Halaman saat ini: 7 (buku memiliki total 18 halaman) [bagian bacaan yang tersedia: 12 halaman]
4.1. Anabolisme
Himpunan reaksi sintesis biologis disebut pertukaran plastik atau anabolisme(dari bahasa Yunani anabole - bangkit). Nama pertukaran jenis ini mencerminkan esensinya: dari zat sederhana, memasuki sel dari luar, terbentuk zat yang mirip dengan zat sel, yaitu. asimilasi.
Semua proses metabolisme dalam sel dan seluruh organisme terjadi di bawah kendali alat keturunan. Bisa dibilang itu semua adalah hasil implementasi informasi genetik, tersedia di sel.
Mari kita pertimbangkan salah satu proses terpenting dalam manifestasi informasi herediter selama metabolisme plastik - biosintesis protein.
Implementasi informasi herediter – biosintesis protein
Seperti telah disebutkan, seluruh variasi sifat molekul protein pada akhirnya ditentukan oleh struktur primer, yaitu urutan asam amino.
Agar protein dapat disintesis, informasi tentang urutan asam amino dalam struktur primernya harus dikirimkan ke ribosom. Proses ini melibatkan dua langkah transkripsi Dan siaran.
Beras. 4.1. Transkripsi
Transkripsi(dari bahasa Latin transkripsi - penulisan ulang) informasi terjadi dengan mensintesis pada salah satu rantai molekul DNA molekul RNA untai tunggal, urutan nukleotida yang sama persis (pelengkap) dengan urutan nukleotida matriks - rantai polinukleotida DNA. Ada mekanisme khusus untuk “mengenali” titik awal sintesis, memilih untai DNA dari mana informasi dibaca, serta mekanisme untuk menyelesaikan proses tersebut. Beginilah cara messenger RNA terbentuk (Gbr. 4.1).
Siaran(dari terjemahan Latin - transfer). Tahap biosintesis selanjutnya adalah penerjemahan informasi yang terkandung dalam urutan nukleotida (urutan kodon) molekul mRNA menjadi urutan asam amino rantai polipeptida - translasi.
Pada prokariota (bakteri dan hijau-biru), yang tidak memiliki inti yang terbentuk, ribosom dapat berikatan dengan molekul mRNA yang baru disintesis segera setelah pemisahannya dari DNA atau bahkan sebelum sintesisnya selesai. Pada eukariota, mRNA pertama-tama harus dikirim melalui selubung inti ke dalam sitoplasma. Pemindahan dilakukan oleh protein khusus yang membentuk kompleks dengan molekul RNA. Selain mengangkut mRNA ke ribosom, protein ini melindungi mRNA dari efek merusak enzim sitoplasma. Di dalam sitoplasma, ribosom memasuki salah satu ujung mRNA (tepatnya ujung tempat sintesis molekul dalam nukleus dimulai) dan memulai sintesis polipeptida.
Ribosom bergerak sepanjang molekul mRNA tidak mulus, tetapi terputus-putus, triplet demi triplet (Gbr. 4.2). Saat ribosom bergerak sepanjang molekul mRNA, asam amino yang berhubungan dengan triplet mRNA ditambahkan satu demi satu ke rantai polipeptida. Kecocokan yang tepat antara asam amino dengan kode triplet mRNA dipastikan oleh tRNA. Setiap asam amino memiliki t-RNA sendiri, salah satu dari kembar tiganya adalah antikodon– melengkapi triplet mRNA yang ditentukan secara ketat. Dengan cara yang sama, setiap asam amino memiliki enzimnya sendiri yang mengikatnya pada t-RNA.
Beras. 4.2. Siaran
Beras. 4.3. Skema transmisi informasi herediter dari DNA ke mRNA dan protein
Prinsip umum transmisi informasi herediter tentang struktur molekul protein selama biosintesis rantai polipeptida disajikan pada Gambar 4.3.
Setelah sintesis selesai, rantai polipeptida dipisahkan dari matriks - molekul mRNA, dilipat menjadi spiral, dan kemudian diperoleh struktur tersier, karakteristik protein ini.
Molekul mRNA dapat digunakan berulang kali untuk mensintesis polipeptida, seperti halnya ribosom. Deskripsi terjemahan dan transkripsi diberikan di sini dengan cara yang sangat sederhana. Harus diingat bahwa biosintesis protein adalah proses yang sangat kompleks yang terkait dengan partisipasi banyak enzim dan pengeluaran energi dalam jumlah besar, yang secara signifikan melebihi jumlah energi ikatan peptida yang terbentuk. Kompleksitas sistem biosintesis yang luar biasa dan intensitas energinya yang tinggi memastikan akurasi dan keteraturan sintesis polipeptida yang tinggi.
Sintesis biologis molekul non-protein di dalam sel terjadi dalam tiga tahap. Pertama, informasi tentang struktur enzim protein tertentu diwujudkan, dan kemudian, dengan bantuan enzim ini, molekul karbohidrat atau lipid tertentu terbentuk. Molekul lain terbentuk dengan cara serupa: vitamin, hormon, dan lain-lain.
Poin jangkar
1. Tugas utama proses metabolisme adalah menjaga kestabilan lingkungan internal organisme (homeostasis) dalam kondisi keberadaan yang terus berubah.
2. Metabolisme terdiri dari dua proses yang saling terkait - asimilasi dan disimilasi.
3. Di dalam sel, proses metabolisme berhubungan dengan berbagai struktur membran sitoplasma.
4.2. Metabolisme energi - katabolisme1. Apa itu? sintesis biologis? Berikan contoh.
2. Definisikan asimilasi.
3. Apa kode genetiknya?
4. Merumuskan sifat-sifat dasar kode genetik.
5. Dimana ribo disintesis? asam nukleat?
6. Dimana terjadinya sintesis protein?
7. Ceritakan bagaimana sintesis protein dilakukan.
Proses yang berlawanan dengan sintesis adalah disimilasi - serangkaian reaksi pemisahan. Ketika senyawa bermolekul tinggi dipecah, energi yang dibutuhkan untuk reaksi biosintesis dilepaskan. Oleh karena itu, disebut juga disimilasi metabolisme energi sel atau katabolisme(dari katabole Yunani - kehancuran).
Beras. 4.4. Skema struktur ATP dan konversinya menjadi ADP
Energi kimia unsur hara terkandung dalam berbagai macam ikatan kovalen antar atom dalam molekul senyawa organik. Misalnya, ketika ikatan kimia seperti ikatan peptida diputus, sekitar 12 kJ per 1 mol dilepaskan. Dalam glukosa, jumlah energi potensial yang terkandung dalam ikatan antara atom C, H dan O adalah 2800 kJ per 1 mol (yaitu per 180 g glukosa). Ketika glukosa dipecah, energi dilepaskan secara bertahap dengan partisipasi sejumlah enzim menurut persamaan akhir:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6H 2 O + 6CO 2 + 2800 kJ
Sebagian energi yang dilepaskan dari nutrisi hilang dalam bentuk panas, dan sebagian lagi terakumulasi, yaitu disimpan dalam ikatan fosfat ATP yang kaya energi.
ATPlah yang menyediakan energi untuk semua jenis fungsi seluler: biosintesis, pekerjaan mekanis(pembelahan sel, kontraksi otot), transpor aktif zat melintasi membran, pemeliharaan potensi membran dalam proses menghantarkan impuls saraf, keluarnya berbagai sekret.
Molekul ATP terdiri dari basa nitrogen adenin, gula ribosa, dan tiga residu asam fosfat (Gbr. 4.4). Adenin, ribosa dan fosfat pertama membentuk adenosin monofosfat (AMP). Ketika fosfat kedua ditambahkan ke fosfat pertama, diperoleh adenosin difosfat (ADP). Molekul dengan tiga residu asam fosfat (ATP) adalah yang paling boros energi. Pembelahan fosfat terminal ATP disertai dengan pelepasan 40 kJ, bukan 12 kJ yang dilepaskan selama pemutusan fosfat biasa. ikatan kimia.
Berkat ikatan yang kaya energi dalam molekul ATP, sel dapat menyimpan sejumlah besar energi dalam ruang yang sangat kecil dan mengeluarkannya sesuai kebutuhan. Sintesis ATP terjadi terutama di mitokondria. Dari sini molekul ATP memasuki berbagai bagian sel, menyediakan energi untuk proses metabolisme.
Tahapan metabolisme energi. Metabolisme energi biasanya dibagi menjadi tiga tahap. Tahap pertama - persiapan. Pada tahap ini, molekul di- dan polisakarida, lemak, protein terurai menjadi molekul kecil - glukosa, gliserol dan asam lemak, asam amino; molekul besar asam nukleat - menjadi nukleotida. Pada tahap ini, sejumlah kecil energi dilepaskan dan dihamburkan sebagai panas.
Fase kedua - bebas oksigen. Ini juga disebut respirasi anaerobik (glikolisis ) atau fermentasi. Istilah "fermentasi" biasanya diterapkan pada proses yang terjadi di dalam sel mikroorganisme atau tumbuhan. Zat yang terbentuk pada tahap ini di sitoplasma sel dengan partisipasi enzim mengalami pemecahan lebih lanjut. Misalnya, di otot, akibat respirasi anaerobik, molekul glukosa terurai menjadi dua molekul asam piruvat (C 3 H 4 O 3), yang kemudian direduksi menjadi asam laktat (C 3 H 6 O 3). Berpartisipasi dalam reaksi pemecahan glukosa asam fosfat dan ADF. Singkatnya, tampilannya seperti ini:
C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2ADP → 2C 3 H 6 O 3 + 2ATP + 2H 2 O
Dalam jamur ragi, molekul glukosa diubah menjadi tanpa partisipasi oksigen etanol dan karbon dioksida (fermentasi alkohol):
C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2ADP → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 2ATP + 2H 2 O
Pada mikroorganisme lain, glikolisis dapat menghasilkan pembentukan aseton, asam asetat, dll.
Dalam semua kasus, pemecahan satu molekul glukosa disertai dengan pembentukan dua molekul ATP. Selama pemecahan glukosa tanpa oksigen dalam bentuk ikatan kimia dalam molekul ATP, 40% energi dipertahankan, dan sisanya dibuang sebagai panas.
Tahap ketiga dari metabolisme energi adalah tahap respirasi aerobik, atau pemisahan oksigen. Reaksi tahap metabolisme energi ini dilakukan di mitokondria. Dengan akses oksigen ke sel, zat yang terbentuk pada tahap sebelumnya dioksidasi menjadi produk akhir - H 2 O dan CO 2. Respirasi oksigen disertai dengan pelepasan sejumlah besar energi dan akumulasinya dalam molekul ATP. Persamaan keseluruhan untuk respirasi aerobik terlihat seperti ini:
2C 3 H 6 O 3 + 6O 2 + 36H 3 PO 4 + 36ADP → 6CO 2 + 42H 2 O + 36ATP
Jadi, oksidasi dua molekul asam laktat menghasilkan 36 molekul ATP. Oleh karena itu, respirasi aerobik memainkan peran utama dalam menyediakan energi bagi sel.
Menurut cara memperoleh energi, semua organisme dibagi menjadi dua kelompok - autotrofik dan heterotrofik.
4.3. Jenis metabolisme autotrofikAutotrof- ini adalah organisme yang menyediakan nutrisi (yaitu menerima energi) dari senyawa anorganik. Ini termasuk beberapa bakteri dan semua tumbuhan hijau. Tergantung pada sumber energi apa yang digunakan organisme autotrofik untuk sintesis senyawa organik, mereka dibagi menjadi dua kelompok: fototrof dan kemotrof.
Beras. 4.5. Diagram proses fotosintesis
Untuk fototrof, sumber energinya adalah cahaya, sedangkan kemotrof menggunakan energi yang dilepaskan selama reaksi redoks. Tumbuhan hijau merupakan fototrof. Dengan menggunakan klorofil yang terkandung dalam kloroplas, mereka melakukan fotosintesis - konversi energi cahaya menjadi energi ikatan kimia.
Fotosintesis. Fotosintesis adalah pembentukan molekul organik (dan anorganik) dari molekul anorganik dengan menggunakan energi sinar matahari. Proses ini terdiri dari dua fase - lampu Dan gelap(Gbr. 4.5).
Dalam fase cahaya, kuanta cahaya - foton - berinteraksi dengan molekul klorofil, akibatnya molekul-molekul ini berpindah ke keadaan "tereksitasi" yang lebih kaya energi dalam waktu yang sangat singkat. Kelebihan energi dari beberapa molekul klorofil yang tereksitasi kemudian diubah menjadi panas atau dipancarkan sebagai cahaya. Bagian lainnya ditransfer ke ion hidrogen H+, yang selalu ada di dalamnya larutan berair karena disosiasi air.
H 2 O → H + + OH −
Atom hidrogen yang dihasilkan (H 0) bergabung secara longgar dengan molekul organik - pembawa hidrogen. Ion hidroksil OH - menyerahkan elektronnya ke molekul lain dan berubah menjadi radikal bebas OH 0. Radikal OH 0 berinteraksi satu sama lain, menghasilkan pembentukan air dan molekul oksigen:
4OH → O 2 + 2H 2 O
Jadi, sumber oksigen molekuler yang terbentuk selama fotosintesis dan dilepaskan ke atmosfer adalah air, yang terpecah sebagai hasil fotolisis - penguraian air di bawah pengaruh cahaya. Selain fotolisis air, energi cahaya digunakan dalam fase cahaya untuk sintesis ATP dari ADP dan fosfat tanpa partisipasi oksigen.
Ini adalah proses yang sangat efisien: kloroplas menghasilkan ATP 30 kali lebih banyak daripada di mitokondria tanaman yang sama dengan partisipasi oksigen. Dengan cara ini, energi yang diperlukan untuk proses yang terjadi pada fase gelap fotosintesis terakumulasi.
Secara kompleks reaksi kimia fase gelap, yang tidak memerlukan cahaya, tempat kuncinya ditempati oleh pengikatan CO 2. Reaksi-reaksi ini melibatkan molekul ATP yang disintesis selama fase cahaya dan atom hidrogen yang terbentuk selama fotolisis air dan terikat dengan molekul pembawa:
6СО 2 + 24Н → С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О
Beginilah cara energi sinar matahari diubah menjadi energi ikatan kimia senyawa organik kompleks.
Seperti disebutkan di atas, produk sampingan fotosintesis pada tumbuhan hijau adalah molekul oksigen yang dilepaskan ke atmosfer. Oksigen bebas di atmosfer merupakan faktor kuat dalam transformasi zat. Kemunculannya menjadi prasyarat munculnya jenis metabolisme aerobik di planet kita dan munculnya kehidupan di darat.
Kemosintesis. Beberapa bakteri yang kekurangan klorofil juga mampu mensintesis senyawa organik, dan mereka menggunakan energi reaksi kimia zat anorganik. Konversi energi reaksi kimia menjadi energi kimia senyawa organik yang disintesis disebut kemosintesis.
Kemosintesis ditemukan oleh ahli mikrobiologi Rusia terkemuka S. N. Vinogradsky (1887).
Ke kelompok autotrof-kemosintetik (kemotrof) termasuk bakteri nitrifikasi. Ada yang menggunakan energi oksidasi amonia menjadi asam nitrat, ada pula yang menggunakan energi oksidasi asam nitrat menjadi nitrogen. Diketahui bahwa kemosintetik mengekstrak energi dari oksidasi besi besi menjadi besi besi (“bakteri besi”) atau dari oksidasi hidrogen sulfida menjadi asam sulfat (“bakteri belerang”). Dengan memfiksasi nitrogen di atmosfer dan mengubah mineral menjadi bentuk larut yang dapat diserap tanaman, bakteri kemosintetik berperan penting dalam siklus zat di alam.
Jenis metabolisme heterotrofik. Organisme yang tidak mampu mensintesis senyawa organik dari senyawa anorganik perlu dihilangkan lingkungan. Organisme yang demikian disebut heterotrof. Ini termasuk sebagian besar bakteri, jamur dan semua hewan. Hewan memakan hewan dan tumbuhan lain dan memperoleh karbohidrat, lemak, protein, dan asam nukleat siap pakai dari makanannya. Selama hidup, zat-zat ini dipecah. Dari beberapa molekul yang dilepaskan selama proses ini - glukosa, asam amino, nukleotida, dll., senyawa organik yang lebih kompleks yang merupakan karakteristik organisme tertentu disintesis - glikogen, lemak, protein, asam nukleat. Bagian lain dari molekul dipecah, dan energi yang dilepaskan dalam hal ini digunakan untuk kehidupan.
Proses biosintesis terus berlangsung di dalam sel. Dengan bantuan enzim, zat organik yang agak sederhana diubah menjadi zat bermolekul tinggi yang rumit: protein terbentuk dari asam amino, karbohidrat multimolekul – dari karbohidrat sederhana, nukleotida – dari basa nitrogen dan karbohidrat, DNA dan RNA – dari nukleotida. Semua Reaksi biosintesis dalam organisme disebut asimilasi. Proses sebaliknya, yang mencakup penghancuran senyawa organik, adalah disimilasi. Energi yang diperoleh dari reaksi disimilasi diperlukan untuk proses biosintesis.
Poin jangkar
1. Metabolisme terdiri dari dua proses yang saling berhubungan erat dan berlawanan arah: asimilasi dan disimilasi.
2. Sebagian besar proses vital yang terjadi di dalam sel memerlukan energi dalam bentuk ATP.
3. Pemecahan glukosa pada organisme aerobik, di mana tahap anoksik diikuti oleh pemecahan asam laktat dengan partisipasi oksigen, 18 kali lebih hemat energi dibandingkan glikolisis anaerobik.
4. Bentuk fotosintesis yang paling efisien adalah yang menggunakan air sebagai sumber hidrogen.
Tinjau pertanyaan dan tugas
1. Apa yang dimaksud dengan disimilasi? Jelaskan tahapan disimilasi!
2. Apa peran ATP dalam metabolisme sel?
3. Beritahu kami tentangnya metabolisme energi dalam sel menggunakan contoh pemecahan glukosa.
4. Jenis nutrisi organisme apa yang anda ketahui?
5. Organisme apa yang disebut autotrofik?
6. Mendeskripsikan fase terang dan gelap fotosintesis.
7. Mengapa tumbuhan hijau melepaskan oksigen bebas ke atmosfer melalui fotosintesis?
8. Apa itu kemosintesis?
9. Organisme apa yang disebut heterotrofik? Berikan contoh.
Menggunakan kamus judul “Terminologi” dan “Ringkasan”, terjemahkan ke dalam bahasa Inggris Item “titik jangkar”.
Terminologi
Review materi yang dipelajari pada Bab 4Masalah untuk diskusi
Organisme apa yang disebut autotrofik? Autotrof dibagi menjadi kelompok apa?
Bagaimana mekanisme terbentuknya oksigen bebas hasil fotosintesis pada tumbuhan hijau? Apa itu biologis dan signifikansi ekologis proses ini?
Di mana, sebagai akibat dari transformasi molekuler apa dan dalam jumlah berapa ATP terbentuk dalam organisme hidup?
Ketentuan dasar
Hakikat metabolisme adalah transformasi zat dan energi.
Reaksi metabolik terdiri dari proses asimilasi dan disimilasi yang saling berhubungan namun multiarah, yang konsistensinya menjamin homeostasis tubuh.
Kode genetik adalah organisasi molekul DNA dan RNA yang terbentuk secara historis, di mana informasi herediter tentang karakteristik dan sifat suatu organisme terkandung dalam urutan nukleotida.
Metabolisme energi suatu organisme atau sel mencakup tiga tahap: persiapan - pemecahan biopolimer makanan menjadi monomer, pembelahan bebas oksigen - menjadi produk antara dan pembelahan oksigen - menjadi produk akhir. Hanya dua panggung terakhir disertai dengan pembentukan ATP.
Area masalah
Bagaimana informasi herediter tentang karakteristik dan sifat virus DNA dan RNA diwujudkan?
Apa arti biologis dari redundansi kode genetik?
Bagaimana informasi herediter tentang struktur dan fungsi molekul non-protein yang disintesis dalam sel diwujudkan?
Menurut Anda, apakah mungkin untuk meningkatkan efisiensi fotosintesis?
Aspek aplikasi
Menurut Anda bagaimana kita dapat meningkatkan efisiensi fotosintesis pada tumbuhan hijau?
Contoh apa yang menjadi ciri penggunaan ciri-ciri metabolisme organisme hidup dalam pengobatan? pertanian dan industri lainnya, dapatkah Anda menyebutkannya?
Tugas
Tuliskan persamaan reaksi fase terang dan gelap fotosintesis. Beri label jalur transfer elektron dan proton.
Jelaskan berbagai reaksi pemecahan glukosa bebas oksigen pada organisme anaerobik dan aerobik.
Jelaskan proses pemisahannya molekul organik dengan partisipasi oksigen dalam sel organisme aerobik.
Bab 5. Struktur dan Fungsi Sel
Ada bagian dasar organisme yang paling beragam prinsip umum struktur dan perkembangan, dan prinsip ini adalah pembentukan sel.
T.Schwann
Transformasi biokimia terkait erat dengan struktur sel hidup yang bertanggung jawab untuk menjalankan fungsi tertentu. Struktur seperti itu disebut organel, karena, seperti organ seluruh organisme, mereka menjalankan fungsi tertentu. Metode modern Penelitian memungkinkan para ahli biologi untuk menetapkan bahwa, menurut struktur sel, semua makhluk hidup harus dibagi menjadi organisme "non-nuklir" - prokariota (secara harfiah - pra-nuklir) dan "nuklir" - eukariota. Kelompok prokariota mencakup semua bakteri dan biru-hijau (sian), dan kelompok eukariota mencakup jamur, tumbuhan, dan hewan.
Saat ini ada dua level organisasi seluler: prokariotik dan eukariotik. Organisme prokariotik mempertahankan ciri-cirinya yang sangat kuno: strukturnya sangat sederhana. Atas dasar ini, mereka dipisahkan menjadi kerajaan yang merdeka. Organisme eukariotik mengandung inti yang dibatasi oleh cangkang, serta “stasiun energi” yang kompleks - mitokondria. Dengan kata lain, semua sel eukariota “nuklir” sangat terorganisir, beradaptasi dengan konsumsi oksigen dan oleh karena itu dapat menghasilkan energi dalam jumlah besar.
5.1. Sel ProkariotikBakteri adalah sel prokariotik yang khas. Mereka hidup di mana-mana: di air, di tanah, di makanan. Mereka hidup di cekungan terdalam di lautan dan di puncak gunung tertinggi di Bumi - Everest, mereka ditemukan di es Arktik dan Antartika, di sumber air panas bawah tanah, dan di lapisan atas atmosfer. Daftar kondisi kehidupan ini sudah menunjukkan apa tingkat tinggi Organisme prokariotik memiliki kemampuan beradaptasi, meskipun strukturnya sederhana. Bakteri merupakan bentuk kehidupan primitif, dan dapat diasumsikan bahwa mereka termasuk jenis makhluk hidup yang paling banyak muncul tahap awal perkembangan kehidupan di Bumi.
Rupanya bakteri awalnya hidup di laut; Mikroorganisme modern mungkin berasal dari mereka. Manusia baru mengenal dunia mikroba, hanya setelah ia mempelajari cara membuat lensa (abad ke-17) yang memberikan perbesaran yang cukup kuat. Perkembangan teknologi pada abad-abad berikutnya memungkinkan untuk mempelajari bakteri dan organisme prokariotik lainnya secara rinci.
Mari kita membahas ciri-ciri struktural sel bakteri (Gbr. 5.1). Ukuran sel bakteri sangat bervariasi: dari 1 hingga 10–15 mikron. Menurut bentuknya, sel-sel bulat dibedakan - kokus, memanjang - batang, atau basil, dan berbelit-belit - spirila (Gbr. 5.2). Bergantung pada jenis mikroorganisme yang mereka miliki, mereka ada baik secara individu atau membentuk kelompok yang khas. Misalnya, streptokokus, yang menyebabkan penyakit inflamasi pada manusia dan hewan, membentuk rantai beberapa sel bakteri; staphylococcus, yang menyerang saluran pernapasan anak-anak, tumbuh dalam bentuk formasi menyerupai seikat buah anggur. Berdasarkan sifat akumulasi sel bakteri dan kekhasan aktivitas vitalnya, ahli mikrobiologi dapat menentukan jenis mikroorganisme yang diisolasi.
Beras. 5.1. Skema struktur sel prokariotik
Beras. 5.2. Bentuk dan pengaturan bersama bakteri: 1 – batang, 2–4 – kokus, 5 – spirila
Ciri struktural utama bakteri adalah tidak adanya inti yang dibatasi oleh cangkang. Informasi herediter mereka terkandung dalam satu kromosom. Kromosom bakteri, terdiri dari satu molekul DNA, berbentuk cincin dan terbenam dalam sitoplasma. DNA pada bakteri tidak membentuk kompleks dengan protein, dan oleh karena itu sebagian besar kecenderungan herediter - gen yang merupakan bagian dari kromosom - "bekerja", yaitu, informasi herediter terus dibaca darinya. Sel bakteri dikelilingi oleh membran (lihat Gambar 5.1), yang memisahkan sitoplasma dari dinding sel, yang dibentuk oleh zat heteropolimer kompleks. Ada sedikit membran di sitoplasma. Ini mengandung ribosom yang melakukan sintesis protein. Semua enzim yang menjamin proses vital bakteri tersebar secara difus ke seluruh sitoplasma atau menempel pada permukaan bagian dalam membran. Pada banyak mikroorganisme, zat cadangan disimpan di dalam sel - polisakarida, lemak, polifosfat. Zat-zat ini, bila dimasukkan dalam proses metabolisme, dapat memperpanjang umur sel tanpa adanya sumber energi eksternal.
Bakteri berkembang biak membagi menjadi dua. Setelah reduplikasi kromosom cincin dan pemanjangan sel, partisi transversal secara bertahap terbentuk, dan kemudian sel anak menyebar atau tetap terhubung dalam kelompok karakteristik - rantai, paket, dll. Terkadang reproduksi didahului oleh proses seksual, intinya adalah yaitu pertukaran materi genetik dan munculnya kombinasi gen baru pada kromosom bakteri.
Beras. 5.3. Spora matang dalam sel bakteri
Banyak bakteri yang memilikinya sporulasi. Perselisihan biasanya muncul ketika ada kekurangan nutrisi atau ketika produk metabolisme menumpuk di lingkungan secara berlebihan. Sporulasi dimulai dengan terlepasnya sebagian sitoplasma dari sel induk. Bagian yang terlepas berisi kromosom dan dikelilingi oleh membran (Gbr. 5.3). Spora kemudian dikelilingi oleh dinding sel, seringkali berlapis-lapis. Proses kehidupan di dalam spora praktis terhenti. Spora bakteri dalam keadaan kering sangat stabil dan dapat bertahan selama ratusan bahkan ribuan tahun, tahan terhadap fluktuasi suhu yang tajam. Contohnya adalah spora yang ditemukan di kuburan kuno (mumi orang Mesir kuno, cadangan makanan di berbagai gua), selama pengeboran es yang steril di sekitar Kutub Selatan. Ketika terkena kondisi yang menguntungkan, spora berubah menjadi sel bakteri aktif. Ilmuwan mikrobiologi menumbuhkan koloni mikroorganisme dari spora yang ditemukan dalam sampel es yang berumur 10–12 ribu tahun.
Spora bakteri patogen yang terbengkalai selama bertahun-tahun di dalam tanah, masuk ke dalam air (selama berbagai jenis kegiatan irigasi), dapat menyebabkan berjangkitnya penyakit menular. Jadi, misalnya, tongkat antraks tetap hidup, tetap dalam bentuk spora selama lebih dari 30 tahun.
Dengan demikian, sporulasi pada prokariota merupakan tahap siklus hidup yang menjamin kelangsungan hidup dalam kondisi lingkungan yang tidak menguntungkan. Selain itu, dalam keadaan spora, mikroorganisme dapat menyebar melalui angin dan cara lain.
Baru-baru ini ada dua tingkat organisasi sel yang dibedakan: prokariotik dan eukariotik. Pada organisme prokariotik, banyak ciri kuno yang masih ada, termasuk kesederhanaan strukturnya. Dengan demikian, mereka tidak memiliki inti yang dipisahkan dari protoplasma oleh membran, tidak memiliki kemampuan khusus untuk mereproduksi organel, dan tidak memiliki formasi seperti kerangka di sitoplasma. Karena ciri-ciri ini, mereka dikeluarkan ke dalam Kerajaan mikroorganisme prokariotik yang terpisah. Eubacteriums dan cyanobacteriums dianggap sebagai perwakilan paling penting dari Kerajaan ini, dan archaeobacteriums tetap menjadi yang paling mirip dengan nenek moyang kuno.
Poin jangkar
1. Pada prokariota, materi genetik sel diwakili oleh satu molekul DNA sirkular.
2. Semua bakteri, biru-hijau, dan mikoplasma bersifat haploid, artinya mengandung satu salinan gen.
3. Dalam sel organisme prokariotik praktis tidak ada membran internal, sehingga sebagian besar enzim didistribusikan secara difus ke seluruh sitoplasma.
Tinjau pertanyaan dan tugas
1. Apa yang dimaksud dengan organel sel?
2. Apa dasar pembagian semua makhluk hidup menjadi dua kelompok - prokariota dan eukariota?
3. Organisme apakah yang termasuk prokariota?
4. Mendeskripsikan struktur sel bakteri.
5. Bagaimana cara bakteri berkembang biak?
6. Apa inti dari proses sporulasi pada bakteri?
Dengan menggunakan kosakata judul “Terminologi” dan “Ringkasan”, terjemahkan paragraf “Anchor Points” ke dalam bahasa Inggris.
Terminologi
Untuk setiap istilah yang ditunjukkan di kolom kiri, pilih definisi terkait yang diberikan di kolom kanan dalam bahasa Rusia dan Inggris.
Pilih definisi yang benar untuk setiap istilah di kolom kiri dari varian bahasa Inggris dan Rusia yang tercantum di kolom kanan.
Masalah untuk diskusi
Apa pentingnya prokariota dalam biocenosis? Apa peran ekologisnya?
Bagaimana pengaruh mikroorganisme patogen terhadap keadaan makroorganisme (inang)?
Reaksi sintesis zat organik terjadi di dalam sel bersamaan dengan proses pembelahan. Biopolimer spesifik yang kompleks (protein, lemak, karbohidrat, asam nukleat) disintesis dari zat sederhana yang terbentuk sebagai hasil proses disimilasi.
Zat organik yang disintesis digunakan untuk membangun berbagai organel sel, enzim, sekresi dan zat cadangan untuk menggantikan zat yang sudah habis. Semua proses ini terjadi dengan penyerapan energi. Sintesis zat yang terjadi di dalam sel disebut biosintesis atau pertukaran plastik.
Pada tahap ini, total 2600 kJ energi dilepaskan di sejumlah jalur perantara.
Pembentukan 36 ikatan energi tinggi selama konversi ADP menjadi ATP membutuhkan 1440 kJ, atau 54% dari energi yang dilepaskan, yang diubah menjadi energi potensial ATP. Akibatnya, selama pembelahan oksigen, energi yang dihasilkan 13 kali lebih banyak dibandingkan dengan pembelahan bebas oksigen, dan sel menyimpannya 18 kali lebih banyak dalam bentuk ATP.
Persamaan keseluruhan pemecahan glukosa lengkap dalam dua tahap dapat ditulis sebagai berikut:
Menurut metode memperoleh senyawa organik, semua sel dibagi menjadi autotrofik dan heterotrofik (lihat bagian “Botani”).
ATP yang terbentuk dalam hal ini dikirim melalui saluran retikulum endoplasma ke bagian lain sel yang memerlukannya. Jadi, dari energi yang dihasilkan selama pemecahan glukosa, total 80 kJ + 1440 kJ = 1520 kJ dihemat untuk sel, atau 55% energi, yang diubah menjadi energi potensial dan selanjutnya digunakan oleh sel. Oleh karena itu, reaksi pemisahan disebut pertukaran energi.
Fotosintesis(tabel warna I) merupakan proses unik pembentukan senyawa organik dari zat anorganik dengan menggunakan energi cahaya. Untuk pertama kalinya, proses fotosintesis dan peran klorofil tumbuhan di dalamnya dijelaskan oleh ilmuwan Rusia terkemuka Kliment Arkadyevich Timiryazev (1843-1920). Fotosintesis adalah proses multi-tahap kompleks yang terjadi dalam dua fase - terang dan gelap.
Fase cahaya dimulai dengan penerangan kloroplas dengan cahaya tampak. Di bawah pengaruh kuanta cahaya, beberapa elektron bergerak molekul klorofil berpindah ke tingkat yang lebih tinggi tingkat energi dan memperoleh energi potensial. Beberapa elektron yang “tereksitasi” ini kembali ke tempat asalnya, dan energi yang dilepaskan hilang dalam bentuk panas. Bagian lain dari mereka, dengan partisipasi pembawa, bertindak sebagai zat pereduksi dan menempel pada ion hidrogen yang terus-menerus terbentuk di dalam sel selama disosiasi molekul air (H 2 O =H + +OH -). Ion hidrogen, setelah menambahkan elektron, berubah menjadi atom hidrogen (H + +e - = H) dan bergabung dengan molekul zat pembawa.
Ion OH -, yang dibiarkan tanpa ion hidrogen, menyerahkan elektronnya ke ion lain dan berubah menjadi radikal OH (OH = e - + OH). Berinteraksi satu sama lain, mereka membentuk air dan molekul oksigen (40H = 2H 2 O+O 2).
Proses pembentukan molekul oksigen selama penguraian air di bawah pengaruh energi cahaya disebut fotolisis air. Ini pertama kali dipelajari dan dijelaskan oleh ilmuwan Soviet Alexander Pavlovich Vinogradov (1895 -1975), menggunakan metode atom berlabel. Mekanisme fotolisis air mirip dengan elektrolisis air.
Selain itu, di fase cahaya beberapa elektron klorofil yang “tereksitasi” dan elektron yang dipisahkan dari ion OH - terlibat dalam pembentukan ikatan fosfat berenergi tinggi selama sintesis ATP dari ADP dan fosfat anorganik (P) (ADP + P = ATP).
Jadi, selama fase cahaya fotosintesis, sebagai akibat dari penyerapan energi cahaya oleh klorofil karena elektron “tereksitasi”, fotolisis air terjadi dengan pelepasan oksigen dan sintesis ATP.
Fase gelap fotosintesis terdiri dari serangkaian reaksi enzimatik berurutan untuk pengikatan CO 2, yang menghasilkan pembentukan glukosa, yang berfungsi sebagai bahan awal untuk biosintesis zat organik tanaman lainnya. Proses ini terjadi karena energi ATP dengan partisipasi atom hidrogen yang terbentuk dalam fase cahaya (6СO 2 +24Н=С 6 Н 12 O 6 +6Н 2 O).
Persamaan keseluruhan untuk fotosintesis adalah:
6CO 2 + 6H 2 O = C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Struktur membran kloroplas membedakan zat reaktif.
Produktivitas fotosintesis- 1 g bahan organik per 1 m2 daun dalam 1 jam Setiap tahun, hasil fotosintesis menghasilkan sekitar 400 miliar ton bahan organik. Kebutuhan oksigen tahunan satu orang disediakan oleh berfungsinya 10-12 pohon paruh baya selama musim tanam. Telah diketahui bahwa produktivitas fotosintesis meningkat seiring dengan peningkatan, hingga tingkat tertentu, intensitas cahaya, kandungan CO 2, suhu dan kelembaban udara sekitar. Pola-pola ini banyak digunakan ketika menanam tanaman di tanah terlindung.
Kemosintesis ditemukan pada tahun 1888 oleh ahli biologi Rusia S.N. Vinogradsky, yang membuktikan kemampuan beberapa bakteri untuk mengasimilasi karbon dioksida menggunakan energi kimia. Ada beberapa kelompok bakteri kemosintetik, diantaranya nilai tertinggi memiliki bakteri nitrofik, bakteri belerang dan bakteri besi. Misalnya, bakteri nitrifikasi memperoleh energi untuk sintesis zat organik dengan mengoksidasi amonia menjadi nitrogen dan kemudian menjadi nitrogen asam sendawa; bakteri belerang - mengoksidasi hidrogen sulfida menjadi sulfat, dan bakteri besi - mengubah garam oksida besi menjadi garam oksida. Energi yang dilepaskan terakumulasi dalam sel bakteri kemosintetik dalam bentuk ATP. Proses kemosintesis, di mana bahan organik terbentuk dari CO2, berlangsung mirip dengan fase gelap fotosintesis.
Berkat aktivitas bakteri kemosintetik, deposit besar sendawa dan bijih rawa terakumulasi di alam.
Biosintesis protein terjadi di setiap sel hidup. Ini paling aktif dalam sel muda yang sedang tumbuh, di mana protein yang digunakan untuk membangun organelnya disintesis, serta di sel sekretori, di mana protein enzim dan protein hormon disintesis.
Peran utama dalam menentukan struktur protein adalah milik DNA. Sepotong DNA yang terdiri dari beberapa ratus nukleotida yang mengandung informasi tentang struktur satu protein disebut gen. Satu makromolekul DNA mengandung beberapa ratus gen. Molekul tersebut mengandung kode tentang urutan asam amino dalam suatu protein dalam bentuk nukleotida yang digabungkan secara khusus. Inti dari kode DNA adalah bahwa setiap asam amino berhubungan dengan bagian rantai DNA dari tiga nukleotida yang berdekatan - kembar tiga. Misalnya, A - - C - A berhubungan dengan asam amino sistein, A - A - C - leusin, T - T - T - lisin, dll. Ada 20 asam amino berbeda, jumlah kemungkinan kombinasi 4 nukleotida adalah 3 adalah 64. Oleh karena itu, kembar tiga lebih dari cukup untuk semua asam amino.
Biosintesis protein adalah proses multi-tahap yang kompleks, mewakili rantai reaksi sintetik yang berlangsung sesuai dengan prinsip sintesis matriks.
Intinya reaksi sintesis matriks adalah bahwa molekul protein baru disintesis sesuai dengan rencana yang ditetapkan dalam struktur molekul DNA yang ada. Reaksi-reaksi ini memastikan urutan monomer spesifik yang tepat dalam polimer yang disintesis.
Dalam biosintesis protein, tahapan berikut ditentukan, terjadi di berbagai bagian sel.
Sintesis mRNA (terjadi di dalam nukleus). Informasi yang terkandung dalam gen DNA ditranskripsi menjadi mRNA. Proses ini disebut transkripsi (dari bahasa Latin “transcriptis” - penulisan ulang).
Dalam hal ini, terhadap setiap nukleotida dari salah satu rantai DNA terdapat nukleotida komplementer i-RNA. Molekul mRNA bersifat individual, masing-masing membawa informasi dari satu gen.
Koneksi asam amino dengan molekul tRNA(terjadi di sitoplasma). Molekul tRNA terdiri dari 70-80 nukleotida. Rantai tRNA mengandung sejumlah unit nukleotida yang saling melengkapi satu sama lain. Ketika disatukan, mereka saling menempel membentuk struktur seperti daun semanggi (61). Asam amino tertentu melekat pada “tangkai daun” daun, dan di “puncak” daun terletak kode rangkap tiga nukleotida yang sesuai dengan asam amino tertentu. Masing-masing dari 20 asam amino memiliki tRNA sendiri.
"Perakitan Protein"(terjadi di ribosom). mRNA dikirim ke ribosom dari nukleus. Dalam hal ini, beberapa ribosom secara bersamaan terletak pada satu molekul mRNA, membentuk kompleks yang disebut poliribosom. Hal ini memastikan sintesis simultan sejumlah besar molekul protein identik.
Dari sitoplasma, t-RNA dengan asam amino yang “digantung” mendekati ribosom dan dengan ujung kodenya menyentuh triplet nukleotida i-RNA yang melewatinya. saat ini melalui ribosom. Pada saat ini, ujung berlawanan dari t-RNA dengan asam amino memasuki tempat “perakitan” protein dan, jika triplet kode t-RNA ternyata saling melengkapi dengan triplet i-RNA yang saat ini terletak di ribosom, asam amino dipisahkan dari t-RNA dan menjadi bagian dari protein , dan ribosom mengambil "langkah" satu triplet di sepanjang mRNA (kembar tiga mRNA sesuai dengan masing-masing dari 20 asam amino, lihat Lampiran).
Setelah menyumbangkan asam amino, tRNA meninggalkan ribosom dan digantikan oleh yang lain, dengan asam amino yang berbeda, yang merupakan penghubung berikutnya dalam molekul protein yang sedang dibangun (62). Beginilah cara rantai polipeptida suatu protein dirangkai tautan demi tautan, dan informasi tentang struktur protein, yang dicatat dalam mRNA sebagai rangkaian nukleotida, direproduksi pada rantai polipeptida protein dalam bentuk rangkaian amino. asam. Proses ini disebut penerjemahan (dari bahasa Latin “siaran” - transfer) (lihat lampiran, tugas 2 dan tabel). Ketika sintesis molekul protein selesai, ribosom meninggalkan mRNA. Protein yang dihasilkan memasuki retikulum endoplasma dan melalui salurannya ke bagian lain sel, dan ribosom memasuki mRNA lain dan berpartisipasi dalam sintesis protein lain. Semua reaksi sintesis protein dikatalisis oleh enzim khusus, dan energi disuplai oleh ATP.
Antibiotik merupakan produk limbah khusus mikroorganisme beserta modifikasinya yang mempunyai aktivitas fisiologis tinggi terhadap kelompok mikroorganisme tertentu (virus, bakteri, jamur, alga) atau tumor ganas. Gagasan tradisional tentang antibiotik dikaitkan dengan penggunaannya yang luas dalam pengobatan modern dan kedokteran hewan. Beberapa obat antibiotik digunakan sebagai stimulan pertumbuhan hewan, melawan penyakit tanaman, dalam pengawetan makanan dan dalam penelitian ilmiah (di bidang biokimia, biologi molekuler, genetika, onkologi). Sesuai dengan klasifikasinya berdasarkan struktur kimianya, antibiotik dapat dibagi menjadi beberapa kelompok berikut:
1. Senyawa asiklik (tidak termasuk asam lemak dan terpen)
2. Senyawa alisiklik (termasuk tetrasiklin)
3. Senyawa aromatik
5. Heterosiklik yang mengandung oksigen
7. Peptida
Saat ini, ada tiga metode untuk memperoleh antibiotik: biologis, metode memperoleh obat semisintetik, dan sintesis senyawa kimia- analog dari antibiotik alami.
Antibiotik sintetis
Studi tentang struktur kimia antibiotik memungkinkan untuk memperolehnya melalui sintesis kimia. Salah satu antibiotik pertama yang diperoleh dengan metode ini adalah kloramfenikol. Kemajuan besar dalam pengembangan dan kimia telah mengarah pada penciptaan antibiotik dengan perubahan sifat yang ditargetkan, tindakan jangka panjang, dan aktif melawan stafilokokus yang resisten terhadap penisilin. Obat kerja panjang antara lain ecmonovocillin, bicillin 1,3,5.
Antibiotik semi sintetik
Mereka dibuat menggunakan metode gabungan: dengan sintesis biologis, inti utama molekul antibiotik asli diperoleh, dan dengan sintesis kimia, dengan mengubah sebagian struktur kimia, obat semi-sintetik diperoleh. Sebuah pencapaian besar adalah pengembangan metode produksi penisilin semisintetik. Inti molekul penisilin, asam 6-aminopenisilanat (6-APA), yang memiliki aktivitas antimikroba lemah, diekstraksi melalui sintesis biologis. Dengan menambahkan gugus benzil ke molekul 6-APA, benzilpenisilin tercipta, yang sekarang juga diperoleh melalui sintesis biologis.
Banyak digunakan dalam pengobatan dengan nama penisilin, benzilpeisilin memiliki aktivitas kemoterapi yang kuat, namun hanya aktif melawan mikroba gram positif dan tidak mempengaruhi mikroorganisme resisten, terutama stafilokokus, yang membentuk enzim β-laktamase. Benzilpenisilin dengan cepat kehilangan aktivitasnya dalam lingkungan asam dan basa, sehingga tidak dapat digunakan secara oral, karena akan rusak di saluran pencernaan. Obat semi-sintetik juga dibuat berdasarkan asam 7-aminocephalosporic (7-ASA). Turunan 7-ACC: sefalotin, sefaloridin (ceporia) tidak menyebabkan reaksi alergi pada orang yang sensitif terhadap penisilin. Antibiotik semisintetik lainnya juga telah diperoleh, misalnya rifampisin, obat anti tuberkulosis yang efektif.
Sintesis biologis
Sepenuhnya struktur kimia Sepertiga dari antibiotik yang diketahui telah diidentifikasi dan hanya setengahnya dapat diperoleh melalui sintesis kimia. Oleh karena itu, sintesis mikrobiologi untuk produksi agen antibiotik sangatlah relevan. Sintesis antibiotik oleh mikroorganisme merupakan salah satu bentuk antagonisme; dikaitkan dengan sifat metabolisme tertentu, yang muncul dan diperbaiki selama evolusinya, yaitu sifat turun-temurun yang diekspresikan dalam pembentukan satu atau lebih zat antibiotik spesifik yang sangat spesifik untuk setiap jenis.
Produksi industri antibiotik biasanya dilakukan melalui biosintesis dan meliputi tahapan sebagai berikut:
· pemilihan strain produsen berkinerja tinggi (hingga 45 ribu unit/ml)
· pilihan media nutrisi;
· proses biosintesis;
· isolasi antibiotik dari cairan kultur;
· pemurnian antibiotik.
Pemilihan strain produsen berkinerja tinggi. Strain alami sebagian besar tidak aktif dan tidak dapat digunakan untuk keperluan industri. Oleh karena itu, setelah pemilihan strain alami yang paling aktif, berbagai mutagen digunakan untuk meningkatkan produktivitasnya, menyebabkan perubahan herediter yang persisten. Mutagen yang efektif adalah mutagen sifat fisik- radiasi ultraviolet dan sinar-X, neutron cepat atau bahan kimia. Penggunaan mutagen memungkinkan tidak hanya untuk meningkatkan produktivitas suatu strain alami, tetapi juga memperoleh strain dengan sifat-sifat baru yang tidak diketahui oleh mikroorganisme alami.
Pemilihan komposisi media nutrisi yang rasional sangat penting untuk biosintesis antibiotik. Konsep “media kultur” tidak hanya mencakup komposisi kualitatif dan kuantitatif tertentu dari komponen atau elemen individu yang diperlukan untuk metabolisme tubuh yang konstruktif dan energik (sumber nitrogen, karbon, fosfor, sumber sejumlah unsur mikro, vitamin dan pertumbuhan). zat), tetapi juga faktor fisikokimia dan fisik (keasaman aktif, potensial redoks, suhu, aerasi, dll). Semua faktor ini saling berhubungan dan berperan penting dalam perkembangan mikroorganisme.
Saat memilih media dengan komposisi yang diperlukan, seseorang harus mempertimbangkan kekhasan organisme yang dibudidayakan. Hal ini diperlukan untuk menciptakan kondisi optimal yang akan mendorong pertumbuhan mikroba terbaik dan biosintesis produk limbah yang diperlukan. Misalnya, jika tubuh tidak dapat mensintesis beberapa senyawa penting untuk fungsi vitalnya (seperti asam amino atau vitamin) dari zat sederhana dalam substrat, maka untuk pengembangannya, asam amino atau vitamin siap pakai harus ditambahkan ke dalam komposisi. Organisme yang “menuntut” tersebut mencakup beberapa jenis bakteri (bakteri asam laktat, dll.). Actinomycetes dan sebagian besar kapang, pada umumnya, membangun zat-zat tubuh mereka dan produk akhir metabolisme, yang komposisinya cukup kompleks, dari senyawa yang terbentuk dari komponen sederhana substrat.
Metode budidaya produsen antibiotik
Dalam kondisi modern, metode budidaya mendalam diakui sebagai metode yang paling menjanjikan untuk menumbuhkan mikroorganisme yang menghasilkan antibiotik atau senyawa aktif biologis lainnya. Metodenya terdiri dari fakta bahwa mikroorganisme berkembang dalam ketebalan media nutrisi cair, yang melaluinya udara steril terus menerus dilewatkan, dan media tersebut dicampur.
Empat modifikasi utama dari metode mendalam pertumbuhan mikroorganisme dapat ditunjukkan.
1. Budidaya massal. Dengan metode ini, seluruh proses perkembangan mikroorganisme diselesaikan seluruhnya dalam satu fermentor, setelah itu fermentor dibebaskan dari cairan kultur, dicuci bersih, disterilkan dan diisi ulang dengan media nutrisi segar. Media diinokulasi dengan mikroorganisme yang sedang dipelajari, dan prosesnya dilanjutkan.2. Metode penyapihan. Budidaya mikroorganisme dilakukan dalam fermentor dengan pengambilan sampel berkala sebagian volume cairan kultur (dari 30 hingga 60% dari total volume). Volume cairan kultur dalam fermentor dibawa ke tingkat semula dengan media nutrisi segar.
3. Metode baterai. Perkembangan mikroorganisme terjadi dalam serangkaian fermentor yang terhubung secara berurutan. Pada tahap perkembangan mikroorganisme tertentu, cairan kultur dipompa dari fermentor pertama ke fermentor kedua, kemudian dari fermentor kedua ke ketiga, dan seterusnya. Fermentor yang kosong segera diisi dengan media nutrisi segar yang diinokulasi dengan mikroorganisme. Dengan metode ini, pertumbuhan mikroorganisme menjadi lebih banyak penggunaan rasional kontainer.
4. Budidaya terus menerus. Metode ini pada dasarnya berbeda dari modifikasi budidaya mendalam produsen antibiotik. Metode ini didasarkan pada kenyataan bahwa perkembangan suatu mikroorganisme terjadi dalam kondisi aliran media nutrisi yang terus menerus, yang memungkinkan perkembangan mikroorganisme dipertahankan pada tahap pertumbuhan tertentu. Tahap perkembangan suatu mikroorganisme ditentukan berdasarkan tahap yang paling menguntungkan untuk biosintesis maksimum suatu antibiotik atau senyawa aktif biologis lainnya.
Metode lain untuk membudidayakan mikroorganisme adalah budidaya permukaan. Metode budidaya permukaan pada berbagai media agar banyak digunakan dalam praktik laboratorium dan beberapa proses industri, khususnya untuk pelestarian kultur koleksi, untuk mempelajari sifat fisiologis dan biokimia mikroorganisme, dan untuk tujuan analitis. Pada skala industri, metode ini telah diterapkan dalam memperoleh bahan spora untuk produksi asam organik menggunakan cetakan genus Aspergillus.
Pada metode permukaan, kultur mikroorganisme penghasil ditumbuhkan pada permukaan lapisan tipis media cair atau padat. Media nutrisi cair digunakan terutama dalam produksi asam organik (sitrat, itakonat), media padat - dalam produksi kompleks berdasarkan pati dan bahan baku yang mengandung selulosa.
Metode isolasi antibiotik dari cairan kultur sangat beragam dan ditentukan oleh sifat kimia antibiotik tersebut. Metode berikut ini terutama digunakan:
1. Menaburkan suspensi tanah dalam air pada permukaan cawan agar. Suatu sampel tanah tertentu, digiling seluruhnya dalam mortar dengan sedikit air, dipindahkan secara kuantitatif ke dalam labu berisi air steril. Isi labu dikocok selama 5 menit, dan kemudian serangkaian pengenceran dibuat dari suspensi berair, yang ditaburkan pada media yang sesuai. Untuk mendapatkan kultur murni di masa depan, masing-masing koloni, setelah diinkubasi dalam termostat pada suhu yang diinginkan, disubkultur ke dalam tabung reaksi dengan posisi miring. agar nutrisi. Setiap kultur murni suatu mikroorganisme disubkultur ke dalam media dengan komposisi berbeda dan, setelah perkembangan yang cukup baik, sifat antibiotiknya diperiksa.
2. Menabur tanah pada agar hara, yang sebelumnya diunggulkan dengan organisme uji. Permukaan agar-agar nutrisi diunggulkan dengan kultur uji organisme yang diperlukan, setelah itu gumpalan tanah kecil, tidak lebih besar dari butiran millet, diletakkan di atas piring agar-agar, atau tanah diaplikasikan dalam bentuk debu, mendistribusikan itu ke seluruh permukaan piring. Kemudian cangkir ditempatkan dalam termostat dan setelah jangka waktu tertentu (24-48 jam, dan kadang-kadang lebih) potongan tanah atau bagian-bagiannya diperiksa, di sekitar zona pertumbuhan organisme uji yang terhambat telah terbentuk. Kultur murni organisme diisolasi dari area ini dan dipelajari lebih lanjut.
3. Metode pengayaan tanah. Tanah tempat antagonis seharusnya diisolasi diperkaya dengan organisme dari spesies yang ingin mereka dapatkan antagonisnya. Untuk tujuan ini, suspensi mikroorganisme yang diinginkan yang telah dicuci ditambahkan secara sistematis ke sampel tanah yang ditempatkan dalam bejana kaca. Kemudian, pada selang waktu tertentu, tanah tersebut disemai dalam bentuk gumpalan terpisah pada cawan agar dalam cawan Petri, yang sebelumnya diinokulasi dengan organisme yang sama yang digunakan untuk menyuburkan tanah.
4. Metode sentrifugasi suspensi tanah. Untuk mengisolasi actinomycetes dari tanah dan terutama dari tanah di musim semi, ketika mereka berkembang jumlah yang besar jamur dan bakteri, metode sentrifugasi suspensi tanah digunakan. Metode ini didasarkan pada perbedaan laju pengendapan masing-masing jenis mikroorganisme dalam bidang sentrifugal. Pada kecepatan 3000 rpm selama 20 menit, partikel yang ukurannya sesuai dengan spora jamur atau sel bakteri mengendap di dasar tabung reaksi. Partikel yang ukurannya sesuai dengan spora aktinomiset muncul pada kecepatan sentrifugasi tertentu di lapisan permukaan cairan. Dengan menaburkan cairan supernatan, dalam banyak kasus (hingga 92%) hanya koloni actinomycetes yang dapat diperoleh pada pelat agar nutrisi.
5. Pembekuan tanah - metode pencairan. Diketahui bahwa mikroorganisme di dalam tanah berada dalam keadaan teradsorpsi pada partikel tanah. Untuk menyelesaikan desorpsi mikroorganisme dari partikel tanah, berbagai metode digunakan: kimia, di mana sampel tanah diolah dengan berbagai deterjen, fisik, yang didasarkan pada metode penggilingan mekanis sampel tanah.
Untuk desorpsi mikroorganisme yang lebih baik dari partikel tanah, disarankan untuk menggunakan metode pembekuan-pencairan tanah. Inti dari metode ini adalah sebagai berikut. Sampel tanah yang dipilih untuk isolasi actinomycetes ditempatkan di evaporator lemari es rumah tangga pada suhu 8°. Setelah satu jam, sampel dikeluarkan dari lemari es dan disimpan suhu kamar sampai benar-benar mencair. Prosedur pembekuan-pencairan diulangi dua kali. Kemudian sampel tanah dimasukkan ke dalam air keran steril, suspensi dikocok selama 15 menit pada pengocok melingkar dengan kecepatan 230 rpm, setelah itu berbagai pengenceran suspensi ditaburkan pada cawan nutrien dalam cawan Petri.
Metode pembekuan dan pencairan sampel tanah memungkinkan untuk mendeteksi 1,2-3,6 kali lebih banyak actinomycetes di dalamnya dibandingkan sampel yang sama tanpa pembekuan. Hal ini rupanya disebabkan oleh meningkatnya desorpsi actinomycetes dari permukaan partikel tanah. Antibiotik dimurnikan dengan metode kromatografi (kromatografi pada aluminium oksida, selulosa, penukar ion) atau ekstraksi berlawanan arah. Antibiotik yang dimurnikan dikeringkan dengan cara dibekukan. Setelah antibiotik diisolasi, kemurniannya diuji. Untuk melakukan ini, tentukan komposisi unsurnya, konstanta fisikokimia (titik leleh, berat molekul, adsorpsi di daerah spektrum tampak, UV dan IR, rotasi spesifik). Aktivitas antibakteri, sterilitas dan toksisitas antibiotik juga dipelajari.
Toksisitas antibiotik ditentukan pada hewan percobaan, yang diberikan secara intravena, intraperitoneal, intramuskular, atau sebaliknya dalam jangka waktu tertentu dengan berbagai dosis antibiotik yang diteliti. Jika tidak ada perubahan eksternal pada perilaku hewan dalam waktu 12-15 hari, antibiotik yang diuji dianggap tidak memiliki sifat toksik yang nyata. Studi yang lebih mendalam akan menentukan apakah suatu antibiotik tertentu memiliki toksisitas tersembunyi dan apakah antibiotik tersebut mempengaruhi jaringan dan organ individu hewan. Pada saat yang sama, sifat tindakan biologis antibiotik - bakteriostatik atau bakterisida dipelajari, yang memungkinkan untuk memprediksi mekanisme sifat antibakterinya.
Tahap selanjutnya dalam mempelajari antibiotik adalah menilai sifat terapeutiknya. Hewan percobaan terinfeksi suatu jenis mikroba patogen tertentu. Jumlah minimum antibiotik yang melindungi hewan dari infeksi dengan dosis mematikan adalah dosis terapeutik minimum. Semakin besar rasio dosis toksik antibiotik terhadap dosis terapeutik, semakin tinggi indeks terapeutiknya. Jika dosis terapeutik sama dengan atau mendekati dosis toksik (indeks terapeutik rendah), maka kemungkinan penggunaan antibiotik dalam praktik medis terbatas atau sama sekali tidak mungkin. Ketika antibiotik memasuki praktik medis yang luas, metode industri untuk produksinya dikembangkan dan struktur kimianya dipelajari secara rinci.
Standarisasi antibiotik
Satu satuan aktivitas antibiotik adalah jumlah minimum antibiotik yang mampu menekan perkembangan atau menghambat pertumbuhan strain mikroba uji standar dalam media nutrisi dengan volume tertentu. Besarnya aktivitas biologis antibiotik biasanya dinyatakan dalam satuan dosis standar (ED) yang terkandung dalam 1 ml larutan (U/ml) atau 1 mg obat (U/mg). Misalnya, satuan aktivitas antibiotik penisilin dianggap jumlah minimal obat yang mampu menghambat pertumbuhan Staphylococcus aureus strain standar 209 dalam 50 ml kaldu nutrisi. Untuk streptomisin, satu unit aktivitas dianggap sebagai jumlah minimum antibiotik yang menghambat pertumbuhan E. coli dalam 1 ml kaldu nutrisi.
Setelah banyak antibiotik diperoleh dalam bentuk murni, beberapa di antaranya mulai menyatakan aktivitas biologis dalam satuan massa. Misalnya, ditemukan bahwa 1 mg basa streptomisin murni setara dengan 1000 unit. Oleh karena itu, 1 unit aktivitas streptomisin setara dengan 1 g basa murni antibiotik ini. Oleh karena itu, dalam banyak kasus, jumlah streptomisin sekarang dinyatakan dalam μg/mg atau μg/ml. Semakin dekat jumlah mcg/mg dalam sediaan streptomisin dengan 1000, maka semakin murni obat tersebut. Jelas bahwa satuan aktivitas biologis suatu antibiotik tidak selalu sama dengan 1 mcg. Misalnya, untuk benzilpenisilin, 1 unit setara dengan sekitar 0,6 mcg, karena 1 mg antibiotik mengandung 1667 unit.
Metode analisis antibiotik
Tidak seperti beberapa senyawa alami lainnya (alkaloid, glikosida), tidak ada reaksi kelompok umum terhadap antibiotik. Reaksi tersebut hanya dapat digunakan untuk antibiotik dari satu golongan kimia, misalnya untuk tetrasiklin atau nitrofenilalkilamin (kloramfenikol). Untuk mengidentifikasi antibiotik, berbagai reaksi warna dapat digunakan kelompok fungsional; karakteristik spektral pada daerah spektrum tampak, UV dan IR; metode kromatografi. Untuk penentuan kuantitatif antibiotik, metode biologis, kimia, dan fisikokimia digunakan.
Metode biologis didasarkan pada efek biologis langsung dari antibiotik pada organisme uji yang digunakan, yang sensitif terhadap antibiotik tersebut. Metode difusi yang digunakan didasarkan pada kemampuan molekul antibiotik untuk berdifusi dalam media agar. Ukuran zona di mana organisme uji yang digunakan tidak berkembang diperkirakan. Ukuran ini bergantung pada sifat kimia antibiotik, konsentrasinya, pH dan komposisi medium, serta suhu percobaan.
Jenis pengujian biologis lainnya didasarkan pada turbidimetri - metode analisis kuantitatif berdasarkan intensitas cahaya yang diserap oleh partikel tersuspensi - sel mikroba. Ketika sejumlah antibiotik ditambahkan, pertumbuhan sel mikroba terhambat (efek bakteriostatik), dan kemudian kematiannya (efek bakterisida). Dalam hal ini intensitas cahaya yang diserap berubah (berkurang). Sebagai alternatif turbidimetri, metode nefelometrik analisis kuantitatif intensitas cahaya yang dihamburkan oleh mikroorganisme dapat digunakan.
Untuk penentuan kuantitatif antibiotik, berbagai metode spektral digunakan - terutama metode fotokolorimetri dan spektrofotometri. Misalnya, untuk menentukan konsentrasi larutan eritromisin dapat digunakan metode fotokolorimetri, berdasarkan perubahan penyerapan larutan antibiotik setelah berinteraksi dengan asam sulfat. Antibiotik seri tetrasiklin dapat ditentukan secara spektrofotometri dengan pita serapan yang hilang setelah hidrolisis basa zat aktif. Sebuah metode telah dikembangkan yang menggabungkan pendekatan fisikokimia dan biologi untuk menilai aktivitas obat. Metode ini didasarkan pada difraksi laser dalam media yang mengandung sel mikroba ketika terkena zat kimia, khususnya antibiotik
Pelestarian strain penghasil antibiotik dalam keadaan aktif
Metode untuk menjaga kelangsungan hidup organisme yang memungkinkan aktivitas antibiotiknya dipertahankan pada tingkat yang konstan penting untuk produksi industri antibiotik, serta untuk penelitian laboratorium terhadap produsen zat antibiotik. Diketahui bahwa mikroorganisme, dan khususnya actinomycetes, mudah dimodifikasi dengan metode penyimpanan konvensional. Selain itu, sering kali terjadi hilangnya sebagian atau seluruh sifat antibiotik. Hilangnya sifat antibiotik tampaknya tergantung pada kenyataan bahwa kita tidak mampu, dalam kondisi budidaya normal, untuk menciptakan kondisi yang akan memfasilitasi pelestarian karakteristik fisiologis dasar tubuh. Hilangnya aktivitas sering terlihat ketika mikroorganisme dibudidayakan pada media yang kaya komposisi dan sering disemai kembali.
Pada saat yang sama, perubahan sifat fisiologis atau biokimia dari produsen zat antibiotik dapat ditentukan oleh perubahannya pola genetik. Misalnya diketahui bahwa produsen gramicidin C dalam perkembangannya berdisosiasi menjadi beberapa varian, beberapa di antaranya tidak membentuk antibiotik tersebut. Apalagi proses disosiasi budaya mengarah ke pendidikan jumlah besar varian yang tidak aktif secara biologis, yang pada akhirnya menyebabkan hilangnya kemampuan kultur untuk membentuk gramicidin. Saat ini, sejumlah metode digunakan untuk mengawetkan kultur produsen antibiotik, memastikan kultur tersebut tetap aktif dalam jangka panjang. Metode ini didasarkan pada prinsip penundaan perkembangan mikroorganisme, prinsip konservasi. Untuk setiap jenis penghasil zat antibiotik, harus dipilih metode pengawetan yang paling sesuai agar kultur dapat disimpan dalam keadaan aktif dalam waktu yang relatif lama.
Metode yang paling umum untuk mengawetkan kultur mikroorganisme penghasil antibiotik dalam keadaan aktif adalah sebagai berikut.
1. Liofilisasi budaya.
2. Menyimpan sel vegetatif atau spora organisme pada tanah steril, pasir steril atau pada benih tanaman tertentu (misalnya millet). Menurut sejumlah penulis, kultur actinomycetes di tanah steril dapat bertahan selama 30 tahun atau lebih.
3. Penyimpanan spora dalam bentuk suspensi berair dalam ampul tertutup.
4. Penyimpanan spora pada pasir kuarsa steril.
5. Menyimpan kultur pada wadah agar-agar di bawah minyak mineral.
6. Penyimpanan hasil panen pada suhu rendah (+4, +5°C).
7. Baru-baru ini, untuk mengawetkan berbagai mikroorganisme dalam keadaan aktif, nitrogen cair digunakan, yang ditambahkan suspensi sel yang dicuci dari media. Kadang-kadang kultur actinomycete diawetkan dalam fase gas nitrogen cair pada balok agar-agar yang dipotong dari cawan agar dalam cawan Petri.
Bentuk pengawetan organisme terbaik, di mana tidak ada hilangnya aktivitas antibiotik, adalah liofilisasinya - metode ini cocok untuk kultur mikroorganisme pembentuk spora dan non-pembentuk spora. Inti dari metode ini adalah suspensi sel atau spora suatu mikroorganisme, yang dibuat dalam media yang kaya protein (serum darah sering digunakan untuk tujuan ini), dibekukan dengan cepat pada suhu -40 hingga -60 °C dan dikeringkan dalam vakum sampai sisa kelembaban (0,5-0,7%). Setelah perawatan tersebut, ampul dengan spora atau sel mikroba lyoflized ditutup rapat. Bakteri bentuk terliofilisasi dapat disimpan selama 16-18 tahun, spora jamur tidak kehilangan sifat dasarnya bila disimpan dalam bentuk terliofilisasi selama 10 tahun.
Biosintesis (sintesis biologis) adalah pembentukan zat kompleks yang paling sederhana pada organisme hidup.
Biosintesis yang terakhir berbeda dari sintesis kimia yang terjadi di luar sel - di laboratorium, pabrik kimia, dan terkadang di reservoir, tanah, dan batuan.
Selain itu, biosintesis selalu melibatkan zat khusus – enzim. Mereka mengaktifkan dan/atau mempercepat reaksi kimia. Sekitar 5.000 enzim diketahui, dan enzim tersebut tidak ada di alam di luar organisme hidup.
Alam telah memiliki waktu miliaran tahun dan telah mengalami miliaran metode sintesis. Selama waktu ini, dia memilih bahan yang paling cocok dan menciptakan struktur mini untuk pemrosesannya. Sel hidup telah berubah menjadi pabrik kimia tempat transformasi paling kompleks dapat terjadi. “Pabrik” beroperasi secara otomatis, cepat, dengan kerugian minimal dan output maksimal. Pasokan “bahan mentah” ke sel, pasokan energi yang tidak terputus, dan informasi tentang apa dan bagaimana melakukannya, tertulis dalam gen, selalu siap.
Ambil contoh, daun hijau di pohon. Dalam cahaya, ia terus menerus membentuk glukosa dari karbon dioksida dan air. Tumbuhan memakannya dan menerima energi. Manusia mempunyai ilmu pengetahuan dan teknologi canggih di tangannya. Karbon dioksida dan air - sebanyak yang Anda suka. Tampaknya tidak ada masalah dengan keduanya. Tetapi manusia, yang hanya menggunakan ini, tidak mampu mensintesis satu butir glukosa pun. Kami mendapatkannya dengan cara yang sangat berbeda, dan dari pati, yang disintesis oleh tanaman yang sama.
Mengapa manusia tidak bisa meniru reaksi biosintesis?
Pertama, karena kita tidak mempunyai “peralatan” yang sama dengan yang dimiliki sel.
Kedua, sebagian besar enzim adalah protein, untuk memperolehnya, seseorang harus mengetahui struktur masing-masing enzim, kemudian mencari cara untuk memperolehnya. Semua itu mungkin, namun tidak mudah. Akibatnya, produk sintesis kimia (misalnya hormon buatan) menjadi cukup mahal. 
Masalahnya dapat disederhanakan jika setidaknya sebagian pekerjaan dialihkan ke sel hidup. Misalnya, asam askorbat (vitamin C) diproduksi di pabrik melalui enam reaksi kimia. Salah satunya disediakan oleh... bakteri aktif. Skema serupa banyak digunakan dalam bioteknologi.
Kami membandingkan sel dengan pabrik. Namun dalam dunia industri, relokasi perusahaan merupakan praktik yang umum. Rekayasa genetika melakukan hal serupa. Dengan demikian, gen protein insulin manusia mampu “mendapatkan pekerjaan” di sel bakteri Escherichia coli. Akibatnya, insulin disintesis di tempat baru - tidak diketahui dan sama sekali tidak diperlukan untuk E. coli, tetapi sangat dibutuhkan oleh pasien diabetes.
Bagaimana seseorang menggunakan produk biosintetik?
Dia, tanpa ragu-ragu, menggunakannya setiap detik dalam hidupnya. Ketika Anda membaca baris-baris ini, biosintesis pigmen visual terjadi di mata Anda; itu disintesis dari glukosa di hati. zat cadangan glikogen, sumsum tulang membangun molekul hemoglobin, dll.
Selain itu, seseorang mengonsumsi produk biosintesis “alien” yang sudah jadi dengan sekuat tenaga. Apa makanan kita - roti, daging, mentega, sereal, susu, dll? Semua ini adalah campuran protein, lemak, karbohidrat, vitamin. Artinya, produk biosintesis yang terjadi di dalam sel tumbuhan dan hewan.
Biosintesis juga memasok kita dengan bahan baku industri. Kami mengekstrak antibiotik dan vitamin dari jamur dan bakteri. Kami berpakaian dan bersepatu jenis yang berbeda tupai – wol, bulu dan kulit mamalia, serta serat kapas. Kami mengambil sutera alam dari kupu-kupu ulat sutera. Kami mengubah selulosa, yang telah disintesis oleh pohon selama beberapa dekade, menjadi kertas, glukosa, viscose, plastik, bahan bangunan, dan furnitur. 
Kita hanya bisa senang bahwa alam menciptakan biosintesis - tanpanya kita akan kehilangan semua ini. Benar, tanpa biosintesis kita tidak akan ada.
DNA, pembawa semua informasi genetik dalam sel, tidak terlibat langsung dalam sintesis protein (implementasi informasi herediter ini). Pada sel hewan dan tumbuhan, molekul DNA dipisahkan oleh membran inti dari sitoplasma, tempat terjadinya sintesis protein. Perantara dikirim dari nukleus ke ribosom, tempat perakitan protein, yang membawa informasi yang disalin dan mampu melewati pori-pori membran nukleus. Perantara tersebut adalah messenger RNA, yang berpartisipasi dalam reaksi matriks.
Reaksi matriks adalah reaksi sintesis senyawa baru berdasarkan makromolekul “lama” yang bertindak sebagai matriks, yaitu bentuk, sampel untuk menyalin molekul baru. Reaksi matriks untuk implementasi informasi herediter yang melibatkan DNA dan RNA adalah:
1. Replikasi DNA– penggandaan molekul DNA, berkat transfer informasi genetik yang dilakukan dari generasi ke generasi. Matriksnya adalah DNA ibu.
2. Transkripsi(lat. transkripsi- penulisan ulang) adalah sintesis molekul RNA menurut prinsip saling melengkapi pada matriks salah satu rantai DNA. Terjadi di dalam nukleus di bawah aksi enzim RNA polimerase yang bergantung pada DNA. Messenger RNA adalah molekul beruntai tunggal, dan penyalinan gen terjadi dari satu untai molekul DNA beruntai ganda. Bahasa kembar tiga DNA diterjemahkan ke dalam bahasa kodon mRNA. Sebagai hasil transkripsi gen yang berbeda, semua jenis RNA disintesis. Kemudian mRNA, t-RNA, r-RNA memasuki sitoplasma sel melalui pori-pori di membran inti untuk menjalankan fungsinya.
3. Siaran (lat. terjemahan– transmisi, translasi) adalah sintesis rantai polipeptida protein pada matriks mRNA matang, yang dilakukan oleh ribosom. Ada beberapa tahapan dalam proses ini:
Tahap satu - inisiasi(awal sintesis). Di dalam sitoplasma, ribosom memasuki salah satu ujung mRNA (tepatnya ujung tempat sintesis molekul dalam nukleus dimulai) dan memulai sintesis polipeptida. Molekul tRNA yang mengangkut asam amino glutamin (GLN tRNA) terhubung ke ribosom dan menempel pada awal rantai mRNA (kode UAG). Di sebelah t-RNA pertama (yang tidak ada hubungannya dengan protein yang mensintesis), ditambahkan t-RNA kedua dengan asam amino. Jika antikodonnya adalah t-RNA, maka terjadi ikatan peptida antara asam amino, yang dibentuk oleh enzim tertentu. Setelah ini, t-RNA meninggalkan ribosom (masuk ke sitoplasma untuk mendapatkan asam amino baru), dan mRNA memindahkan satu kodon.
Fase kedua - pemanjangan(pemanjangan rantai). Ribosom bergerak sepanjang molekul mRNA tidak dengan lancar, tetapi sebentar-sebentar, triplet demi triplet. TRNA ketiga dengan asam amino berikatan dengan antikodonnya ke kodon mRNA. Ketika ikatan komplementer terbentuk, ribosom mengambil langkah lain yaitu “kodon”, dan enzim spesifik “ikatan silang” ikatan peptida asam amino kedua dan ketiga - rantai peptida terbentuk. Asam amino dalam rantai polipeptida yang sedang tumbuh terhubung dalam urutan di mana kodon mRNA yang mengkodekannya berada (Gbr. 14).
Tahap ketiga – penghentian(akhir sintesis) rantai. Terjadi ketika ribosom menerjemahkan salah satu dari tiga “kodon omong kosong” (UAA, UAG, UGA). Ribosom melompat dari mRNA, sintesis protein selesai.
Jadi, dengan mengetahui urutan asam amino dalam molekul protein, kita dapat menentukan urutan nukleotida (kembar tiga) dalam rantai mRNA, dan dari situ - urutan pasangan nukleotida di bagian DNA dan sebaliknya, dengan mempertimbangkan prinsip komplementaritas nukleotida.
Namun dalam proses reaksi matriks, perubahan – mutasi – dapat terjadi. Ini adalah mutasi gen tingkat molekuler- akibat berbagai kerusakan pada molekul DNA - mempengaruhi satu atau lebih nukleotida. Segala bentuk mutasi gen dapat dibagi menjadi dua kelompok besar.
Kelompok pertama- pembacaan pergeseran bingkai – mewakili penyisipan atau penghapusan satu atau lebih nukleotida. Bergantung pada lokasi pelanggaran, satu atau beberapa kodon berubah. Ini adalah kerusakan gen yang paling parah, karena protein akan mengandung asam amino yang sangat berbeda. Penghapusan dan penyisipan tersebut menyebabkan 80% dari seluruh mutasi gen spontan.
Efek yang paling merusak adalah omong kosong - mutasi yang berhubungan dengan munculnya kodon terminator yang menghentikan sintesis protein. Hal ini dapat menyebabkan penghentian dini sintesis protein, yang dengan cepat terdegradasi. Akibatnya adalah kematian sel atau perubahan sifat perkembangan individu.
Mutasi yang terkait dengan substitusi, penghapusan atau penyisipan pada bagian pengkodean suatu gen secara fenotip dimanifestasikan sebagai penggantian asam amino dalam protein. Tergantung pada sifat asam amino dan signifikansi fungsional area yang rusak, ada hilangnya sebagian atau seluruh aktivitas fungsional protein. Hal ini tercermin dalam penurunan viabilitas, perubahan karakteristik organisme, dll.
Kelompok kedua- Ini adalah mutasi gen dengan penggantian pasangan basa nukleotida. Ada dua jenis substitusi basa:
1. Transisi - penggantian satu basa purin dengan basa purin lainnya (A dengan G atau G dengan A) atau satu pirimidin dengan pirimidin lain (C dengan T atau T dengan C).
2. Transversi - penggantian satu basa purin dengan basa pirimidin atau sebaliknya (A ke C, atau G ke T, atau A ke U). Contoh transversi adalah anemia sel sabit, yang terjadi karena kelainan bawaan pada struktur hemoglobin. Pada gen mutan yang mengkode salah satu rantai hemoglobin, hanya satu nukleotida yang terganggu, dan adenin digantikan dengan urasil pada mRNA (GAA menjadi HUA). Akibatnya terjadi perubahan fenotip biokimia, pada rantai β hemoglobin, asam glutamat digantikan oleh valin. Penggantian ini mengubah permukaan molekul hemoglobin: alih-alih berbentuk cakram bikonkaf, sel darah merah menjadi berbentuk sabit dan menyumbat pembuluh darah kecil atau dengan cepat dikeluarkan dari sirkulasi, yang dengan cepat menyebabkan anemia. .
Dengan demikian, pentingnya mutasi gen bagi kehidupan suatu organisme berbeda-beda:
· beberapa “mutasi diam” tidak mempengaruhi struktur dan fungsi protein (misalnya, substitusi nukleotida yang tidak menyebabkan substitusi asam amino);
· beberapa mutasi menyebabkan hilangnya fungsi protein dan kematian sel (misalnya, mutasi yang tidak masuk akal);
· mutasi lainnya - dengan perubahan kualitatif pada mRNA dan asam amino menyebabkan perubahan karakteristik organisme;
· beberapa mutasi yang mengubah sifat molekul protein mempunyai efek merusak pada aktivitas vital sel - mutasi tersebut menyebabkan penyakit parah (misalnya transversi).
Akhir pekerjaan -
Topik ini termasuk dalam bagian:
Perkenalan. Dasar molekuler dari hereditas
Pendahuluan.. Genetika berasal dari bahasa Yunani asal muasalnya sebagai ilmu tentang pola.. tahap i periode gg perkembangan genetika klasik Mendelisme..
Jika Anda membutuhkannya material tambahan tentang topik ini, atau Anda tidak menemukan apa yang Anda cari, kami sarankan menggunakan pencarian di database karya kami:
Apa yang akan kami lakukan dengan materi yang diterima:
Jika materi ini bermanfaat bagi Anda, Anda dapat menyimpannya ke halaman Anda di jejaring sosial:
| Menciak |
Semua topik di bagian ini:
Jenis utama keturunan
Genetika adalah ilmu yang mempelajari pola hereditas dan variabilitas makhluk hidup. Keturunan adalah kemampuan organisme untuk mengulang dari generasi ke generasi
Pembawa utama keturunan
Pembawa utama hereditas nuklir adalah kromosom yang terletak di inti sel. Setiap kromosom memiliki komponen kimia: satu molekul DNA raksasa
Konsep kariotipe manusia
Jumlah, ukuran dan bentuk kromosom merupakan ciri khas setiap jenis organisme hidup. Jadi, sel kelomang mengandung 254 kromosom, sedangkan nyamuk hanya memiliki 6 kromosom. Somatik
Aturan kromosom
Ada 4 aturan kromosom: Aturan kekekalan jumlah kromosom Sel somatik dalam tubuh setiap spesies biasanya memiliki jumlah kromosom yang ditentukan secara ketat (misalnya
Siklus seluler dan mitosis
Daur sel (hidup) adalah suatu masa dalam aktivitas hidup suatu sel sejak kemunculannya sampai mati atau terbentuknya sel anak.Siklus mitosis adalah suatu masa dalam aktivitas kehidupan.
Reproduksi pada tingkat organisme
Gametogenesis adalah proses pembentukan gamet – sel reproduksi jantan dan betina. Telur terbentuk di gonad (indung telur) betina dan berukuran besar
Ciri-ciri reproduksi manusia
Kekhasan reproduksi manusia ditentukan oleh kekhususannya sebagai makhluk biologis dan sosial. Kemampuan untuk bereproduksi menjadi mungkin dengan dimulainya masa pubertas
Asam nukleat
Pada tahun 1869, ahli biokimia Swiss Johann Friedrich Miescher pertama kali menemukan, mengisolasi dan mendeskripsikan DNA dari inti sel. Namun baru pada tahun 1944 O. Avery, S. McLeod dan M. Macarthy membuktikan peran genetik
Kode genetik dan sifat-sifatnya
Untuk melakukan ekspresi gen, terdapat kode genetik - hubungan yang tertata ketat antara basa nukleotida dan asam amino (Tabel 3). Singkatan umum untuk
Sifat dasar kode genetik
1. Tripletitas - satu asam amino berhubungan dengan tiga nukleotida yang berdekatan, yang disebut triplet (kodon) (kembar tiga dalam mRNA disebut kodon); 2. Gerobak stasiun
Tingkat pengorganisasian materi keturunan
Ada tingkat organisasi struktural dan fungsional berikut dari bahan keturunan eukariota: gen, kromosom dan genom. Struktur dasar tingkat gen organ
Dasar sitologi dan molekuler dari variabilitas organisme
Genetika tidak hanya mempelajari fenomena hereditas, tetapi juga fenomena variabilitas. Variabilitas adalah sifat organisme hidup untuk berubah di bawah pengaruh faktor eksternal dan internal.
Variabilitas non-herediter
Variabilitas non-herediter (fenotipik) adalah jenis variabilitas yang mencerminkan perubahan fenotipe di bawah pengaruh kondisi. lingkungan luar, tidak mempengaruhi genotipe. Gelar dia, kamu
Variabilitas herediter
Keragaman genotipe (keturunan) adalah perubahan sifat-sifat suatu organisme secara turun-temurun, ditentukan oleh genotipe dan dipertahankan selama beberapa generasi. Hal ini diwakili oleh dua pandangan
Variabilitas mutasi
Mutasi adalah perubahan materi genetik yang tiba-tiba dan berkelanjutan di bawah pengaruh faktor lingkungan eksternal atau internal, yang diturunkan. Organisme, turun temurun
Mekanisme mutasi molekuler
Mutasi yang berhubungan dengan perubahan struktur molekul DNA disebut mutasi gen. Mereka mewakili penghapusan atau penyisipan satu atau lebih basa nitrogen, atau keduanya pada saat yang bersamaan
Ciri-ciri mutasi pada tingkat jaringan
Mutasi somatik terjadi pada sel somatik, diwariskan hanya selama reproduksi vegetatif dan muncul pada individu itu sendiri (warna mata berbeda pada satu orang.
Mutasi pada tingkat organisme
Menurut sifat perubahan fenotipe, semua mutasi dapat dibagi menjadi beberapa kelompok berikut. 1. Morfologis, melanggar ciri-ciri struktur fisik; tanpa mata, berjari pendek
Mutasi di tingkat populasi
Mutasi apa pun diyakini berbahaya karena mengganggu interaksi organisme dengan lingkungan. Namun, beberapa mutasi menyebabkan perubahan kecil pada tubuh dan tidak menimbulkan bahaya tertentu.
Pengaruh mutasi kromosom pada berbagai sistem tubuh
Derajat perubahan karakteristik suatu organisme akibat mutasi kromosom bergantung pada ukuran area yang rusak dan kandungan gen yang penting untuk perkembangan di dalamnya. Untuk mengetahui akibat mutasi kromosom
Akibat mutasi pada sel germinal dan sel somatik
Efek mutasi pada fenotipe seseorang dapat bervariasi tergantung pada jenis sel tempat terjadinya perubahan struktur keturunan. Mutasi generatif atau perubahan pewarisan
Stabilitas dan perbaikan materi genetik
Stabilitas materi genetik dijamin oleh: seperangkat kromosom diploid; heliks ganda DNA; degenerasi (redundansi) kode genetik;
Antimutagen
Proses mutasi merupakan sumber perubahan yang menimbulkan berbagai kondisi patologis. Prinsip kompensasi aktif panggung modern melibatkan langkah-langkah untuk mencegah penyakit genetik
1. Mata kuliah, tugas dan metode genetika. Sejarah perkembangan dan penetapan genetika sebagai ilmu. 2. Tahapan perkembangan genetika klasik. Genetika modern (molekuler). Konsep dasar dan
