Содержание
Пластический обмен
Пластический обмен — это совокупность реакций синтеза необходимых соединений (белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот) из веществ, которые попали в клетку, с поглощением энергии.
Биосинтез белков
Растения сами синтезируют все необходимые им аминокислоты, используя азот, аммиак, нитраты. Высшие животные и человек получают незаменимые аминокислоты с пищей. Заменимые аминокислоты животные и грибы синтезируют из азотосодержащих соединений. Биосинтез белка из аминокислот – это сложный многоэтапный процесс, который требует много энергии. Каждая из реакций биосинтеза обеспечивается специфическими ферментами.
Все живые организмы сохраняют наследственную информацию в молекулах нуклеиновых кислот в виде определенной последовательности нуклеотидов. Такая единая система сохранения называется генетическим кодом.
В полипептидной цепи каждый аминокислотный остаток кодируется определенной последовательностью из трех нуклеотидов – триплетом (комбинация из трех нуклеотидов дает возможность кодировать 43 = 64 типа аминокислот, то есть 20 основных).
Свойства генетического кода:
1) вырожденность – одну аминокислоту могут кодировать несколько разных триплетов. Большинство основных аминокислот (18 из 20) кодируется несколькими триплетами – от 2 до 6, лишь две (триптофан и метионин) – одним;
2) однозначность – каждый триплет кодирует лишь определенную аминокислоту;
3) универсальность – код единый для всех организмов, существующих на Земле. Одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты разных организмов;
4) неперекрываемость – генетическая информация может считываться лишь одним способом, в одном направлении.
Между генами существуют участки, которые не несут генетической информации. Они лишь отделяют одни участки от других, как «разделительные знаки». Их называют спейсерами (от англ. спейс – пространство). Каждый из трех триплетов (УАА, УАГ, УГА) означает прекращение синтеза одной полипептидной цепи. Они называются стоп-кодонами. Триплет АУГ определяет место начала синтеза следующей полипептидной цепи.
Этапы биосинтеза белков
В 50-х годах XX века был выяснен механизм этого процесса. Синтез белка включает несколько этапов: транскрипцию (синтез предшественника иРНК – про-иРНК), трансляцию (перенесение последовательности нуклеотидов в молекуле иРНК в последовательность аминокислотных остатков молекулы белка) и обособление белковой молекулы.
Транскрипция
Транскрипция (от лат. thranscriptio – переписывание). Фермент PHК-полимераза разъединяет двойную цепь ДНК. По принципу комплементарности на одной из них синтезируется молекула про-иРНК. Потом она с помощью специальных ферментов превращается в активную форму иРНК. Для этого из нее удаляются участки, лишенные генетической информации. Из ядра она может поступать в цитоплазму клетки.
Трансляция
Трансляция (от лат. translatio – передача). В цитоплазме с помощью ковалентной связи каждая из 20 аминокислот присоединяется к определенной тРНК, иРНК связывается с рибосомой. Рибосома надвигается на нитевидную молекулу иРНК таким образом, что она оказывается между двумя субъединицами. По принципу комплементарности транспортная РНК, которая переносит аминокислоту, взаимодействует с помощью своего триплета – антикодона с особым триплетом иРНК – кодоном. Первый кодон дает сигнал о начале синтеза полипептидной цепи.
Возникает инициативный комплекс, который состоит из триплета иРНК, рибосомы и определенной тРНК.
Благодаря последовательному соединению пептидными связями аминокислотных остатков между собой, полипептидная цепь удлиняется. Рибосома перемещается слева направо по иРНК и образует белковую молекулу. С помощью определенной тРНК каждая из аминокислот транспортируется к рибосоме и размещается в цепи.
В рибосоме есть особый участок, где происходит трансляция – функциональный центр. Его размеры отвечают длине двух триплетов. Вместе с тем в функциональном центре может находиться два соседних триплета иРНК. В одной его части антикодон тРНК узнает кодон иРНК, а в другой – аминокислота освобождается от тРНК.
Длина молекулы иРНК определяет количество рибосом, которые одновременно могут уместиться на ней. Молекула иРНК с нанизанными на нее рибосомами называется полисомой, или полирибосомой.
Процесс синтеза белка происходит с большой затратой энергии, которая выделяется при расщеплении АТФ. На присоединение к синтезированной полипептидной цепи одного аминокислотного остатка расходуется энергия, которая высвобождается при расщеплении одной молекулы АТФ.
Синтез белковой молекулы завершается, как только рибосома достигает стоп — кодона. Рибосома вместе с белковой молекулой оставляет иРНК. Молекула белка попадает в эндоплазматическую сеть и транспортируется к определенному участку клетки, а рибосома – на любую другую молекулу иРНК. Белок приобретает определенную пространственную конфигурацию, молекула белка становится функционально активной.
У эукариот и прокариот механизмы биосинтеза белка схожи. Различаются рибосомы. Размеры рибосом у прокариот меньше. Рибосомы прокариот похожи на рибосомы митохондрий и пластид.
Биосинтез углеводов
Автотрофные организмы синтезируют подавляющее большинство углеводов. Они образуют из углекислого газа и воды шестиуглеродные моносахариды (гексозы). В ограниченном количестве из других органических соединений углеводы синтезируются в клетках гетеротрофных организмов.
В результате ферментативных реакций полисахариды образуются из моносахаридов. Биосинтез моносахаридов происходит двумя путями:
1) характерный автотрофным организмам, ведет к восстановлению С02 глюкозу;
2) благодаря ряду реакций из соединений неуглеводной природы (пировиноградной и молочной кислот, глицерина, некоторых аминокислот) образуется глюкоза.
Биосинтез липидов
Запасной формой липидов в организме являются жиры. На жирные кислоты приходится около 90 % энергии, которая запасается в жирах. С участием специфических ферментов в клетках эукариот в цитоплазме происходит биосинтез жирных кислот. Процессы эти могут продолжаться в митохондриях и некоторых других органеллах.
Жиры синтезируются в клетках кишечного эпителия, в печени, подкожной клетчатке, легких и некоторых других органах. Есть ферментные системы в некоторых тканях, которые могут обеспечить образование жиров из углеводов, в частности глюкозы.
Биосинтез нуклеиновых кислот
Все живые организмы способны синтезировать нуклеотиды. Аминокислоты служат посредниками нуклеотидов, которые входят в состав нуклеиновых кислот.
Значительная часть азотистых оснований при расщеплении нуклеиновых кислот не распадается, а используется снова для синтеза нуклеотидов. Предшественники ДНК – дезоксирибонуклеотиды образуются путем восстановления (изъятия атома кислорода) рибозы до дезоксирибозы.
Биосинтез ДНК
В основе процесса лежит способность молекул ДНК к самоудвоению – репликации. Процесс репликации полуконсервативный, так как каждая из двух дочерних молекул ДНК имеет одну цепь от материнской молекулы, а вторую – синтезированную на первой. Для начала репликации двухцепочечная материнская молекула ДНК должна расплестись в определенной точке.
Фермент ДНК-полимераза катализирует синтез второй цепи дочерней молекулы ДНК. Цепи материнской молекулы ДНК разделяются из-за разрушения водородных связей. С участием фермента ДНК-полимераза по принципу комплементарности к нуклеотидам каждой материнской цепи присоединяются свободные нуклеотиды. Каждая из цепей становится матрицей для синтеза новой цепи дочерней молекулы ДНК. Каждая из дочерних молекул ДНК является точной копией материнской. У-подобная зона ДНК, где происходит репликация, называется репликационной «вилкой».
Вдоль матричной цепи размещаются в определенном порядке соответствующие одиночные нуклеотиды. Новая цепь ДНК синтезируется в виде коротких фрагментов, которые потом соединяются ковалентными связями под действием особого фермента. ДНК эукариот может удваиваться одновременно во многих точках ее молекулы.
Биосинтез РНК
Все виды РНК (иРНК, тРНК, рРНК) синтезируются ферментами РНК-полимеразами по принципу комплементарности на молекуле ДНК. Процесс синтеза молекулы РНК на матрице ДНК называется транскрипцией. Фермент РНК-полимераза во время синтеза РНК продвигается вдоль определенного участка молекулы ДНК и действует подобно застежке-молнии, разъединяя двойную спираль.