Обмен веществ и превращение энергии

Основные понятия:

метаболизм, энергетический и пластический обмен, стадии энергетического обмена, брожение и дыхание, фотосинтез, световая и темновая фазы фотосинтеза, хемосинтез, биосинтез белка и нуклеиновых кислот, матричный характер реакций биосинтеза, гены, генетический код и его свойства

Обмен веществ и энергии – одно из важнейших свойств живого. Органические и неорганические вещества клетки принимают участие в разнообразных химических превращениях. В клетках протекает огромное количество реакций синтеза: белков на рибосомах, липидов в эндоплазматической сети, углеводов в пластидах растений. Для синтеза веществ необходима энергия. Главный источник энергии для организмов – Солнце.

Совокупность реакций биологического синтеза в клетке называют пластическим (от греч. plastos – созданный) обменом, или ассимиляцией.

Наряду с реакциями синтеза в клетках происходит распад сложных органических соединений. Например, расщепление липидов, полисахаридов, белков и нуклеиновых кислот происходит в лизосомах. При участии ферментов эти вещества распадаются до более простых соединений, при этом выделяется энергия, которая запасается в виде макроэргических (высокоэнергетичных) химических связях молекул АТФ.

Совокупность реакций расщепления сложных молекул на более простые называется энергетическим обменом, или диссимиляцией.

Реакции пластического обмена способствуют построению клетки и обновлению ее состава, а реакции энергетического обмена обеспечивают клетку энергией, запасенной в виде АТФ, для различных процессов жизнедеятельности клетки, в том числе и для реакций биосинтеза.

Ассимиляции и диссимиляция - два противоположных процесса: в результате одного процесса вещества образуются, и для биосинтеза затрачивается энергия; в результате другого процесса вещества расщепляются, и при этом энергия высвобождается. Эти процессы взаимосвязаны и составляют единый процесс обмена веществ и энергии – метаболизм:

Биосинтез белков – сложный ферментативный процесс, начинающийся в ядре и заканчивающийся на рибосомах в цитоплазме клетки.

Наследственная информация о первичной структуре белковой молекулы заключена в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. ДНК – матрица для синтеза белков, обладает свойством, не присущим ни одной из известных молекул, - способностью к удвоению.

Процесс матричного синтеза ДНК, осуществляемый ферментами ДНК-полимеразами, называется репликацией. Репликация — это процесс самоудвоения молекул ДНК, происходящий под контролем ферментов.

Репликация осуществляется перед каждым делением ядра. Начинается она с того, что спираль ДНК временно раскручивается под действием фермента ДНК-полимеразы. На каждой из цепей, образовавшихся после разрыва водородных связей, по принципу комплементарности синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, которые есть в ядре. Таким образом, каждая полинуклеотидная цепь выполняет роль матрицы для новой комплементарной цепи (поэтому процесс удвоения молекул ДНК относится к реакциям матричного синтеза). В результате получается две молекулы ДНК, у каждой из которых одна цепь остается от родительской молекулы, а другая — вновь синтезированная. В результате репликации две новые молекулы ДНК представляют собой точную копию исходной молекулы.

Схема репликации ДНК:

Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской клетки к дочерним, что и происходит при делении соматических клеток.

Участок ДНК, несущий информацию о первичной структуре конкретного белка, называется геном. Каждой аминокислоте белка соответствует последовательность из трех нуклеотидов в ДНК – триплет, или кодон. В ДНК любой клетки закодирована информация обо всех белках данного организма, о том, какие белки, в какой последовательности и в каком количестве будут синтезироваться. Последовательность аминокислот в белках записана в ДНК так называемым генетическим (триплетным) кодом. Генетический код – соответствующая последовательность нуклеотидов.

Свойства генетического кода:

1. Триплетность. Каждой аминокислоте в генетическом коде соответствует определенная последовательность нуклеотидов – триплет (кодон). Различных нуклеотидов в ДНК четыре (азотистые основания их образующие: аденин А, гуанин Г, тимин Т, цитозин Ц), следовательно, число сочетаний из 4 по 3 составит 64 триплета (4³). 20 видов аминокислот, образующих белки, кодируют 61 триплет, а 3 триплета являются «знаками препинания»: указывают начало и конец синтеза отдельных белков, или «стоп-сигналами», они не кодируют аминокислоты.

2. Вырожденность. Одну аминокислоту могут кодировать несколько триплетов от 2 до 6.

3. Однозначность (специфичен). Один триплет кодирует только одну аминокислоту.

4. Неперекрываемость. Один нуклеотид входит в состав только одного кодона.

5. Непрерывность. Кодоны не отделены один от другого, располагаются в цепи нуклеиновой кислоты линейно.

6. Универсальность. Генетический код одинаков у всех организмов на Земле.

Синтез белков происходит в цитоплазме на рибосомах. Генетическая информация от хромосом ядра к месту синтеза белков переносится иРНК:

ДНК à иРНК à белок

Для того чтобы синтезировать РНК, участок ДНК деспирализуется, «разматывается». Этот участок несет информацию о структуре конкретного белка. В основе синтеза РНК лежит принцип комплементарности: напротив А_ДНК становится У_РНК, напротив Т_ДНК - А_РНК., напротив Ц_ДНК - Г_РНК.

Из мономеров образуется полимерная цепь иРНК – точная копия второй нити ДНК (с заменой Т à У); иРНК – одноцепочная структура, короче ДНК в сотни раз.

Процесс биосинтеза белка осуществляется на рибосомах, расположенных преимущественно в цитоплазме. Следовательно, для передачи генетической информации с ядерной ДНК к месту синтеза белка требуется посредник. Таким посредником является иРНК, которая на основе принципа комплементарности синтезируется на одной из цепей молекулы ДНК. Процесс перенесения («переписывания») генетической информации о последовательности нуклеотидов какого-либо гена ДНК в последовательность нуклеотидов иРНК называется транскрипцией (от лат. transcriptio – переписывание). Транскрипция происходит не на всей молекуле ДНК одновременно, а лишь на небольшом ее участке, отвечающем определенному гену. При этом часть двойной спирали ДНК раскручивается, обнажая короткий участок одной из цепей, который теперь будет служить матрицей для синтеза иРНК. Вдоль этой цепи движется фермент РНК-полимераза, соединяя между собой нуклеотиды в растущую цепь иРНК, последовательность нуклеотидов которой является точной копией последовательности нуклеотидов матрицы. На специальных генах синтезируются и два других типа РНК — тРНК и рРНК. Начало и конец синтеза всех типов РНК на матрице ДНК строго фиксирован специальными триплетами, которые контролируют запуск и остановку синтеза РНК. Триплеты выполняют функцию знаков препинания между генами.

Синтезированная в ядре иРНК отделяется от ДНК и через поры ядерной оболочки поступает в цитоплазму, где прикрепляется к рибосоме.

Для переноса каждого вида аминокислоты нужна определенная транспортная РНК.

Структура тРНК: а, б, в, г — участки комплементарного соединения; д —участок соединения с аминокислотой; е—антикодон.	Существует 20 тРНК, так как в состав белков входит 20 аминокислот. Каждая тРНК имеет структуру, напоминающую лист клевера. В верхушке «листа» располагается антикодон – триплет, код которого комплементарен кодону иРНК, соответствующему той аминокислоте, которую переносит эта тРНК. К «черешку листа» специальный фермент прикрепляет определенную аминокислоту и транспортирует ее к рибосоме – месту синтеза белковых молекул:
ЯДРО		ЦИТОПЛАЗМА
	иРНК информация		тРНК
	РИБОСОМЫ	аминокислоты

В цитоплазме на рибосомах происходит синтез белков. Процесс сборки белков называется трансляция.

Схема биосинтеза белка: а — рибосома; б — иРНК; в — тРНК; г — образование пептидной связи; д —растущая полипептид ноя цепь.

Трансляция (от лат. translatio – перевод) – перевод последовательности нуклеотидов иРНК в последовательность аминокислот синтезируемых белков.

Основные этапы процесса трансляции:

1. Рибосома перемещается по иРНК не плавно, а прерывисто, «скачками», триплет за триплетом. На рибосоме помещается по два триплета иРНК.

2. Транспортные РНК перемещаются со своими аминокислотами к рибосомам. Одна из тРНК «примеряет» свой антикодон к кодону иРНК, если они оказываются комплементарными, то аминокислота отсоединяется от «черешка листа» тРНК и присоединяется к растущей полипептидной цепи.

3. Освободившаяся тРНК перемещается в цитоплазму и вновь присоединяет аминокислоту.

4. Рибосома «перескакивает» на следующий триплет иРНК, и процесс повторяется столько раз, сколько нужно аминокислот для «строящегося» белка. Синтез белка прекращается, как только на рибосоме оказывается один из триплетов – «стоп-сигналов». Вся трансляция белковой молекулы среднего размера занимает около 2 минут.

Клетке необходимо много молекул белка, поэтому на одной нити иРНК «работают» сразу несколько рибосом. Все рибосомы, синтезирующие один и тот же белок, закодированный в данной иРНК, называются полисомой.

Синтез белка происходит при участии специализированных ферментов и требует затрат большого количества энергии АТФ.

Биосинтез белка

Синтез белковых молекул происходит непрерывно и идет с большой скоростью: за 1 мин образуется от 50 до 60 тыс. пептидных связей. Синтез одной молекулы белка длится всего 3—4 сек. В результате половина белков тела человека (в среднем в нем около 17 кг белка) обновляется за 80 суток. За всю жизнь в организме человека белки обновляются около 200 раз.