановых элементов. В Солнечной системе сохранились лишь те химические элементы, время жизни которых больше возраста Солнечной системы. Это 85 химических элементов. Остальные химические элементы были получены в результате различных ядерных реакций на ускорителях или в результате облучения в ядерных реакторах. Синтез первых трансурановых элементов в лабораторных условиях был осуществлен с помощью ядерных реакций под действием нейтронов и ускоренных α-частиц. Однако дальнейшее продвижение к более тяжелым элементам оказалось таким способом практически невозможным. Для синтеза элементов тяжелее менделевия Md (Z = 101) используют ядерные реакции с более тяжелыми многозарядными ионами – углеродом, азотом, кислородом, неоном, кальцием. Для ускорения тяжелых ионов начали строиться ускорители многозарядных ионов.

Для определения эффективности ядерных реакций в звездах обычно проводится экстраполяция результатов измерений при больших энергиях в область энергий несколько кэВ. Большое число очень тщательных экспериментов по измерению и расчету реакции нуклеосинтеза было выполнено под руководством В. Фаулера.
Вильям Фаулер
(1911–1995)

Нобелевская премия по физике
1983 г. − В. Фаулер
За теоретические и экспериментальные исследования ядерных процессов важных при образовании химических элементов во Вселенной.

    Э.Резерфорд: «Если существуют элементы более тяжелые чем уран, то вполне вероятно, что они окажутся радиоактивными. Исключительная чувствительность методов химического анализа, основанная на радиоактивности, позволит опознать эти элементы, даже если они будут присутствовать в ничтожно малых количествах. Поэтому можно ожидать, что число радиоактивных элементов в незначительных количествах гораздо больше, чем три известных в настоящее время радиоактивных элемента. Чисто химические методы исследования окажутся малопригодными на первом этапе изучения таких элементов. Основными факторами здесь являются постоянство излучения, их характеристики и существование или отсутствие эманаций или других продуктов распада».

    Химический элемент с максимальным порядковым номером Z = 118 был синтезирован в Дубне в сотрудничестве с Ливерморской лабораторией США. Верхняя граница существования химических элементов связана с их нестабильностью относительно радиоактивного распада. Дополнительная устойчивость атомных ядер наблюдается вблизи магических чисел. Согласно теоретическим оценкам должны существовать дважды магические числа Z = 108, N = 162 и Z = 114, N = 184. Период полураспада ядер, имеющих такие числа протонов и нейтронов, может составить сотни тысяч лет. Это так называемые «острова стабильности». Проблема образования ядер «острова стабильности» состоит в сложности подбора мишеней и ускоряемых ионов. Синтезированные в настоящее время изотопы 108 – 112 элементов имеют слишком малое число нейтронов. Как следует из измеренных периодов полураспада изотопов 108 – 112 элементов увеличение числа нейтронов на 6 – 10 единиц (т.е. приближение к острову стабильности) приводит к увеличению периода α-распада в 104 – 105 раз.
    Так как число сверхтяжелых ядер Z > 110 исчисляется единицами, необходимо было разработать метод их идентификации. Идентификация вновь образованных химических элементов проводится по цепочкам их последовательных α-распадов, что увеличивает надежность результатов. Такой метод идентификации трансурановых элементов имеет преимущество перед всеми другими методами, т.к. основан на измерении коротких периодов α-распада. В то же время химические элементы острова стабильности по теоретическим оценкам могут иметь периоды полураспада, превышающие месяцы и годы. Для их идентификации необходима разработка принципиально новых методов регистрации, основанных на идентификации единичного числа ядер в течение нескольких месяцев.

    Г. Флеров, К, Петржак: «Предсказание возможного существования новой области в периодической системе элементов Д.И. Менделеева — области сверхтяжелых элементов (СТЭ) — является для науки об атомном ядре одним из самых существенных следствий эксперимен­тального и теоретического исследований процесса спонтанного деления. Сумма наших знаний об атомном ядре, полученная на протяжении по­следних четырех десятилетий, делает это предсказание достаточно надеж­ным и. что важно, не зависящим от выбора того или иного конкретного варианта оболочечной модели. Ответ на вопрос о существовании СТЭ означал бы, пожалуй, наиболее критическую проверку самой концепции об оболочечной структуре ядра — основной ядерной модели, успешно выдерживавшей до сих пор многие испытания при объяснении свойств известных атомных ядер.
    Более конкретно устойчивость самых тяжелых ядер определяется главным образом их спонтанным делением, и потому необходимым условием существования таких ядер является наличие у них барьеров относительно деления. Для ядер от урана до фермия оболочечная составляющая в барье­ре деления, хотя и приводят к некоторым интереснейшим физическим явлениям, все же не оказывает критического влияния на их стабильность и проявляется в суперпозиции с жидкокапелъной составляющей барьера. В области СТЭ капельная составляющая барьера полностью исчезает, и ста­бильность сверхтяжелых ядер определяется проницаемостью чисто оболочечного барьера.
    Вместе с тем, если для принципиального существования ядер СТЭ достаточно наличия барьера, то для экспериментальной проверки такого предсказания требуется знание времени жизни ядер СТЭ относительно спонтанного деления, так как при любой конкретной постановке эксперимента по их поиску невозможно охватить весь диапазон времен жизни — от 1010лет до 10-10 с. Выбор методики эксперимента существенно зависит от того, в каком интервале времен жизни проводится исследование.
    Как уже говорилось, неопределенность теоретического расчета периода спонтанного деления TSF слишком велика – не менее 8–10 порядков. Эта неопределенность априори не исключает ни одной из возможностей получения или обнаружения СТЭ, и в качестве направлений экспериментального решения проб­лемы можно выбрать как поиск СТЭ в природе (на Земле, в объектах космического происхождения, в составе космического излучения и т.д.), так и искусственное получение элементов на ускорителях (в ядерных реакциях между сложными ядрами).
    Очевидно, что поиск СТЭ в земных объектах может привести к успеху только при счаст­ливом стечении двух обстоятельств. С одной стороны, должен существовать эффективный механизм нуклеосинтеза, с достаточной вероятностью приводящий к образованию атомных ядер СТЭ. С другой стороны, нужно, чтобы существовал хотя бы один нуклид, принадлежащий к новой области стабильности, который имел бы время жизни, сравнимое со временем жизни Земли, – 4. 5
·109 лет.
    Если речь идет о присутствии СТЭ в объектах внеземного происхож­дении – в метеоритах, космическом излучении и т.п., то такие поиски могут привести к успеху даже в том случае, если время жизни ядер СТЭ существенно меньше 1010лет: такие объекты могут оказаться значительно моложе земных образцов (107–108 лет)».

/home/sites/rulefo/public/documents/main/4klass/5energia/3den.htm

2. Строение клетки.

Позднее, когда микроскопы стали лучше, давали большее увеличение, ученые увидели, что внутри клеток не пустота, а можно увидеть много разных частей.
Центральной частью клетки было ядро, которое под микроскопом выглялит как круглое пятно. Вокруг ядра находится студенистая цитоплазма.

При  помощи электронного микроскопа, который дает значительно большее увеличение, были увидены части цитоплазмы — органоиды. Каждый органоид выполняет свою функцию.
Ядро контролирует форму, размер и функционирование клетки, содержит информацию о наследственности.
Клетку окружает тонкая, но прочная оболочка — клеточная мембрана, которая действует как фильтр, пропуская внутрь клетки выборочные вещества и не пропуская другие.
В самой цитоплазме тоже находится сложная сетка мембран — эндоплазматическая сеть, которая действет как фильтр и транспортирует вещества. При помощи этой эндоплазматической сети происходит синтез белков. Белки очень важны для клетки, так как регулируют жизнедеятельность клетки.
Другой сетчатые аппарат клетки — комплекс Гольджи — состоит из пузырьков, трубочек, цистерн и пластин, участвуют в  синтезе компонентов клеточных мембран, секретирует и выводит некоторые вещества на поверность.
Очень важны также находящиеся в цитоплазме митохондрии, которые образуют богатые энергией вещества, необходимые при жизнедеятельности.

Ядро, митохондрии и мембрану можно найти как в растительной. так и в животной клетке. Но в растительной клетке есть еще некоторые составные части, которых нет в животной клетке. Рассматривая растительную клетку под микроскопом, можно увидеть оболочку, которая окружает клетку снаружи. Эта оболочка состоит из целюлозы (одного из углеводов).
Многие растительные клетки содержат заполненные жидкостью пузырьковыми частицами — вакуолями, которые должны держать клетку под напряжением. Вакуоли заполнены клеточным соком. Иногда этот клеточный сок может быть цветным, как, например, у свеклы. Цвет некоторых цветов тоже завсит от клеточного сока, который содержится в клетках лепестков.
Многие растительные клетки содержат еще хролопласт, который находится в цитоплазме. Хролопласт — это овальные органоиды, в состав которых входит хлорофилл, который придает растению зеленый цвет и необходим при фотосинтезе. Хлорофилл связывает энергию белка, которую использует клетка для свеого питания и жизнедеятельности. Хлоропласты хорошо видны и через обычный оптический микроскоп.
В некоторых растительных клетках есть похожие на хлоропласт системы — хромопласты. Они содержат красный или желтый пигмент, который придает цвет цветам и плодам.

1. Строение растительной клетки: оболочка, мембрана, цитоплазма, митохондрии, пластиды и ядро.
Растительные клетки похожи по свеому строению на животные клетки, но горадо больше по размеру. Поэтому при изучении строения клетки рекомендуется использовать растительные клетки.

Для чего нужны клеткам разные части?
Клетку окружает оболочка, которая выполняет защитную функцию. Проникнуть через оболочку можно только по маленьким каналам.
Под оболочкой находится тонкая мембрана. Она выборочно пропускает вещества внутрь и наружу.
Посередине клетки находится ядро, в котором хранится наследственная информация. Ядро руководит жизнедеятельностью клетки.
Клетки не могут расти бесконечно. Ядро содержит наследственную информацию, благодаря которой происходит размножение клетки. Клетка делится на две части, и образуются две совершенно одинаковые клетки.

Энегию клетке дают митохондрии и зеленые солнечные батарейки — пластиды.
В пластидах происходит синтез питательных веществ, митохондрии перерабатывают питательные вещества и высвобождают из них энергию.
Все содержимое клетки находится в полужидкой плазме.
Большую часть растительной клетки заполняет вакуоль, заполненная клеточным соком. Вакуоль держит клетку в напряжении.

Клетка — эта мельчайшая часть живого организма, которая может самостоятельно размножаться, питаться и расти.
Клекти осуществялют все процессы, происходящие в теле.

Так как животные клетки очень маленькие, их следует рассматривать с помощью микроскопа, дающего большое увеличение.
У животных клеток отсутствует оболочка, у нних нет больших вакуолей.

Животная клетка в отличие от растительной клетки не может сама синтезировать питательные вещества, в них отсутствуют пластиды.

Сравним: чем отличаются животные клетки от растительных клеток?

растительная клетка животная клетка
оболочка
мембрана
цитоплазма
ядро
митохондрии
пластиды
вакуоли
другие органоиды
мембрага
цитоплазма
ядро
митохондрии
другие органоиды

Опыты с микроскопом:
микроскоп, стекло-основа, верхнее стекло, игла, впитывающая влагу бумага, нож.

1. Рассматривание лука. Находим части клетки.
Если окрасить лук йодом, то картинка станет еще четче.

2. Рассматривание яблока. Соскрести немного мякоти и капнуть в каплю воды на стекле.
Пластиды в растениях могут быть разного цвета, и у них разные обязанности. Также пластиды дают цвет. Рассматриваем разные пластиды.

3. Хлоропласт в листе водоросли (из аквариума).

4. Хромопласт в мякоти томата.

5. Лейкопласты в чешуе лука. Напомнить детям, что на самом деле лук — это видоизмененный стебель, хотя в нем нет хлоропластов. Почему? Потому что в нем не происходит фотосинтеза из-за того, что р

Биология клетки/Часть 1. Клетка как она есть/3/7 — Викиучебник

Материал из Викиучебника — открытых книг для открытого мира

Транскрипция — синтез РНК по матрице ДНК. У эукариот транскрипция происходит в ядре, а также в митохондриях и пластидах (как вы помните, у этих органелл есть собственный геном). В ходе транскрипции происходит синтез мРНК, тРНК и рРНК, которые непосредственно задействованы в синтезе белка, а также всех остальных типов РНК клетки (siРНК, piРНК, гидовые РНК, малые ядерные РНК и др.).

Трансляция — процесс синтеза белка на рибосомах, который происходит в цитоплазме клеток, а у эукариот — также в митохондриях и хлоропластах.

Транскрипция — синтез РНК на ДНК[править]

Транскри́пция (от лат. transcriptio — переписывание) — процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках.

Транскрипция катализируется ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Процесс синтеза РНК протекает в направлении от 5′- к 3′- концу, то есть по матричной цепи ДНК РНК-полимераза движется в направлении 3′->5′.

Транскрипция — первый этап экспрессии гена. Если ген кодирует белок, то второй этап его экспрессии — трансляция, синтез белка на рибосомах. Но многие гены не кодируют белков. Это гены рРНК и тРНК, а также множества малых РНК, имеющих регуляторные или ферментативные функции. Такие гены при экспрессии не транслируются, а только транскрибируются; этаопм их экспрессии можно считать созревание (процессинг) РНК.

Транскрипция состоит из стадий инициации, элонгации и терминации.

Транскрипция у прокариот[править]

Особенности транскрипции у эукариот. Процессинг и сплайсинг РНК[править]

Практические все гены эукариот имеют экзон-интронную структуру. Они содержат экзоны (участки, кодирующие белок или РНК) и находящиеся между ними интроны — участки, которые ничего не кодируют. С ДНК при транскрипции считывается первичный транскрипт — РНК, содержащая и экзоны, и интроны. Затем интроны удаляются в ходе сплайсинга.

Сплайсинг — лишь один из этапов процессинга РНК. Процессинг — совокупность процессов в клетках эукариот, которые приводят к превращению первичного транскрипта РНК в зрелую РНК. Например, в ходе процессинга иРНК происходит ее кэпирование и полиаденилирование (см. ниже).

Структура зрелой эукариотической иРНК. После процессинга иРНК содержит 5′ кэп, 5′ некодирующий участок (UTR), кодирующий участок (CDS), 3′ некодирующий участок (UTR) и поли-А хвост.
  • [1] Анимация «Жизненный цикл мРНК эукариот» (англ. текст)
  • [2] Анимация «Сплайсинг мРНК» (англ. ткст)

Роль рРНК, тРНК и иРНК в клетке[править]

Третичная структура тРНК. CCA-хвост показан оранжевым, акцепторный стебель — лиловым, D-плечо — красным, участок с антикодоном — голубым, антикодон — черным, Т-плечо — зелёным

тРНК — небольшие (длиной обычно от 74 до 95 нуклеотидов) молекулы РНК, которые переносят аминокислоты в рибосомы и обеспечивают их включение в состав растущей белковой цепи в ходе трансляции.

Трансляция — осуществляемый рибосомой синтез белка из аминокислот на матрице информационной (или матричной) РНК (иРНК или мРНК). Трансляция может происходить в клетках и в искусственных бесклеточных системах. Чтобы в пробирке с физиологическим раствором могла идти трансляция, туда необходимо добавить:

  • рибосомы — «машины» для синтеза белка),
  • иРНК — матрицы,
  • тРНК — переносчики аминокислоты и «адаптеры», переводящие нуклеотидный код в последовательность аминокислот,
  • аминокислоты — строительный материал,
  • специальные ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы — обеспечивают специфичное присоединение каждой аминокислоты к «своей» тРНК
  • молекулы АТФ и ГТФ, гидролиз которых служит источником энергии для синтеза белка.

Кроме этого, для нормального синтеза белка необходим ряд дополнительных белков, не входящих в состав рибосом — факторы инициации, элонгации и терминации.

Рибосомы — машины для синтеза белка[править]

Рибосомы — это немебранные органоиды, отвечающие за синтез белков и содержащиеся во всех клетках, и даже некоторых органоидах, а именно – митохондриях и хлоропластах. Рибосомы состоят из двух субъединиц — большой и малой. Эти субъединицы собираются в ядрышке. Рибосомы можно поделить на две группы: сидячие и свободные. По функциям они принципиально не различаются. Единственное различие в том,что сидячие рибосомы расположены на шероховатой эндоплазматической сети, а свободные находятся в цитоплазме. Нередко рибосомы образуют полирибосомы (полисомы) — цепочки из рибосом, расположенных на нити иРНК.

Особенности рибосом прокариот, эукариот и органоидов[править]

Этапы трансляции[править]

Анимация «Элонгация и терминация»
  • [3] — Анимация «Синтез белка. Элонгация» (англ.текст)

Во время процесса транскрипции информация с ДНК копируется на РНК. Информационная РНК (иРНК) становится матрицей для синтеза белка. Транспортная РНК доставляет в рибосому строительный материал для синтеза белка — аминокислоты. После того, как иРНК и аминокислоты попали в рибосому, тРНК переводит генетический код аминокислоты, считывая кодон РНК (т. к. имеет антикодон).А специфичное присоединение аминокислот к соответствующей тРНК обеспечивает особый фермент — аминоацил-тРНК-синтетаза. Энергию для синтеза обеспечивает гидролиз молекул ГТФ. К одной молекуле РНК часто присоединяется множество рибосом, образуя «бусы» из рибосом — полирибосому, или полисому. Рибосомы одна за другой «ползут» по нити иРНК. Когда рибосома достигает стоп-кодона, она распадается на половинки — субъединицы.

Все, что нужно знать о термоядерном синтезе

​Ученые Принстонской лаборатории физики плазмы предложили идею самого долговечного устройства для ядерного синтеза, которое сможет работать более 60 лет. В данный момент это трудноосуществимая задача: ученые бьются над тем, чтобы заставить термоядерный реактор проработать в течение нескольких минут — а тут годы. Несмотря на сложность, строительство термоядерного реактора — одна из самых перспективных задач науки, которая может принести огромную пользу. Рассказываем, что нужно знать о термоядерном синтезе.

1. Что такое термоядерный синтез?

Не пугайтесь этого громоздкого словосочетания, на деле все довольно просто. Термоядерный синтез — это разновидность ядерной реакции.

В ходе ядерной реакции ядро атома взаимодействует либо с элементарной частицей, либо с ядром другого атома, за счет чего состав и строение ядра изменяются. Тяжелое атомное ядро может распасться на два-три более легких —  это реакция деления. Существует также реакция синтеза: это когда два легких атомных ядра сливаются в одно тяжелое.

В отличие от ядерного деления, которое может проходить как самопроизвольно, так и вынужденно, ядерный синтез невозможен без подвода внешней энергии. Как известно, притягиваются противоположности, но вот атомные ядра заряжены положительно —  поэтому они отталкиваются друг от друга. Эта ситуация называется кулоновским барьером. Чтобы преодолеть отталкивание, необходимо разогнать эти частицы до сумасшедших скоростей. Это можно осуществить при очень высокой температуре — порядка нескольких миллионов кельвинов. Именно такие реакции и называются термоядерными.

 

2. Зачем нам термоядерный синтез?

В ходе ядерных и термоядерных реакций выделяется  огромное количество энергии, которую можно использовать в различных целях — можно создать мощнейшее оружие, а можно преобразовать ядерную энергию в электричество и снабдить им весь мир. Энергия распада ядра давно используется на атомных электростанциях. Но термоядерная энергетика выглядит перспективнее. При термоядерной реакции на каждый нуклон (так называются составляющие ядра, протоны и нейтроны) выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции. К примеру, при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ (мегаэлектронвольт), а при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ. Поэтому ученые учатся проводить термоядерные реакции. 

Исследования термоядерного синтеза и строительство реакторов позволяют расширить высокотехнологичное производство, которое полезно и в других сферах науки и хай-тека.

3. Какие бывают термоядерные реакции?

Термоядерные реакции делят на самоподдерживающиеся, неуправляемые (используются в водородных бомбах) и управляемые (подходят для мирных целей). 

Самоподдерживающиеся реакции проходят в недрах звезд. Однако на Земле нет условий для проведения таких реакций.

Неуправляемый, или взрывной термоядерный синтез люди проводят давно. В 1952 году в ходе операции «Иви Майк» американцы взорвали первое в мире термоядерное взрывное устройство, которое не имело практической ценности в качестве оружия.  А в октябре 1961 года прошли испытания  первой в мире термоядерной (водородной) бомбы («Царь-бомба», «Кузькина мать»), разработанной советскими учеными под руководством Игоря Курчатова. Это было самое мощное взрывное устройство за всю историю человечества: полная энергия взрыва, по разным данным, составляла от 57 до 58,6 мегатонн в тротиловом эквиваленте. Чтобы взорвать водородную бомбу, необходимо сначала в ходе обычного ядерного взрыва получить высокую температуру — лишь тогда атомные ядра начнут реагировать.  

Мощность взрыва при неуправляемой ядерной реакции очень велика, кроме того, высока доля радиоактивного загрязнения. Поэтому чтобы использовать термоядерную энергию в мирных целях, необходимо научиться ею управлять. 

4. Что нужно для управляемой термоядерной реакции?

Удержать плазму!

Непонятно? Сейчас поясним.

 

Во-первых, атомные ядра.  В ядерной энергетике используются изотопы  —  атомы, отличающиеся друг от друга количеством нейтронов и, соответственно, атомной массой. Изотоп водорода дейтерий (D) добывают из воды. Сверхтяжелый водород или тритий (Т) — радиоактивный изотоп водорода, который является побочным продуктом реакций распада, проводимых на обычных ядерных реакторах. Также в термоядерных реакциях используется легкий изотоп водорода — протий: это единственный  стабильный элемент, не имеющий нейтронов в ядре. Гелий-3 содержится на Земле в ничтожно малых количествах, зато его очень много в лунном грунте (реголите): в 80-х гг НАСА разрабатывало план гипотетических установок по переработке реголита и выделению ценного изотопа. Зато на нашей планете широко распространен другой изотоп — бор-11. 80% бора на Земле — это необходимый ядерщикам изотоп.

Во-вторых, очень высокая температура. Вещество, участвующее в термоядерной реакции, должно представлять собой практически полностью ионизированную плазму — это газ, в котором отдельно плавают свободные электроны и ионы различных зарядов. Чтобы превратить вещество в плазму, необходима температура 107–108 К —  это сотни миллионов градусов Цельсия!  Такие сверхвысокие температуры можно получить путем создания в плазме электрических разрядов большой мощности.

Однако просто нагреть необходимые химические элементы нельзя.  Любой реактор моментально испарится при таких температурах. Здесь требуется совершенно иной подход. На сегодняшний день удается удерживать плазму на ограниченной территории с помощью сверхмощных электрических магнитов. Но полноценно использовать получаемую в результате термоядерной реакции энергию пока не удается: даже под воздействием магнитного поля плазма растекается в пространстве.

5. Какие реакции наиболее перспективны?

В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B).

Вот как выглядят самые интересные реакции.

1) 2D+3T -> 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) — реакция дейтерий-тритий. 

2)  2D+2D -> 3T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 50% 

2D+2D -> 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50%  — это так называемое монотопливо из дейтерия.

Реакции 1 и 2 чреваты нейтронным радиоактивным загрязнением. Поэтому наиболее перспективны «безнейтронные» реакции. 

3) 2D+3He -> 4He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)  — дейтерий реагирует с гелием-3. Проблема в том, что гелий-3 чрезвычайно редок. Однако безнейтронный выход делает эту реакцию перспективной.

4) p+11B -> 34He + 8.7 MeV — бор-11 реагирует с протием, в результате получаются альфа-частицы, которые можно поглотить алюминиевой фольгой.

6. Где провести такую реакцию?

Естественным термоядерным реактором является звезда. В ней плазма удерживается под действием гравитации, а излучение поглощается — таким образом, ядро не остывает.

На Земле же термоядерные реакции можно провести лишь в специальных установках. 

Импульсные системы.  В таких системах дейтерий и тритий облучают сверхмощными лазерными лучи или пучками электронов/ионов. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов. Однако такие системы невыгодно использовать в промышленных масштабах: на разгон атомов тратится намного больше энергии, чем получается в результате синтеза, так как не все разгоняемые атомы вступают в реакцию. Поэтому многие страны строят квазистационарные системы.

Квазистационарные системы.  В таких реакторах плазма удерживается с помощью магнитного поля при низком давлении и высокой температуре. Существует три типа реакторов, основанных на различных конфигурациях магнитного поля. Это токамаки, стеллараторы (торсатроны) и зеркальные ловушки.

Токамак  расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками». Это камера в виде «бублика» (тора), на которую намотаны катушки. Главной особенностью токамака является использование переменного электрического тока, который протекает через плазму, нагревает ее и, создавая вокруг себя магнитное поле, удерживает ее. 

 

В стеллараторе (торсатроне) магнитное поле полностью удерживается с помощью магнитных катушек и, в отличие от токамака, может работать постоянно.

В зеркальных (открытых) ловушках используется принцип отражения. Камера с двух сторон закрыта магнитными «пробками», которые отражают плазму, удерживая ее в реакторе. 

 

Долгое время зеркальные ловушки и токамаки боролись за первенство. Изначально концепция ловушки казалась более простой и потому более дешевой.  В начале 60-х годов открытые ловушки обильно финансировались, однако нестабильность плазмы и неудачные попытки удержать ее магнитным полем заставляли усложнять эти установки —  простые на вид конструкции превратились в адские машины, и добиться стабильного результата не выходило. Поэтому в 80-х годах на первый план вышли токамаки.  В 1984 году был запущен европейский токамак JET, стоимость которого составила всего 180 млн долларов и параметры которого позволяли провести термоядерную реакцию. В СССР и Франции проектировали сверхпроводящие токамаки, которые почти не тратили энергию на работу магнитной системы. 

7. Кто сейчас учится проводить термоядерные реакции?

Многие страны строят свои термоядерные реакторы. Свои экспериментальные реакторы есть в Казахстане, Китае, США и Японии. Курчатовский институт работает над реактором IGNITOR. Германия запустила термоядерный реактор-стелларатор Wendelstein 7-X.  

Наиболее известен международный проект токамака ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор) в исследовательском центре Кадараш (Франция). Его строительство предполагалось закончить в 2016 году, однако размеры необходимого финансового обеспечения выросли, а сроки экспериментов сдвинулись на 2025 год. В деятельности ИТЭР участвует Евросоюз, США, Китай, Индия, Япония, Южная Корея и Россия. Основную долю в финансировании играет ЕС (45%), остальные участники поставляют высокотехнологичное оборудование. В частности, Россия производит сверхпроводниковые материалы и кабели, радиолампы для нагрева плазмы (гиротроны) и предохранители для сверхпроводящих катушек, а также компоненты для сложнейшей детали реактора — первой стенки, которая должна выдержать электромагнитные силы, нейтронное излучение и излучение плазмы.

8. Почему мы до сих пор не пользуемся термоядерными реакторами?

Современные установки токамак — не термоядерные реакторы, а исследовательские установки, в которых возможно лишь на некоторое время существование и сохранение плазмы. Дело в том, что ученые пока не научились удерживать плазму в реакторе на длительный срок.  

На данный момент одним из самых больших достижений в области ядерного синтеза считается успех немецких ученых, которым удалось нагреть водородный газ до 80 миллионов градусов по Цельсию и поддерживать облако плазмы водорода в течение четверти секунды. А в Китае водородную плазму нагрели до 49.999 миллионов градусов и продержали ее 102 секунды. Российским ученым из ИЯФ (Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера, Новосибирск) удалось добиться стабильного нагрева плазмы до десяти миллионов градусов Цельсия. Однако недавно американцы предложили способ удержания плазмы в течение 60 лет —  и это внушает оптимизм.

Кроме того, ведутся споры относительно рентабельности термоядерного синтеза в промышленности. Неизвестно, покроют ли выгоды от производства электроэнергии затраты на термоядерный синтез. Предлагается экспериментировать с реакциями (например, отказаться от традиционной реакции дейтерий-тритий или монотоплива в пользу других реакций), конструкционными материалами — а то и отказаться от идеи промышленного термоядерного синтеза, используя лишь его для отдельных реакций в реакциях деления. Однако ученые все равно продолжают эксперименты.

9. Безопасны ли термоядерные реакторы?

Относительно. Тритий, который используется в термоядерных реакциях, радиоактивен. Кроме того, нейроны, выделяющиеся в результате синтеза, облучают конструкцию реактора. Сами элементы реактора покрываются радиоактивной пылью из-за воздействия плазмы. 

Тем не менее, термоядерный реактор намного безопасней ядерного реактора в радиационном отношении. Радиоактивных веществ в реакторе относительно мало. Кроме того, сама конструкция реактора предполагает отсутствие «дыр», через которые может просочиться радиация. Вакуумная камера реактора должна быть герметичной, иначе реактор просто не сможет работать. При строительстве термоядерных реакторов применяются испытанные ядерной энергетикой материалы, а в помещениях поддерживается пониженное давление.

Ядро и рибосомы | Безграничная анатомия и физиология

Ядро и рибосомы

В ядре эукариотических клеток содержится генетический материал, который определяет всю структуру и функцию этой клетки.

Цели обучения

Объясните назначение ядра в эукариотических клетках

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Ядро содержит ДНК клетки и направляет синтез рибосом и белков.
  • Ядрышко находится в нуклеоплазме и представляет собой конденсированную область хроматина, в которой происходит синтез рибосом.
  • Хроматин состоит из ДНК, обернутой вокруг гистоновых белков, и хранится в нуклеоплазме.
  • Рибосомы — это большие комплексы белка и рибонуклеиновой кислоты (РНК), ответственные за синтез белка при транскрибировании ДНК из ядра.
Ключевые термины
  • гистон : любой из различных простых водорастворимых белков, которые богаты основными аминокислотами лизином и аргинином и образуют комплекс с ДНК в нуклеосомах эукариотического хроматина
  • ядрышко : заметное округлое, не связанное с мембраной тело в ядре клетки
  • хроматин : комплекс ДНК, РНК и белков в ядре клетки, из которого хромосомы конденсируются во время деления клетки

Ядро

Одним из основных различий между прокариотическими и эукариотическими клетками является ядро. Как обсуждалось ранее, у прокариотических клеток отсутствует организованное ядро, в то время как эукариотические клетки содержат связанные с мембраной ядра (и органеллы), которые содержат ДНК клетки и направляют синтез рибосом и белков.

Ядро хранит хроматин (ДНК плюс белки) в гелеобразном веществе, называемом нуклеоплазмой. Чтобы понять хроматин, полезно сначала рассмотреть хромосомы. Хроматин описывает материал, из которого состоят хромосомы, структуры ядра, состоящие из ДНК, наследственного материала.Возможно, вы помните, что у прокариот ДНК организована в одну кольцевую хромосому. У эукариот хромосомы представляют собой линейные структуры. Каждый вид эукариот имеет определенное количество хромосом в ядрах клеток своего тела. Например, у человека число хромосом составляет 46, а у плодовых мушек — восемь. Хромосомы видны и отличимы друг от друга только тогда, когда клетка готовится к делению. Чтобы организовать большое количество ДНК в ядре, к хромосомам прикрепляются белки, называемые гистонами; ДНК оборачивается вокруг этих гистонов, образуя структуру, напоминающую бусинки на нитке. Эти комплексы белок-хромосома называются хроматином.

ДНК высокоорганизована : На этом изображении показаны различные уровни организации хроматина (ДНК и белок). Вдоль нитей хроматина, размотанных комплексов белок-хромосома, мы находим ДНК, обернутую вокруг набора гистоновых белков.

В ядре хранится наследственный материал клетки. : Ядро является центром управления клеткой. Ядро живых клеток содержит генетический материал, который определяет всю структуру и функцию этой клетки.

Ядрышко также находится в нуклеоплазме. Ядрышко — это конденсированная область хроматина, в которой происходит синтез рибосом. Рибосомы, большие комплексы белка и рибонуклеиновой кислоты (РНК), являются клеточными органеллами, ответственными за синтез белка. Они получают свои «приказы» на синтез белка из ядра, где ДНК транскрибируется в информационную РНК (мРНК). Эта мРНК перемещается к рибосомам, которые переводят код, обеспечиваемый последовательностью азотистых оснований в мРНК, в определенный порядок аминокислот в белке.

Рибосомы отвечают за синтез белка : Рибосомы состоят из большой субъединицы (вверху) и маленькой субъединицы (внизу). Во время синтеза белка рибосомы собирают аминокислоты в белки.

Наконец, граница ядра называется ядерной оболочкой. Он состоит из двух бислоев фосфолипидов: внешней мембраны и внутренней мембраны. Ядерная мембрана является продолжением эндоплазматической сети, а ядерные поры позволяют веществам входить в ядро ​​и выходить из него.

Характеристики эукариотических клеток

Эукариотическая клетка имеет истинное мембраносвязанное ядро ​​и другие мембранные органеллы, которые позволяют выполнять компартментализацию функций.

Цели обучения

Опишите строение эукариотических клеток

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Эукариотические клетки больше прокариотических клеток и имеют «истинное» ядро, мембраносвязанные органеллы и палочковидные хромосомы.
  • Ядро содержит ДНК клетки и направляет синтез белков и рибосом.
  • Митохондрии отвечают за производство АТФ; эндоплазматический ретикулум модифицирует белки и синтезирует липиды; а в аппарате Гольджи происходит сортировка липидов и белков.
  • Пероксисомы осуществляют реакции окисления, которые расщепляют жирные кислоты и аминокислоты и выводят токсины из ядов; везикулы и вакуоли функционируют при хранении и транспортировке.
  • В клетках животных есть центросома и лизосомы, а в клетках растений их нет.
  • Клетки растений имеют клеточную стенку, большую центральную вакуоль, хлоропласты и другие специализированные пластиды, тогда как клетки животных их не имеют.
Ключевые термины
  • эукариот : Имеющие сложные клетки, в которых генетический материал организован в мембраносвязанные ядра.
  • органелла : Специализированная структура внутри клеток, которая выполняет определенный жизненный процесс (например,г. рибосомы, вакуоли).
  • фотосинтез : процесс, с помощью которого растения и другие фотоавтотрофы производят углеводы и кислород из углекислого газа, воды и световой энергии в хлоропластах

Структура эукариотической клетки

Подобно прокариотической клетке, эукариотическая клетка имеет плазматическую мембрану, цитоплазму и рибосомы. Однако, в отличие от прокариотических клеток, эукариотические клетки имеют:

  1. мембраносвязанное ядро ​​
  2. многочисленные мембраносвязанные органеллы (включая эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, хлоропласты и митохондрии)
  3. несколько палочковидных хромосом

Поскольку ядро ​​эукариотической клетки окружено мембраной, часто говорят, что у нее есть «истинное ядро».Органеллы (что означает «маленький орган») выполняют особые клеточные роли, так же как органы вашего тела выполняют особые роли. Они позволяют разделить разные функции на разные части клетки.

Ядро и его структуры

Обычно ядро ​​является самой заметной органеллой в клетке. У эукариотических клеток есть истинное ядро, что означает, что ДНК клетки окружена мембраной. Следовательно, ядро ​​содержит ДНК клетки и направляет синтез белков и рибосом, клеточных органелл, ответственных за синтез белка.Ядерная оболочка представляет собой структуру с двойной мембраной, которая составляет самую внешнюю часть ядра. И внутренняя, и внешняя мембраны ядерной оболочки представляют собой бислои фосфолипидов. Ядерная оболочка перемежается порами, которые контролируют прохождение ионов, молекул и РНК между нуклеоплазмой и цитоплазмой. Нуклеоплазма — это полутвердая жидкость внутри ядра, где мы находим хроматин и ядрышко. Более того, хромосомы — это структуры в ядре, состоящие из ДНК, генетического материала.У прокариот ДНК организована в одну кольцевую хромосому. У эукариот хромосомы представляют собой линейные структуры.

Эукариотическое ядро ​​: ядро ​​хранит хроматин (ДНК плюс белки) в гелеобразном веществе, называемом нуклеоплазмой. Ядрышко — это конденсированная область хроматина, где происходит синтез рибосом. Граница ядра называется ядерной оболочкой. состоит из двух фосфолипидных бислоев: внешней мембраны и внутренней мембраны.Ядерная мембрана непрерывна с эндоплазматической сетью. Ядерные поры позволяют веществам входить и выходить из ядра.

Другие мембраносвязанные органеллы

Митохондрии — это овальные органеллы с двойной мембраной, которые имеют собственные рибосомы и ДНК. Эти органеллы часто называют «энергетическими фабриками» клетки, потому что они ответственны за производство аденозинтрифосфата (АТФ), основной молекулы, несущей энергию клетки, посредством клеточного дыхания.Эндоплазматический ретикулум модифицирует белки и синтезирует липиды, а в аппарате Гольджи происходит сортировка, маркировка, упаковка и распределение липидов и белков. Пероксисомы — это маленькие круглые органеллы, окруженные одиночными мембранами; они проводят реакции окисления, разрушающие жирные кислоты и аминокислоты. Пероксисомы также выводят токсины из многих ядов, которые могут попасть в организм. Везикулы и вакуоли — это мембранные мешочки, которые служат для хранения и транспортировки. Помимо того факта, что вакуоли несколько больше, чем везикулы, между ними существует очень тонкое различие: мембраны везикул могут сливаться либо с плазматической мембраной, либо с другими мембранными системами внутри клетки.Все эти органеллы находятся в каждой эукариотической клетке.

Клетки животных и клетки растений

В то время как все эукариотические клетки содержат вышеупомянутые органеллы и структуры, между животными и растительными клетками есть некоторые поразительные различия. Клетки животных имеют центросомы и лизосомы, а клетки растений — нет. Центросома — это центр организации микротрубочек, расположенный рядом с ядрами клеток животных, а лизосомы заботятся о пищеварительном процессе клетки.

Клетки животных : Несмотря на их фундаментальное сходство, между клетками животных и растений существуют поразительные различия.В клетках животных есть центриоли, центросомы и лизосомы, а в клетках растений их нет.

Кроме того, у растительных клеток есть клеточная стенка, большая центральная вакуоль, хлоропласты и другие специализированные пластиды, тогда как у животных клеток их нет. Клеточная стенка защищает клетку, обеспечивает структурную поддержку и придает форму клетке, в то время как центральная вакуоль играет ключевую роль в регулировании концентрации воды в клетке при изменении условий окружающей среды. Хлоропласты — это органеллы, осуществляющие фотосинтез.

Растительные клетки : Растительные клетки имеют клеточную стенку, хлоропласты, плазмодесмы и пластиды, используемые для хранения, и большую центральную вакуоль, тогда как клетки животных не имеют.

4.3C: Ядро и рибосомы

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Ключевые моменты
  2. Ключевые термины
  3. Ядро

Ядро, обнаруженное в эукариотических клетках, содержит генетический материал, который определяет всю структуру и функцию этой клетки.

Задачи обучения

  • Объяснить назначение ядра в эукариотических клетках

Ключевые моменты

  • Ядро содержит ДНК клетки и направляет синтез рибосом и белков.
  • Ядрышко находится в нуклеоплазме и представляет собой конденсированную область хроматина, в которой происходит синтез рибосом.
  • Хроматин состоит из ДНК, обернутой вокруг гистоновых белков, и хранится в нуклеоплазме.
  • Рибосомы — это большие комплексы белка и рибонуклеиновой кислоты (РНК), ответственные за синтез белка при транскрибировании ДНК из ядра.

Ключевые термины

  • гистон : любой из различных простых водорастворимых белков, которые богаты основными аминокислотами лизином и аргинином и образуют комплекс с ДНК в нуклеосомах эукариотического хроматина
  • ядрышко : заметное округлое, не связанное с мембраной тело в ядре клетки
  • хроматин : комплекс ДНК, РНК и белков в ядре клетки, из которого хромосомы конденсируются во время деления клетки

Ядро

Одним из основных различий между прокариотическими и эукариотическими клетками является ядро.Как обсуждалось ранее, у прокариотических клеток отсутствует организованное ядро, в то время как эукариотические клетки содержат связанные с мембраной ядра (и органеллы), в которых находится ДНК клетки и которые направляют синтез рибосом и белков.

Ядро хранит хроматин (ДНК плюс белки) в гелеобразном веществе, называемом нуклеоплазмой. Чтобы понять хроматин, полезно сначала рассмотреть хромосомы. Хроматин описывает материал, из которого состоят хромосомы, структуры ядра, состоящие из ДНК, наследственного материала.Возможно, вы помните, что у прокариот ДНК организована в одну кольцевую хромосому. У эукариот хромосомы представляют собой линейные структуры. Каждый вид эукариот имеет определенное количество хромосом в ядрах клеток своего тела. Например, у человека число хромосом 46, а у дрозофилы — восемь. Хромосомы видны и отличимы друг от друга только тогда, когда клетка готовится к делению. Чтобы организовать большое количество ДНК в ядре, к хромосомам прикрепляются белки, называемые гистонами; ДНК оборачивается вокруг этих гистонов, образуя структуру, напоминающую бусинки на нитке.Эти комплексы белок-хромосома называются хроматином.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): ДНК высокоорганизована. : Это изображение показывает различные уровни организации хроматина (ДНК и белка). Вдоль нитей хроматина, размотанных комплексов белок-хромосома, мы находим ДНК, обернутую вокруг набора гистоновых белков. Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Ядро хранит наследственный материал клетки. : Ядро является контролем. центр клетки. Ядро живых клеток содержит генетический материал, который определяет всю структуру и функцию этой клетки.

Ядрышко также находится в нуклеоплазме. Ядрышко — это конденсированная область хроматина, в которой происходит синтез рибосом. Рибосомы, большие комплексы белка и рибонуклеиновой кислоты (РНК), являются клеточными органеллами, ответственными за синтез белка. Они получают свои «приказы» на синтез белка из ядра, где ДНК транскрибируется в информационную РНК (мРНК). Эта мРНК перемещается к рибосомам, которые переводят код, обеспечиваемый последовательностью азотистых оснований в мРНК, в определенный порядок аминокислот в белке.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Рибосомы отвечают за синтез белка. : Рибосомы состоят из большой субъединицы (вверху) и маленькой субъединицы (внизу). Во время синтеза белка рибосомы собирают аминокислоты в белки.

Наконец, граница ядра называется ядерной оболочкой. Он состоит из двух бислоев фосфолипидов: внешней мембраны и внутренней мембраны. Ядерная мембрана является продолжением эндоплазматической сети, в то время как ядерные поры позволяют веществам входить и выходить из ядра.

Protein Synthesis

В 1950-х и 1960-х годах стало очевидно, что ДНК играет важную роль в синтезе белков. Среди многих функций белков могут служить ферментами и структурными материалами в клетках. Многие специализированные белки участвуют в клеточной деятельности. Например, у людей гормон инсулин и волокна мышечных клеток состоят из белка. Волосы, кожа и ногти человека состоят из белков, как и все сотни тысяч ферментов в организме.

Ключ к белковой молекуле — это то, как связаны аминокислоты. Последовательность аминокислот в белке — это тип кода, который определяет белок и отличает один белок от другого. Генетический код в ДНК определяет этот аминокислотный код. Генетический код состоит из последовательности азотистых оснований в ДНК. То, как азотистый основной код транслируется в аминокислотную последовательность в белке, является основой синтеза белка.

Для того чтобы синтез белка происходил, необходимо присутствие нескольких основных материалов, таких как запас 20 аминокислот, которые составляют большинство белков.Другой важный компонент — это ряд ферментов, которые будут работать в этом процессе. ДНК и другая форма нуклеиновой кислоты, называемая рибонуклеиновой кислотой (РНК) , необходимы.

РНК — это нуклеиновая кислота, которая переносит инструкции ядерной ДНК в цитоплазму, где синтезируется белок. РНК похожа на ДНК, за двумя исключениями. Во-первых, углевод в РНК — это рибоза, а не дезоксирибоза, и, во-вторых, нуклеотиды РНК содержат пиримидин-урацил, а не тимин.

Типы РНК

В синтезе протеина действуют три типа РНК. Первый тип называется рибосомной РНК ( рРНК ). Эта форма РНК используется для производства рибосом. Рибосомы представляют собой ультрамикроскопические частицы рРНК и белка. Это места (химические «верстаки»), где аминокислоты соединяются друг с другом для синтеза белков. Рибосомы обнаруживаются в большом количестве вдоль мембран эндоплазматического ретикулума и в цитоплазме клетки (см. Главу 3).

Второй важный тип РНК — это РНК переноса (тРНК). РНК переноса существует в цитоплазме клетки и переносит аминокислоты к рибосомам для синтеза белка. Когда происходит синтез белка, ферменты связывают молекулы тРНК с аминокислотами очень специфическим образом. Например, молекула тРНК X будет связываться только с аминокислотой X; Молекула тРНК Y будет связываться только с аминокислотой Y.

Третья форма РНК — это информационная РНК (мРНК). В ядре информационная РНК построена из кода пар оснований ДНК и переносит код в цитоплазму или в грубый эндоплазматический ретикулум, где происходит синтез белка. Информационная РНК синтезируется в ядре с помощью молекул ДНК. Во время синтеза генетическая информация передается от молекулы ДНК к молекуле мРНК. Таким образом, генетический код можно использовать для синтеза белка в отдаленном месте. РНК-полимераза , фермент , осуществляет синтез мРНК, тРНК и рРНК.

Существуют также некодирующие молекулы РНК (нкРНК), которые не принимают непосредственного участия в синтезе белка. Это будет более подробно описано в разделе «Контроль генов» далее в этой главе

.

Транскрипция

Транскрипция — один из первых процессов в механизме синтеза белка.При транскрипции комплементарная цепь мРНК синтезируется в соответствии с азотистым основным кодом ДНК. Сначала фермент РНК-полимераза связывается с участком одной из молекул ДНК в двойной спирали. (Во время транскрипции только одна цепь ДНК служит матрицей для синтеза РНК. Другая цепь ДНК остается бездействующей.) Фермент перемещается по цепи ДНК и «считывает» нуклеотиды один за другим. Подобно процессу репликации ДНК, новая цепь нуклеиновой кислоты удлиняется в направлении 5′-3 ‘, как показано на рисунке 10-2.Фермент выбирает комплементарные основания из доступных нуклеотидов и позиционирует их в молекуле мРНК в соответствии с принципом комплементарного спаривания оснований. Цепочка мРНК удлиняется, пока не будет получено сообщение «стоп».

Рисунок 10-2 Процесс транскрипции. Двойная спираль ДНК открывается, и фермент РНК-полимераза синтезирует молекулу мРНК в соответствии с последовательностью оснований матрицы ДНК.

Нуклеотиды цепей ДНК считываются группами по три штуки.Каждая группа представляет собой кодон . Таким образом, кодон может быть CGA, или TTA, или GCT, или любой другой комбинацией четырех оснований, в зависимости от комплементарной последовательности кодона в цепи ДНК. Каждый кодон позже будет служить «кодовым словом» для аминокислоты. Однако сначала кодоны транскрибируются в молекулу мРНК. Таким образом, молекула мРНК состоит не более чем из серии кодонов, полученных из генетического сообщения в ДНК.

После достижения «стоп-кодона» синтез мРНК заканчивается.Молекула мРНК покидает молекулу ДНК, и молекула ДНК перематывается, образуя двойную спираль. Между тем, молекула мРНК проходит через пору в ядре и попадает в цитоплазму клетки, где она движется к рибосомам, расположенным в цитоплазме или на шероховатом эндоплазматическом ретикулуме.

Перевод

Генетический код переносится в аминокислотную последовательность в белке посредством процесса трансляции , который начинается с прибытия молекулы мРНК к рибосоме.Пока мРНК синтезировалась, молекулы тРНК объединялись со своими специфическими аминокислотами в соответствии с активностью определенных ферментов. Затем молекулы тРНК начали транспортировать свои аминокислоты к рибосомам, чтобы встретиться с молекулой мРНК.

После того, как молекула мРНК попадает в рибосомы, она раскрывает свои основания в виде наборов из трех кодонов. Каждый кодон имеет дополнительный кодон, называемый антикодоном , на молекуле тРНК. Когда кодон молекулы мРНК дополняет антикодон на молекуле тРНК , последняя помещает конкретную аминокислоту в это положение.Затем экспонируется следующий кодон мРНК, и с ним совпадает дополнительный антикодон молекулы тРНК. Аминокислота, переносимая второй молекулой тРНК, расположена рядом с первой аминокислотой, и обе они связаны. В этот момент молекулы тРНК высвобождают свои аминокислоты и возвращаются в цитоплазму, чтобы соединиться с новыми молекулами аминокислот.

Когда наступает время для размещения следующей аминокислоты в растущем белке, открывается новый кодон в молекуле мРНК, и комплементарный трехосновный антикодон молекулы тРНК позиционируется напротив кодона.Это ставит другую аминокислоту на место, и эта аминокислота связывается с предыдущими аминокислотами. Рибосома перемещается дальше по молекуле мРНК и обнажает другой кодон, который привлекает другую молекулу тРНК своим антикодоном.

Одна за другой, аминокислоты добавляются в растущую цепь, пока рибосома не переместится к концу молекулы мРНК. Из-за специфичности молекул тРНК к их отдельным аминокислотам и из-за спаривания оснований между кодонами и антикодонами последовательность кодонов в молекуле мРНК определяет последовательность аминокислот в конструируемом белке.А поскольку последовательность кодонов мРНК дополняет последовательность кодонов ДНК, молекула ДНК в конечном итоге направляет аминокислотное секвенирование в белках. Первичным «стартовым» кодоном молекулы мРНК является AUG, который кодирует аминокислоту метионин. Следовательно, каждый транскрипт мРНК начинается с кодона AUG, а образующийся полипептид начинается с метионина.

На рисунке 10-3 показано, что процесс синтеза белка начинается с производства мРНК (вверху справа). Молекула мРНК переходит к рибосоме, где встречается с молекулами тРНК, несущими аминокислоты (вверху слева).Молекула тРНК имеет основной код (антикодон), который дополняет код мРНК (кодон) и тем самым вводит определенную аминокислоту в нужное положение. Аминокислоты соединяются в пептидные связи (внизу), и молекулы тРНК высвобождаются, чтобы захватить дополнительные молекулы аминокислот.

После того, как белок был полностью синтезирован, он удаляется из рибосомы для дальнейшей обработки и выполнения своей функции. Например, белок может храниться в аппарате Гольджи до того, как высвобождается клеткой, или он может храниться в лизосоме как пищеварительный фермент.Кроме того, белок может использоваться в клетке в качестве структурного компонента или он может высвобождаться в виде гормона, такого как инсулин. После синтеза молекула мРНК распадается, и нуклеотиды возвращаются в ядро. Молекулы тРНК возвращаются в цитоплазму, чтобы объединиться с другими молекулами аминокислот, и рибосома ожидает прибытия новой молекулы мРНК.

Рисунок 10-3 Процесс синтеза белка.

сот | Определение, типы и функции

Клетка , в биологии, основная мембраносвязанная единица, которая содержит основные молекулы жизни и из которых состоит все живое.Одна клетка часто сама по себе является целостным организмом, например, бактериями или дрожжами. Другие клетки приобретают специализированные функции по мере созревания. Эти клетки взаимодействуют с другими специализированными клетками и становятся строительными блоками больших многоклеточных организмов, таких как люди и другие животные. Хотя клетки намного больше атомов, они все же очень маленькие. Самые маленькие из известных клеток — это группа крошечных бактерий, называемых микоплазмами; некоторые из этих одноклеточных организмов представляют собой сферы размером до 0.2 мкм в диаметре (1 мкм = около 0,000039 дюйма), с общей массой 10 -14 грамм, что равно 8 000 000 000 атомов водорода. Клетки человека обычно имеют массу в 400 000 раз больше, чем масса отдельной бактерии микоплазмы, но даже клетки человека имеют только около 20 мкм в поперечнике. Для того, чтобы закрыть булавочную головку, потребуется лист примерно из 10 000 человеческих клеток, а каждый человеческий организм состоит из более чем 30 000 000 000 000 клеток.

животная клетка

Основные структуры животной клетки Цитоплазма окружает специализированные структуры клетки, или органеллы. Рибосомы, места синтеза белка, находятся в цитоплазме в свободном состоянии или прикреплены к эндоплазматическому ретикулуму, через который материалы транспортируются по клетке. Энергия, необходимая клетке, выделяется митохондриями. Комплекс Гольджи, стопки сплюснутых мешочков, обрабатывает и упаковывает материалы, которые должны быть выпущены из клетки в секреторные пузырьки. Пищеварительные ферменты содержатся в лизосомах. Пероксисомы содержат ферменты, выводящие токсины из опасных веществ. Центросома содержит центриоли, которые играют роль в делении клеток.Микроворсинки — это пальцевидные отростки на определенных клетках. Реснички, похожие на волосы структуры, которые выходят на поверхность многих клеток, могут создавать движение окружающей жидкости. Ядерная оболочка, двойная мембрана, окружающая ядро, содержит поры, которые контролируют движение веществ в нуклеоплазму и из нее. Хроматин, комбинация ДНК и белков, которые скручиваются в хромосомы, составляет большую часть нуклеоплазмы. Плотное ядрышко является местом образования рибосом.

© Merriam-Webster Inc.

Популярные вопросы

Что такое ячейка?

Клетка — это масса цитоплазмы, которая снаружи связана клеточной мембраной. Обычно микроскопические по размеру клетки представляют собой самые маленькие структурные единицы живого вещества и составляют все живое. Большинство клеток имеют одно или несколько ядер и других органелл, которые выполняют множество задач. Некоторые отдельные клетки представляют собой полноценные организмы, такие как бактерии или дрожжи. Другие представляют собой специализированные строительные блоки многоклеточных организмов, таких как растения и животные.

Что такое клеточная теория?

Теория клетки утверждает, что клетка является фундаментальной структурной и функциональной единицей живого вещества. В 1839 году немецкий физиолог Теодор Шванн и немецкий ботаник Маттиас Шлейден заявили, что клетки являются «элементарными частицами организмов» как у растений, так и у животных, и признали, что одни организмы одноклеточные, а другие многоклеточные. Эта теория ознаменовала собой большой концептуальный прогресс в биологии и привела к возобновлению внимания к живым процессам, происходящим в клетках.

Что делают клеточные мембраны?

Клеточная мембрана окружает каждую живую клетку и отделяет клетку от окружающей среды. Он служит барьером, препятствующим проникновению содержимого клетки и проникновению нежелательных веществ. Он также функционирует как ворота для активного и пассивного перемещения основных питательных веществ в клетку и отходов из нее. Определенные белки клеточной мембраны участвуют в межклеточной коммуникации и помогают клетке реагировать на изменения в окружающей среде.

В этой статье клетка рассматривается как отдельная единица и как часть большого организма. Как отдельная единица, клетка способна метаболизировать свои собственные питательные вещества, синтезировать многие типы молекул, обеспечивать свою собственную энергию и воспроизводить себя, чтобы производить последующие поколения. Его можно рассматривать как закрытый сосуд, внутри которого одновременно происходят бесчисленные химические реакции. Эти реакции находятся под очень точным контролем, поэтому они способствуют жизни и размножению клетки.В многоклеточном организме клетки становятся специализированными для выполнения различных функций в процессе дифференцировки. Для этого каждая ячейка поддерживает постоянную связь со своими соседями. Получая питательные вещества из окружающей среды и выбрасывая отходы, она прилипает к другим клеткам и взаимодействует с ними. Совместные сборки одинаковых клеток образуют ткани, а сотрудничество между тканями, в свою очередь, формирует органы, которые выполняют функции, необходимые для поддержания жизни организма.

Особое внимание в этой статье уделяется клеткам животных, с некоторым обсуждением процессов синтеза энергии и внеклеточных компонентов, свойственных растениям. (Подробное обсуждение биохимии растительных клеток, см. Фотосинтез . Для полной обработки генетических событий в ядре клетки, см. Наследственность .)

Брюс М. Альбертс

Природа и функция клеток

A клетка окружена плазматической мембраной, которая образует селективный барьер, позволяющий питательным веществам проникать, а продукты жизнедеятельности — выходить.Внутренняя часть клетки состоит из множества специализированных отсеков или органелл, каждый из которых окружен отдельной мембраной. Одна из основных органелл, ядро, содержит генетическую информацию, необходимую для роста и размножения клеток. Каждая клетка содержит только одно ядро, тогда как другие типы органелл присутствуют в множестве копий в клеточном содержимом или цитоплазме. Органеллы включают митохондрии, которые отвечают за передачу энергии, необходимую для выживания клеток; лизосомы, которые переваривают нежелательные материалы внутри клетки; и эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи, которые играют важную роль во внутренней организации клетки, синтезируя выбранные молекулы, а затем обрабатывая, сортируя и направляя их в нужное место. Кроме того, клетки растений содержат хлоропласты, которые отвечают за фотосинтез, благодаря чему энергия солнечного света используется для преобразования молекул углекислого газа (CO 2 ) и воды (H 2 O) в углеводы. Между всеми этими органеллами есть пространство в цитоплазме, называемое цитозолем. Цитозоль содержит организованный каркас из волокнистых молекул, составляющих цитоскелет, который придает клетке ее форму, позволяет органеллам перемещаться внутри клетки и обеспечивает механизм, с помощью которого сама клетка может двигаться.Цитозоль также содержит более 10 000 различных видов молекул, которые участвуют в клеточном биосинтезе, процессе создания больших биологических молекул из маленьких.

клеток

Клетки животных и растений содержат мембраносвязанные органеллы, в том числе отдельные ядра. Напротив, бактериальные клетки не содержат органелл.

Encyclopædia Britannica, Inc. Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Специализированные органеллы являются характеристикой клеток организмов, известных как эукариоты.Напротив, клетки организмов, известных как прокариоты, не содержат органелл и обычно меньше эукариотических клеток. Однако все клетки имеют сильное сходство в биохимической функции.

эукариотическая клетка

Рисунок эукариотической клетки в разрезе.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Молекулы клеток

Клетки содержат особый набор молекул, окруженных мембраной. Эти молекулы дают клеткам возможность расти и воспроизводиться.Общий процесс клеточного размножения происходит в два этапа: рост клеток и деление клеток. Во время роста клетки клетка поглощает определенные молекулы из своего окружения, выборочно проводя их через клеточную мембрану. Попадая внутрь клетки, эти молекулы подвергаются действию узкоспециализированных, больших, тщательно свернутых молекул, называемых ферментами. Ферменты действуют как катализаторы, связываясь с проглоченными молекулами и регулируя скорость их химического изменения. Эти химические изменения делают молекулы более полезными для клетки.В отличие от проглоченных молекул, катализаторы сами химически не изменяются во время реакции, что позволяет одному катализатору регулировать конкретную химическую реакцию во многих молекулах.

Биологические катализаторы создают цепочки реакций. Другими словами, молекула, химически преобразованная одним катализатором, служит исходным материалом или субстратом для второго катализатора и так далее. Таким образом, катализаторы используют небольшие молекулы, принесенные в клетку из внешней среды, для создания все более сложных продуктов реакции.Эти продукты используются для роста клеток и воспроизведения генетического материала. После копирования генетического материала и наличия достаточного количества молекул для поддержания деления клетки клетка делится, образуя две дочерние клетки. Через множество таких циклов клеточного роста и деления каждая родительская клетка может дать начало миллионам дочерних клеток, в процессе преобразования больших количеств неодушевленного вещества в биологически активные молекулы.

Функция ячейки | SEER Обучение

Структурные и функциональные характеристики различных типов клеток определяются природой присутствующих белков.Клетки разных типов имеют разные функции, потому что структура и функция клеток тесно связаны. Очевидно, что очень тонкая клетка не подходит для защитной функции. Костные клетки не имеют подходящей структуры для проведения нервных импульсов. Так же, как существует много типов клеток, существуют различные функции клеток. Обобщенные функции клеток включают перемещение веществ через клеточную мембрану, деление клеток с образованием новых клеток и синтез белка.

Перемещение веществ через клеточную мембрану

Выживание клетки зависит от сохранения разницы между внеклеточным и внутриклеточным материалом.Механизмы движения через клеточную мембрану включают простую диффузию, осмос, фильтрацию, активный транспорт, эндоцитоз и экзоцитоз.

Простая диффузия — это перемещение частиц (растворенных веществ) из области с более высокой концентрацией растворенных веществ в область с более низкой концентрацией растворенных веществ. Осмос — это диффузия молекул растворителя или воды через избирательно проницаемую мембрану. Фильтрация использует давление для проталкивания веществ через мембрану. Активный транспорт перемещает вещества против градиента концентрации из области более низкой концентрации в область более высокой концентрации.Он требует молекулы-носителя и использует энергию. Эндоцитоз относится к образованию пузырьков для переноса частиц и капель извне внутрь клетки. Секреторные пузырьки перемещаются изнутри наружу клетки путем экзоцитоза.

Отделение клеток

Деление клеток — это процесс образования новых клеток для роста, восстановления и замены в организме. Этот процесс включает деление ядерного материала и деление цитоплазмы. Все клетки тела (соматические клетки), кроме тех, которые дают начало яйцеклеткам и сперматозоидам (гаметам), размножаются путем митоза.Яйцеклетки и сперматозоиды образуются в результате особого типа деления ядра, называемого мейозом, при котором количество хромосом уменьшается вдвое. Деление цитоплазмы называется цитокинезом.

Соматические клетки размножаются путем митоза, в результате чего образуются две клетки, идентичные одной родительской клетке. Интерфаза — это период между последовательными делениями клеток. Это самая длинная часть клеточного цикла. Последовательные стадии митоза — профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Цитокинез, деление цитоплазмы, происходит во время телофазы.

Мейоз — это особый тип деления клеток, который происходит при производстве гамет, яиц и сперматозоидов. Эти клетки имеют только 23 хромосомы, половину числа хромосом, обнаруженных в соматических клетках, поэтому, когда произойдет оплодотворение, полученная клетка снова будет иметь 46 хромосом, 23 из яйцеклетки и 23 из сперматозоидов.

Репликация ДНК и синтез белков

Белки, синтезируемые в цитоплазме, действуют как структурные материалы, ферменты, регулирующие химические реакции, гормоны и другие жизненно важные вещества.ДНК в ядре направляет синтез белка в цитоплазме. Ген — это часть молекулы ДНК, которая контролирует синтез одной конкретной белковой молекулы. Информационная РНК несет генетическую информацию от ДНК в ядре к участкам синтеза белка в цитоплазме.

Клетка: Руководство по гистологии

Что такое ядро?

Ядро находится в середине клетки, и он содержит ДНК, расположенную в хромосомах.Он окружен ядерная оболочка, двойная ядерная мембрана (внешняя и внутренняя), который отделяет ядро ​​от цитоплазмы. Наружная мембрана продолжается с шероховатой эндоплазматической сетью. Ядерная оболочка содержит поры, контролирующие движение веществ в ядре и из него. РНК избирательно транспортируется в цитоплазма, а белки селективно транспортируются в ядро.Ядерная мембрана поддерживается сеткой промежуточных звеньев. волокна, называемые ядерными ламинами.

Одно или несколько темных сферических тел, называемых ядрышками , являются находится внутри ядра. Это сайты, в которых рибосомы собраны. Ядрышки наиболее заметны в клетках, синтезирующих большое количество белка.

Большинство клеток имеют одно ядро, хотя у некоторых его нет (т.е.красный клетки крови), а у некоторых их несколько (например, скелетные мышца).

На этом изображении ниже показана схема ядра.

Ядра

выглядят разными клетками и при делении клеток. Например, в разных типах белых кровяных телец в интерфазе ядро ​​может иметь одну или несколько долей, а количество долей характерно для типа лейкоцитов.

На этом снимке представлена ​​электронная микрофотография ядра.Короткая белые стрелки указывают на ядерные поры. Обратите внимание на внешний вид эу- и гетерохроматина, а также ядрышко. Пятна гетерохроматина плотнее, чем эухроматин, но они обе являются формами хроматина. Хроматин — это название обнаруженной диффузной зернистой массы ДНК. в интерфазных клетках.

Гетерохроматин менее распространен, относительный к эухроматину , в больших ядрах активных клеток чем в небольших ядрах покоящихся клеток, таких как маленькие лимфоциты.

Эухроматин — «активный» хроматин, содержащий Последовательности ДНК, которые транскрибируются в РНК.

Ядрышко — это место в ядре, где рибосомная РНК транскрибируется. Затем он связывается с субъединицами рибосомы и транспортируется из ядра через ядерный поры. Сборка рибосом и трансляция РНК и белка синтез происходит в цитоплазме.Синтез белка происходит на свободном рибосома или на рибосомах, прикрепленных к эндоплазматической сети (грубая эндоплазматический ретикулум), в этом случае поры образуются так, что вновь синтезированные белки перемещаются в цистерну грубого эндоплазматического ретикулум. Белки, синтезируемые на рибосомах, прикрепленных к ER, затем транспортируются в Golgi и упаковываются для секреции.

Электронная микрофотография ядра

Типы ядер

Клетки обычно диплоидные — это означает, что у них есть пара — два набора гомологичных хромосом, и, следовательно, две копии каждого гена или генетического локуса.

Однако клетки могут быть гаплоидными, полиплоидными или анеуплоидными. Гаплоид : имеет только один набор хромосом — то есть в сперме или ооцит. Полиплоид : Содержит более двух наборов гомологичных Хромосомы . Анеуплоид : имеют атипичное количество хромосом — может иметь одну или две лишние хромосомы или может потерять хромосомы. Это ненормально и может указывать на рак.

Кариотип — это количество пар хромосом. есть.

На этом рисунке показан кариотип «G-band» из диплоидной мышиной клетки в метафазе. Хромосомы сгруппированы в пары, их номера показаны ниже. Характерный рисунок полос, который вы можете увидеть, получается при окрашивании с помощью Giemsa.

У мышей всего 19 пар плюс XY хромосомы, тогда как у людей 22 плюс XY.

Ознакомьтесь с проектом картирования генома человека и других видов на веб-сайте Национального центра биотехнологической информации.

3.4 Синтез белков — анатомия и физиология

Цели обучения

Основная цель

  • Объясните процесс, с помощью которого клетка строит белки, используя код ДНК

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните, как генетический код в ДНК определяет образующиеся белки.
  • Опишите процесс транскрипции
  • Объясните процесс перевода
  • Обсудить функцию рибосом

Ранее упоминалось, что ДНК обеспечивает «план» структуры и физиологии клетки. Это относится к тому факту, что ДНК содержит информацию, необходимую клетке для построения одного очень важного типа молекулы: белка. Большинство структурных компонентов клетки, по крайней мере частично, состоят из белков, и практически все функции, которые выполняет клетка, выполняются с помощью белков. Один из наиболее важных классов белков — это ферменты, которые помогают ускорить необходимые биохимические реакции, происходящие внутри клетки. Некоторые из этих критических биохимических реакций включают создание более крупных молекул из более мелких компонентов (например, то, что происходит во время репликации ДНК или синтеза микротрубочек) и разрушение более крупных молекул на более мелкие компоненты (например, при сборе химической энергии из молекул питательных веществ).Каким бы ни был клеточный процесс, в нем почти наверняка участвуют белки. Подобно тому, как геном клетки описывает полный набор ДНК, протеом клетки представляет собой полный набор белков. Синтез белка начинается с генов. Ген — это функциональный сегмент ДНК, который обеспечивает генетическую информацию, необходимую для создания белка. Каждый конкретный ген обеспечивает код, необходимый для создания определенного белка. Экспрессия гена , которая преобразует информацию, закодированную в гене, в конечный продукт гена, в конечном итоге определяет структуру и функцию клетки, определяя, какие белки сделаны.

Интерпретация генов работает следующим образом. Напомним, что белки представляют собой полимеры или цепи многих строительных блоков аминокислот. Последовательность оснований в гене (то есть его последовательность нуклеотидов A, T, C, G) переводится в аминокислотную последовательность. Триплет — это участок из трех оснований ДНК в ряду, который кодирует определенную аминокислоту. Например, триплет ДНК CAC (цитозин, аденин и цитозин) определяет аминокислоту валин. Следовательно, ген, состоящий из нескольких триплетов в уникальной последовательности, обеспечивает код для построения целого белка с несколькими аминокислотами в правильной последовательности (рисунок 3. 4.1). Механизм, с помощью которого клетки превращают код ДНК в белковый продукт, представляет собой двухэтапный процесс с молекулой РНК в качестве промежуточного звена.

Рисунок 3.4.1 — Генетический код: ДНК содержит всю генетическую информацию, необходимую для построения белков клетки. Нуклеотидная последовательность гена в конечном итоге транслируется в аминокислотную последовательность соответствующего белка гена.

От ДНК к РНК: транскрипция

ДНК

размещается в ядре, а синтез белка происходит в цитоплазме, поэтому должен быть какой-то промежуточный посредник, который покидает ядро ​​и управляет синтезом белка.Этот промежуточный мессенджер представляет собой информационную РНК (мРНК) (рис. 3.29), одноцепочечную нуклеиновую кислоту, которая несет копию генетического кода одного гена из ядра в цитоплазму, где она используется для производства белков. .

Существует несколько различных типов РНК, каждая из которых выполняет свои функции в клетке. Структура РНК похожа на ДНК, за некоторыми небольшими исключениями. Во-первых, в отличие от ДНК, большинство типов РНК, включая мРНК, являются одноцепочечными и не содержат комплементарной цепи.Во-вторых, сахар рибозы в РНК содержит дополнительный атом кислорода по сравнению с ДНК. Наконец, вместо основного тимина РНК содержит основной урацил. Это означает, что аденин всегда соединяется с урацилом в процессе синтеза белка.

Экспрессия гена начинается с процесса, называемого транскрипцией , который представляет собой синтез цепи мРНК, комплементарной интересующему гену. Этот процесс называется транскрипцией, потому что мРНК похожа на транскрипт или копию кода ДНК гена.Транскрипция начинается примерно так же, как репликация ДНК, когда участок ДНК раскручивается и две нити разделяются, однако только небольшая часть ДНК будет разделена. Тройки внутри гена на этом участке молекулы ДНК используются в качестве матрицы для транскрипции комплементарной цепи РНК (рис. 3. 4.2). Кодон представляет собой последовательность из трех оснований мРНК, так называемую, потому что они непосредственно кодируют аминокислоты. Как и в случае репликации ДНК, транскрипция состоит из трех стадий: инициация, удлинение и завершение.

Рисунок 3.4.2 — Транскрипция: от ДНК к мРНК: На первом из двух этапов создания белка из ДНК ген в молекуле ДНК транскрибируется в комплементарную молекулу мРНК.

На первом из двух этапов создания белка из ДНК ген в молекуле ДНК транскрибируется в комплементарную молекулу мРНК.

Этап 1: Инициирование. Область в начале гена, называемая промотором — определенная последовательность нуклеотидов — запускает начало транскрипции.

Этап 2: удлинение. Транскрипция начинается, когда РНК-полимераза раскручивает сегмент ДНК. Одна цепь, называемая кодирующей цепью, становится матрицей с генами, которые нужно кодировать. Затем полимераза выравнивает правильную нуклеиновую кислоту (A, C, G или U) с ее комплементарным основанием на кодирующей цепи ДНК. РНК-полимераза — это фермент, который добавляет новые нуклеотиды к растущей цепи РНК. В результате этого процесса строится цепь мРНК.

Этап 3: Прекращение действия. Когда полимераза достигает конца гена, один из трех специфических триплетов (UAA, UAG или UGA) кодирует «стоп-сигнал», который запускает ферменты для прекращения транскрипции и высвобождения транскрипта мРНК.

Процесс транскрипции регулируется классом белков, называемых факторами транскрипции , которые связываются с последовательностью гена и либо способствуют, либо ингибируют их транскрипцию. (переместите сюда рисунок 3.35).

Прежде чем молекула мРНК покинет ядро ​​и перейдет к синтезу белка, она модифицируется несколькими способами. По этой причине на этой стадии ее часто называют пре-мРНК. Например, ваша ДНК и, следовательно, комплементарная мРНК, содержит длинные области, называемые некодирующими областями, которые не кодируют аминокислоты. Их функция до сих пор остается загадкой, но процесс, называемый сплайсингом , удаляет эти некодирующие области из транскрипта пре-мРНК (рис. 3.4.3). Сплайсосома — структура, состоящая из различных белков и других молекул — прикрепляется к мРНК и «сплайсирует» или вырезает некодирующие области. Удаленный сегмент транскрипта называется интроном . Остальные экзоны склеены. Экзон — это сегмент РНК, который остается после сплайсинга.Интересно, что некоторые интроны, удаленные из мРНК, не всегда являются некодирующими. Когда различные кодирующие области мРНК сплайсируются, в конечном итоге возникают разные вариации белка с различиями в структуре и функции. Этот процесс приводит к гораздо большему разнообразию возможных белков и функций белков. Когда транскрипт мРНК готов, он выходит из ядра в цитоплазму.

Внешний веб-сайт

Это видео покажет вам важные ферменты и биомолекулы, участвующие в процессе транскрипции, процессе создания молекулы мРНК из ДНК.

Рисунок 3.4.3 — Сплайсинг ДНК: В ядре структура, называемая сплайсосомой, вырезает интроны (некодирующие области) в транскрипте пре-мРНК и повторно соединяет экзоны.

От РНК к белку: трансляция

Подобно переводу книги с одного языка на другой, кодоны цепи мРНК должны быть переведены в аминокислотный алфавит белков. Перевод — это процесс синтеза цепочки аминокислот, называемой полипептидом.Для перевода требуются два основных вспомогательных средства: во-первых, «транслятор», молекула, которая будет осуществлять трансляцию, и, во-вторых, субстрат, на котором цепь мРНК транслируется в новый белок, как «стол переводчика». Оба эти требования выполняются другими типами РНК. Субстратом, на котором происходит трансляция, является рибосома.

Помните, что многие рибосомы клетки связаны с грубым ER и осуществляют синтез белков, предназначенных для аппарата Гольджи. Рибосомная РНК (рРНК) — это тип РНК, которая вместе с белками составляет структуру рибосомы. Рибосомы существуют в цитоплазме в виде двух отдельных компонентов, маленькой и большой субъединицы. Когда молекула мРНК готова к трансляции, две субъединицы объединяются и прикрепляются к мРНК. Рибосома обеспечивает субстрат для трансляции, объединяя и выравнивая молекулу мРНК с молекулярными «трансляторами», которые должны расшифровать ее код.

Другое важное требование для синтеза белка — это молекулы-трансляторы, которые физически «читают» кодоны мРНК. Трансферная РНК (тРНК) — это тип РНК, которая переносит соответствующие соответствующие аминокислоты на рибосому и присоединяет каждую новую аминокислоту к последней, создавая полипептидную цепь одну за другой. Таким образом, тРНК переносит определенные аминокислоты из цитоплазмы в растущий полипептид. Молекулы тРНК должны быть способны распознавать кодоны на мРНК и сопоставлять их с правильной аминокислотой. ТРНК модифицирована для этой функции. На одном конце его структуры находится сайт связывания определенной аминокислоты. На другом конце находится последовательность оснований, которая соответствует кодону, определяющему его конкретную аминокислоту. Эта последовательность из трех оснований в молекуле тРНК называется антикодоном . Например, тРНК, отвечающая за перемещение аминокислоты глицина, содержит сайт связывания глицина на одном конце. С другой стороны, он содержит антикодон, который дополняет кодон глицина (GGA является кодоном для глицина, и поэтому антикодон тРНК будет читать CCU). Оборудованная своим конкретным грузом и подходящим антикодоном, молекула тРНК может считывать свой распознанный кодон мРНК и переносить соответствующую аминокислоту в растущую цепь (рис.4.4).

Рисунок 3.4.4 — Трансляция с РНК на белок : Во время трансляции транскрипт мРНК «считывается» функциональным комплексом, состоящим из молекул рибосомы и тРНК. тРНК приводят соответствующие аминокислоты в последовательность к растущей полипептидной цепи путем сопоставления их антикодонов с кодонами на цепи мРНК.

Подобно процессам репликации и транскрипции ДНК, трансляция состоит из трех основных стадий: инициации, элонгации и терминации. Инициирование происходит при связывании рибосомы с транскриптом мРНК.Стадия элонгации включает распознавание антикодона тРНК следующим кодоном мРНК в последовательности. Как только последовательности антикодона и кодона связаны (помните, что они являются комплементарными парами оснований), тРНК представляет свой аминокислотный груз, и растущая полипептидная цепь присоединяется к этой следующей аминокислоте. Это прикрепление происходит с помощью различных ферментов и требует энергии. Затем молекула тРНК высвобождает цепь мРНК, цепь мРНК сдвигает один кодон в рибосоме, и следующая подходящая тРНК прибывает с соответствующим ей антикодоном.Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнут последний кодон на мРНК, который выдает «стоп» сообщение, сигнализирующее о прекращении трансляции и запускающее высвобождение полного, вновь синтезированного белка. Таким образом, ген в молекуле ДНК транскрибируется в мРНК, которая затем транслируется в белковый продукт (рис. 3.4.5).

Внешний веб-сайт

Это видео покажет вам важные ферменты и биомолекулы, участвующие в процессе трансляции, который использует мРНК для кодирования белка.

Рисунок 3.4.5 — От ДНК к белку: транскрипция через трансляцию: Транскрипция в ядре клетки производит молекулу мРНК, которая модифицируется и затем отправляется в цитоплазму для трансляции. Транскрипт расшифровывается в белок с помощью рибосомы и молекул тРНК.

Обычно транскрипция мРНК транслируется одновременно несколькими соседними рибосомами. Это увеличивает эффективность синтеза белка. Одна рибосома может транслировать молекулу мРНК примерно за одну минуту; таким образом, несколько рибосом на борту одного транскрипта могут производить в несколько раз больше одного и того же белка за одну минуту.Полирибосома — это цепочка рибосом, транслирующая одну цепь мРНК.

Внешний веб-сайт

Посмотрите это видео, чтобы узнать о рибосомах. Рибосома связывается с молекулой мРНК, чтобы начать трансляцию своего кода в белок. Что происходит с малыми и большими субъединицами рибосом в конце трансляции?

Обзор главы

ДНК хранит информацию, необходимую для того, чтобы дать клетке команду выполнять все свои функции.Клетки используют генетический код, хранящийся в ДНК, для создания белков, которые в конечном итоге определяют структуру и функцию клетки. Этот генетический код заключается в определенной последовательности нуклеотидов, составляющих каждый ген в молекуле ДНК. Чтобы «прочитать» этот код, ячейка должна выполнить два последовательных шага. На первом этапе транскрипции код ДНК преобразуется в код РНК. Молекула информационной РНК, комплементарная определенному гену, синтезируется в процессе, аналогичном репликации ДНК.Молекула мРНК обеспечивает код для синтеза белка. В процессе трансляции мРНК прикрепляется к рибосоме. Затем молекулы тРНК перемещают соответствующие аминокислоты к рибосоме, одна за другой, кодируемые последовательными триплетными кодонами на мРНК, до тех пор, пока белок не будет полностью синтезирован. По завершении мРНК отделяется от рибосомы, и белок высвобождается. Как правило, несколько рибосом прикрепляются к одной молекуле мРНК одновременно, так что из мРНК можно производить несколько белков одновременно.

Контрольные вопросы

Вопросы критического мышления

Кратко объясните сходство между транскрипцией и репликацией ДНК.

И транскрипция, и репликация ДНК включают синтез нуклеиновых кислот. Эти процессы имеют много общих черт, в частности, схожие процессы инициирования, удлинения и завершения. В обоих случаях молекула ДНК должна быть раскручена и разделена, а кодирование (т.е.е., sense) прядь будет использоваться в качестве шаблона. Также полимеразы служат для добавления нуклеотидов к растущей цепи ДНК или мРНК. Оба процесса получают сигнал о завершении после завершения.

Контрастная транскрипция и перевод. Назовите хотя бы три различия между двумя процессами.

Транскрипция — это на самом деле процесс «копирования», а трансляция — это на самом деле процесс «интерпретации», потому что транскрипция включает копирование сообщения ДНК в очень похожее сообщение РНК, тогда как перевод включает преобразование сообщения РНК в совершенно другое аминокислотное сообщение.Эти два процесса также различаются по своему расположению: транскрипция происходит в ядре, а трансляция — в цитоплазме. Механизмы, с помощью которых выполняются эти два процесса, также полностью различны: транскрипция использует ферменты полимеразы для создания мРНК, тогда как трансляция использует различные виды РНК для создания белка.

.