Метаболизм в якості основи життєдіяльності клітини

Метаболизм в якості основи життєдіяльності клетки

Вертьянов З. Ю.

Под метаболізмом розуміють постійно яке у клітинах живих організмів обмін речовин і. Одні сполуки, виконавши своє завдання, стають непотрібними, за іншими виникає нагальна потреба. У різних процесах метаболізму з простих речовин з участю ферментів синтезуються високомолекулярні сполуки, своєю чергою складних молекул розщеплюються на більш простые.

Реакции біологічного синтезу називаються анаболическими (грецьк. anabole підйом), які сукупність у клітині — анаболизмом, чи пластичним обміном (грецьк. plastos виліплений, созданный).

В клітині протікає дуже багато процесів синтезу: ліпідів в эндоплазматической мережі, білків на рибосомах, полісахаридів комплексно Гольджи эукариот й у цитоплазмі прокариот, вуглеводів в пластидах рослин. Структура синтезованих макромолекул має видовий й індивідуальною специфічністю. Набір притаманних клітини речовин відповідає послідовності нуклеотидів ДНК, складових генотип. Задля більшої реакцій синтезу клітині потрібні значні витрати енергії, одержуваної при розщепленні веществ.

Совокупность реакцій розщеплення складних молекул більш прості називається катаболізму (грецьк. katabole руйнація), чи енергетичного обміну. Прикладами таких реакцій є розщеплення ліпідів, полісахаридів, білків і нуклеїнових кислот в лизосомах, і навіть простих вуглеводів і жирних кислот в митохондриях.

В результаті процесів катаболізму вивільняється енергія. Істотна значна її частина запасається як высокоэнергетичных хімічних зв’язків АТФ. Запаси АТФ дозволяють організму швидко і ефективно забезпечувати різні процеси жизнедеятельности.

Молекулы білків функціонують в організмі і від кількох годин за кілька днів. За цей період них накопичуються порушення, і білки стають непридатними для виконання своїх можливостей. Вони розщеплюються й заміняються на знову синтезовані. Вимагають постійного поновлення й існують самі клітинні структуры.

Пластический і колись енергетичний обміни нерозривно взаємопов'язані. Процеси розщеплення здійснюють енергетичне забезпечення процесів синтезу, і навіть поставляють необхідних синтезу будівельні речовини. Правильний обмін речовин підтримує сталість хімічного складу біологічних систем, їх внутрішнього середовища. Здатність організмів зберігати внутрішні параметри незмінними називається гомеостазу. Процеси метаболізму відбуваються у відповідність до генетичної програмою клітини, реалізуючи її спадкову информацию.

Энергетический обмін у клітині. Синтез АТФ

Человек і домашні тварини отримують енергію з допомогою окислення органічних сполук, вступників з їжею. Біологічна окислювання речовин — це, власне, повільне горіння. Кінцеві продукти згоряння дров (целюлози) — вуглекислий на газ і вода. Повне окислювання органічних речовин (вуглеводів і ліпідів) у клітинах також відбувається до води та вуглекислого газу. На відміну від горіння, процес біологічного окислення відбувається поступово. Высвобождающаяся енергія також поступово запасається як хімічних зв’язків синтезованих сполук. Деяка значна її частина розсіюється у клітинах, підтримуючи необхідну життєдіяльності температуру.

Синтез АТФ відбувається переважно в мітохондріях (рослин й у хлоропластах) і забезпечується переважно енергією, выделяющейся при розщепленні глюкози, але можна використовувати та інші прості органічні сполуки — цукру, жирні кислоти і пр.

Гликолиз. Процес розщеплення глюкози живими організмах називається гликолиза (грецьк. glykys солодкий + lysis розщеплення). Розглянемо основні його этапы.

На першої, стадії в лизосомах відбувається освіту простих органічних молекул шляхом розщеплення діі полісахаридів. Яке Вирізняється при цьому небагато енергії розсіюється як тепла.

Второй етап гликолиза відбувається у цитоплазмі й без участі кисню і називається анаэробным (бескислородным — грецьк. ana без + aer повітря) гликолизом — неповним окисленням глюкози й без участі кислорода.

Бескислородный гліколіз є складний багатоступінчастий процес на десяток послідовних реакцій. Кожна реакція каталізується спеціальним ферментом. У результаті глюкоза розщеплюється до пировиноградной кислоти (ПВК):

С6Н12О6(глюкоза) + 2Н3РО4 + 2АДФ = 2С3Н4О3(ПВК) + 2АТФ + 2Н2О Глюкоза у цьому як розщеплюється, а й окислюється (втрачає атоми водню). У м’язах людини і тварин дві молекули ПВК, набуваючи атоми водню, відновлюються в молочну кислоту С3Н6О3. Цим самим продуктом закінчується гліколіз у молочнокислих бактерій і грибків, застосовуваний для приготування кислого молока, кисляку, кефіру, і навіть при силосовании кормів у тваринництві. Процес перетворення ПВК у клітинах мікроорганізмів і рослин, у стійкі кінцеві продукти називають брожением.

Так, дріжджові грибки розщеплюють ПВК на етиловий спирт і вуглекислий газ. Цей процес, званий спиртовим заворушеннями, використовують із приготування квасу, пива і вину. Бродіння інших мікроорганізмів завершується освітою ацетону, оцтової кислоти і т.д.

Главным результатом анаеробного гликолиза переважають у всіх організмах є освіту двох молекул АТФ. Высвобождающаяся при розщепленні глюкози енергія щодо невелика — 200 кДж/моль. Высокоэнергетичные зв’язку АТФ запасають 40% цієї величини. Інші 60% розсіюються як тепла. Основний вихід енергії і молекул АТФ відбувається третьому, кисневому етапі гликолиза, званому ще аэробным дыханием.

Кислородный гліколіз. За наявності достатньої кількості кисню подальший процес розщеплення ПВК відбувається не в цитоплазмі, а мітохондріях, і включає кілька десятків послідовних реакцій, кожна з яких обслуговується своїм комплексом ферментов.

Молекулы ПВК під впливом ферментів (і коферменту НАД — никотинамидадениндинуклеотида) поетапно окислюються спочатку до оцтової кислоти, та був, в так званому циклі Кребса (чи трикарбонових кислот), до вуглекислого газу й води (повільне горіння). У процесі окислення утворюються складні молекулярні з'єднання з приєднаними до них атомами водню. Молекулы-переносчики підхоплюють і переміщають електрони цих атомів по довгому ланцюгу ферментів від однієї до іншого. На кожен крок електрони входять у окислювально-відновні реакції і віддають свою енергію, яка йде переміщення протонів на зовнішній бік внутрішньої мембрани митохондрии.

В результаті решта протони і переміщені електрони виявляються різними сторони внутрішньої мембрани. На мембрані створюється різницю потенциалов.

Фермент, синтезирующий АТФ (АТФ-синтетаза), вмонтований у внутрішнє мембрану у всій її товщині. Цей фермент має характерну особливість: невеличкий каналец в молекулярну структуру. При накопиченні на мембрані різниці потенціалів приблизно 200 мВ іони М+ починають протискуватися через каналец в молекулі АТФ-синтетазы. У процесі енергійного просування іонів через фермент відбувається синтез АТФ з АДФ з участю фосфорної кислоты.

В хімічних реакціях кисневого гликолиза звільняється дуже багато енергії — 2600 кДж/моль. Істотна значна її частина (55%) запасається в высокоэнергетичных зв’язках які виникають молекул АТФ. Інші 45% розсіюються як тепла (тому і під час фізичної роботи нам спекотно). Підсумкове рівняння кисневою стадії виглядає наступним образом:

2С3Н6О3(молочн.кислота) + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ Таким чином, кисневе розщеплення різко збільшує ефективність енергетичного обміну і відіграє основну роль акумулюванні енергії. Якщо гліколіз й без участі кисню дає ґранти лише 2 молекули АТФ, то кисневий гліколіз забезпечує синтез 36 молекул АТФ. У результаті повному циклі гликолиза кожну молекулу глюкози утворюється 38 молекул АТФ.

При середньодобових енергетичних витратах у 10 тис. кДж в людини щодня синтезується близько 170 кг АТФ, а міститься лише близько 50 р АТФ, отже, поновлення запасу приміром із частотою 3400 разів у сутки!

При інтенсивної фізичної роботі клітини організму не встигають насититися киснем, і розщеплення глюкози обмежується бескислородным гликолизом. У результаті швидко накопичується молочна кислота — токсична для нервових і м’язових клітин з'єднання (пригадаємо м’язові болю після важкої праці). Поява молочної кислоти збуджує дихальний центр і це змушує нас посилено дихати. Насичення клітин киснем дозволяє організму відновити процес кисневого розщеплення, який би необхідну кількість енергії як молекул АТФ. Настає «друге дихання ». Гепардам після інтенсивного бігу потрібно тривалий відпочинок, інколи вони їх виявляються неспроможна захистити свою видобуток від менш сильних хижаків. У великій швидкості відновлення кисневого запасу, отже, у кращій пристосованості до тривалої м’язової активності — перевагу багатьох дрібних животных.

Митохондрии здатні використовуватиме синтезу АТФ як розщеплення глюкози. У тому матриксе містяться також ферменти, расщепляющие жирні кислоти. Особливістю цього циклу не є великою енергетичний вихід — 51 молекула АТФ кожну молекулу жирною кислоти. Невипадково ведмеді та інші тварини, впадаючи сплячку, запасають саме жири. Цікаво, що коли частина запасаемого жиру має в них буре колір. Такі жирові клітини містять безліч мітохондрій незвичного будівлі: їх внутрішні мембрани пронизані порами. Іони водню вільно проходять через ці пори, і синтез АТФ у клітинах бурого жиру немає. Уся енергія, вивільнювана у процесі кисневого розщеплення жирних кислот, виділяється у великого кількості тепла, зігрівального тварин під час довгої зимової спячки.

Бурый жир не перевищує 1−2% маси тіла, але підвищує виробництво тепла до 400 Вт за кожен кілограм ваги (теплопроизводство людини у стані спокою становить 1 Вт/кг). Запасають жир і верблюди. При постійному дефіциті вологи це подвійно вигідно, оскільки розщеплення жирів ще і багато воды.

Кроме глюкози і жирних кислот, мітохондрії здатні розщеплювати амінокислоти, але де вони — дороге паливо. Амінокислоти є важливим будівельний матеріал, їх організм синтезує свої білки. До того ж використання амінокислот для синтезу АТФ вимагає попереднього видалення аминогруппы NН2 із заснуванням токсичного аміаку. Бєлки і складові їх амінокислоти використовуються клітиною щоб одержати енергії лише у крайньому случае.

Этиловый спирт також має здатність використовуватися митохондриями для синтезу АТФ. Але спирт як «паливо «має для організму людини свої недоліки, постійне вживання алкоголю призводить до важким розладам, наприклад, до жировому переродженню печінки — циррозу.

Фотосинтез — перетворення енергії світла енергію хімічних связей

Автотрофные організми. На відміну від чоловіка і тварин, все зелені рослин та частина бактерій здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних сполук. Такий тип обміну речовин називається автотрофным (грецьк. autos сам + trophe їжа). Залежно від виду енергії, використовуваної автотрофами для синтезу органічних молекул, їх поділяють на фототрофов і хемотрофов. Фототрофы використовують енергію сонячного світла, а хемотрофы — хімічну енергію, высвобождающуюся при окислюванні ними різних неорганічних соединений.

Зеленые рослини є фототрофами. Їх хлоропласти містять хлорофіл, дозволяє рослинам здійснювати фотосинтез — перетворення енергії сонячного світла енергію хімічних зв’язків синтезованих органічних сполук. З усієї спектра сонячного випромінювання молекули хлорофілу поглинають червону і синю частина, а зелена складова сягає сітківки наших очей. Тому більшість рослин бачимо зелеными.

Для здійснення фотосинтезу рослини поглинають з атмосфери вуглекислий газ, та якщо з водоймищ і грунту — воду, неорганічні солі азоту NO та фосфору. Підсумкове рівняння фотосинтезу має досить просто:

6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6(глюкоза) + 6О2,.

но всім ж добре відомо, що з змішуванні вуглекислого газу й води глюкоза не утворюється. Фотосинтез — складний багатоступінчастий процес, для проходження якого необхідний як сонячне світло і хлорофіл, а й багато ферментів, енергія АТФ і молекулы-переносчики. Вирізняють дві фази фотосинтезу — світлову і темновую.

С в е т про в, а я ф, а із, а фотосинтезу починається з висвітлення рослин світлом. Сонячні фотони, передаючи свою енергію молекулі хлорофілу, переводять молекулу в порушена стан: її електрони, отримуючи додатковий енергію, переходять більш високі орбіти. Відрив таких порушених електронів може статися значна полегкість, ніж невозбужденных. Молекулы-переносчики захоплюють їх і переміщають в іншу бік мембрани тилакоида.

Молекулы хлорофілу заповнюють втрату електронів, відриваючи їхнього капіталу від молекул води. У результаті вода розщеплюється на протони і молекулярний кислород:

2Н2О — 4е = 4Н+ + О2.

Процесс розщеплення молекул води до молекулярного кисню, протонів і електронів під дією світла називають фотолизом. Молекулярний кисень легко дифундує крізь мембрани тилакоидов й виділяється у повітря. Протони нездатні до проникненню через мембрану і є внутри.

Таким чином, зовні мембрани накопичуються електрони, доставлені молекулами-переносчиками з порушених молекул хлорофілу, а всередині — протони, які утворилися внаслідок фотолиза води. Виникає різницю потенціалів. У мембрани тилакоидов хлоропласта, як і й у внутрішні мембрани мітохондрій, вмонтовані ферменты-синтетазы, здійснюють синтез АТФ. У молекулярну структуру синтетаз рослин також є каналец, з якого можуть відбуватися протони. При досягненні на мембрані критичної різниці потенціалів протони, ваблені силою електричного поля, протискуються по канальцу АТФ-синтетазы, витрачаючи енергію на синтез АТФ. З'єднуючись в інший боці мембрани з електронами, протони утворюють атомарний водород.

Фотосинтез в хлоропластах дуже ефективний: він надає за 30 я разів більше АТФ, ніж кисневий гліколіз в мітохондріях тієї ж растений.

Таким чином, під час світловий фази фотосинтезу відбуваються такі головні процеси: виділення у повітря вільного кисню, синтез АТФ й освіту атомарної водорода.

Протекание подальших реакцій може й у темряві, тому називається темновой фазы.

Т м зв про в, а я ф, а із а. Реакції цієї фази відбуваються у строме хлоропласта при участі атомарної водню і АТФ, які утворилися в світловий фазі, і навіть ферментів, відновлюють СО2 до простого цукру — триозы (глицеральдегида) — і синтезують з її глюкозу:

6СО2 + 24Н = С6Н12О6(глюкоза) + 6Н2О Для освіти однієї молекули глюкози потрібно 18 молекул АТФ. Комплекс реакцій темновой фази, здійснюваних ферментами (і коферментом НАД), називається циклу Кальвина.

Кроме глюкози, з триозы можуть синтезуватися жирні кислоти, амінокислоти тощо. Вуглеводи і жирні кислоти далі транспортуються в лейкопласты, де їх формуються запасні живильні речовини — крохмаль і жиры.

С настанням темряви рослини продовжують процес фотосинтезу, використовуючи запасенные на світу сполуки. Коли це запас вичерпується, припиняється і фотосинтез. У темній чорноті ночей рослини нагадують на кшталт обміну речовин тварин: вони поглинають кисень з атмосфери (дихають) і окисляют з допомогою його запасенные днем живильні речовини. На подих рослини використав 20−30 разів менша кисню, ніж виділяють у повітря у процесі фотосинтеза.

Количество енергії, виробленої рослинами, значно перевищує кількість тепла, выделяющегося під час спалювання всім населенням планети горючих з корисними копалинами. Щороку рослинність планети дає 200 млрд. т кисню і 150 млрд. тоннам органічних сполук, необхідних людини й животным.

Хемосинтез. Більшість бактерій позбавлені хлорофілу. Деякі є хемотрофами: для синтезу органічних речовин вони використовують не енергію світла, а енергію, высвобождающуюся при окислюванні неорганічних сполук. Такий спосіб отримання енергії і синтезу органічних речовин назвали хемосинтезом (грецьк. chemia хімія). Явище хемосинтезу відкрито в 1887 р. російським мікробіологом З. М. Виноградским.

Н тощо р і ф і ц і р у ю щ і е б, а до т е р й. У кореневищах рослин, головним чином, бобових, живуть особливі клубеньковые бактерії. Вони можуть засвоювати недоступний рослинам атмосферне азот і збагачувати грунт аміаком. Нитрифицирующие бактерії окисляют аміак клубеньковых бактерій до азотистої кислоти і далі — азотисту до азотної. Через війну рослини отримують солі азотної кислоти, необхідних синтезу амінокислот і азотистих оснований.

В про буд про р про буд зв и е б, а до т е р й також поширені у ґрунтах. Вони окисляют молекули водню, які утворюються внаслідок бескислородного окислення органічних останків різними микроорганизмами:

2Н2 + О2 = 2Н2О Ж е л е із про б, а до т е р й використовують енергію, высвобождающуюся при окислюванні двухвалентного заліза до трехвалентного (закисные солі до окисных).

С е р про б, а до т е р й живуть болотах і «харчуються «сірководнем. У результаті окислення сірководню виділяються необхідні для життєдіяльності бактерій енергія і накопичується сірка. При окислюванні сірки до сірчаної кислоти вивільняється ще частина енергії. Сумарний вихід енергії становить істотну величину — 666 кДж/моль. Дуже багато серобактерий живе в Чорному морі. Його води, починаючи з стометрової глибини, насичені сероводородом.

Гетеротрофный тип обміну речовин. Людина й тварини неспроможні синтезувати необхідні для життєдіяльності органічні речовини з неорганічних й змушені поглинати його з їжею. Такі організми називають гетеротрофами (грецьк. heteros інший). До гетеротрофам ставляться також більшість бактерій і гриби. Речовини, що надійшли з їжею, розкладаються в організмах тварин на прості вуглеводи, амінокислоти, нуклеотиди, у тому числі далі синтезуються високомолекулярні сполуки, необхідних конкретної істот у певній фазі життєвого циклу. Частина вчинили з їжею молекул розщеплюється до кінцевих продуктів, а высвобождающаяся енергія використовують у процесах життєдіяльності. Певний кількість енергії розсіюється як теплоти, яка є підтримки температури тела.

Многие одноклітинні водорості мають миксотрофное (змішане) харчування. На світу вони фотосинтезируют, а темряві переходять до фагоцитозу, тобто. стають гетеротрофами.

Пластический обмін. Біосинтез білків. Синтез і РНК

В процесах метаболізму реалізується спадкова інформація. Клітина синтезує ті речовини, що записані у її генетичної програмі. Кожній групі клітин притаманний свій комплекс хімічних сполук. У тому числі особливо для організму є белки.

Многие функції та ознаки організму визначаються її набором білків. Белки-ферменты розщеплюють їжу, визначають поглинання і виділення солей, синтезують жири й вуглеводи, виробляють багато інших біохімічних перетворень. Бєлки диктують кольору очей, зростання — словом, зовнішню специфічність організмів. Більшість білків, виконують одні й самі функції, трохи різні у особин однієї й тієї ж виду (приміром, білки груп крові). Та деякі однофункциональные білки може мати подібне будова у далеких груп організмів (приміром, інсулін собаки і человека).

В процесі життєдіяльності білкові молекули поступово руйнуються, втрачають свою структуру — денатурируют. Їх активність падає, і клітини заміняють їх новими. У організмах постійно відбувається синтез необхідних белков.

иосинтез білкових молекул — складний ферментативний процес, що починається в ядрі і який закінчується на рибосомах. Центральну функцію у ньому виконують носії генетичної інформації — нуклеїнові кислоти ДНК і РНК.

Генетический код. Послідовність нуклеотидів ДНК задає послідовність амінокислот в білках — їх первинну структуру. Молекули ДНК є матрицями для синтезу всіх белков.

Отрезок ДНК, що має інформацію про первинної структурі конкретного білка, називають геном. Відповідну послідовність нуклеотидів — генетичним кодом белка.

Идею у тому, що спадкова інформація записана на молекулярному рівні, а синтез білків йде з матричному принципу, вперше висловив ще 1920;х роках російський біолог М. До. Кольцов. Нині код ДНК повністю розшифровано. У цьому вся заслуга відомих учених: Р. Гамова (1954), і навіть Ф. Кріка, З. Очоа, М. Ниренберга, Р. Холи і Ко. Хорана (1961;65). Значна частина властивостей генетичного коду встановив англійський фізик Ф. Крік, досліджуючи бактериофагов.

К про буд т р і п л е т е зв. Кожна амінокислота в генетичному коді задається послідовністю трьох нуклеотидів — триплетом, чи кодоном. Різноманітних нуклеотидів в ДНК чотири, отже, теоретично можливих кодонов — 64 (43). Більшості амінокислот відповідає від 2 до 6 кодонов — код, як кажуть, вырожден. Чим частіше амінокислота є у білках, тим, як правило, великою кількістю кодонов вона кодується. Решта три кодона разом із кодоном метіоніну (АУГ) служать знаками препинания при зчитуванні інформації — вказують початок і поклала край матриць конкретних білків. Якщо білок має низку полімерних ланцюгів (їхнім виокремленням окремі глобулы), то розділові знаки виділяють полипептидные ланки. Зчитування кожної ланки відбувається безупинно, без знаків препинания і перепусток — триплет за триплетом.

К про буд про буд зв про із зв, а год е зв. Крім триплетности, генетичного коду наділений поруч інших характерних властивостей. Його кодоны не перекриваються, кожен кодон починається з нового нуклеотида, і жоден нуклеотид неспроможна прочитуватися двічі. Будь-який кодон відповідає лише однієї аминокислоте.

К про буд у зв й у е р з, а л е зв. Генетичному коду властива універсальність для всіх організмів Землі. Однакові амінокислоти кодуються одними й тими самими триплетами нуклеотидів у бактерій і слонів, водоростей і жабок, черепах і коней, птахів та навіть людини. Кілька відрізняються (на 1−5 кодонов) лише коди мітохондрій деяких організмів, низки дріжджів і бактерий.

Ошибка хоча в одному триплете призводить до серйозних порушень в організмі. У хворих серповидной анемією (їх еритроцити мають не дискову, а серповидну форму) з 574 амінокислот білка гемоглобіну одна амінокислота замінена другий — у двох місцях. Через війну білок має змінену третинну і четвертичную структуру. Перервана геометрія активного центру, присоединяющего кисень, Демшевського не дозволяє гемоглобину ефективно справлятися зі своїм завданням — пов’язувати кисень в легень і постачати їм клітини организма.

Транскрипция. Синтез білка відбувається у цитоплазмі на рибосомах. Генетичну інформацію з хромосом ядра доречно синтезу переносять иРНК:

ДНК — і РНК — белок

Информационная РНК синтезується на відрізку одній з ниток ДНК як у матриці, яке береже інформацію про первинної структурі конкретного білка чи групи білків, виконують одну функцію. У основі синтезу лежить принцип комплементарності: навпаки Цднк постає Грнк, навпаки Гднк — Црнк, навпаки Аднк — Урнк, навпаки Тднк — Арнк. Потім мономерные ланки зв’язуються в полімерну ланцюг. Таким чином, иРНК стає точної копією другий нитки ДНК (з урахуванням заміни ТУ). Молекула иРНК має одноцепочечную структуру, вона у в сотні разів коротше ДНК.

Процесс перенесення генетичної інформації на синтезируемую иРНК називається транскрипції. Перед початком кожного гена чи групи однофункциональных генів розташована послідовність нуклеотидів, звана ініціатором (містить кодон АУГ). У цьому послідовності є ділянку (промотор) приєднання ферменту РНК-полімерази, здійснює транскрипцію. Полимераза розпізнає промотор завдяки хімічному спорідненості. Наприкінці матриці синтезу перебуває стоп-кодон (одне із трьох в таблиці), чи терминатор.

В ході транскрипції РНК-полимераза комплексно коїться з іншими ферментами розриває водневі зв’язок між азотистими підставами двох ниток ДНК, частково розкручує ДНК і робить синтез иРНК за принципом комплементарності. На однієї ДНК «працюють «відразу кількох полимераз.

Готовая молекула иРНК після невеличкий перебудови пов’язується в Маріїнський комплекс зі спеціальними білками, і транспортується ними через ядерну оболонку на рибосоми. Ці білки виконують і той функцію — а иРНК від дії різних ферментів цитоплазми. У прокариотической клітині ДНК не відділена цитоплазми, і синтез білків рибосоми починають ще під час транскрипции.

Транспортные РНК. Необхідні для синтезу білків амінокислоти завжди є у складі цитоплазми. Вони у процесі розщеплення лизосомами білків. Транспортні РНК пов’язують амінокислоти, доставляють їх у рибосоми і виробляють точну просторову орієнтацію амінокислот на рибосоме.

Рассмотрим пристрій тРНК, що дозволяє їй успішно виконувати свої складні функції. У ланцюжку, що з 70−90 ланок, є 4 пари комплементарных відрізків з 4−7 нуклеотидів — А, Б, У і Р. Комплементарные ділянки зв’язуються водневими зв’язками попарно (як і молекулі ДНК). Через війну нитку тРНК «злипається «чотири місцях із заснуванням петлистой структури, нагадує лист конюшини. У верхівці «аркуша «розташовується триплет, код якого комплементарен кодону иРНК, відповідному транспортованої амінокислоті. Тож якщо в иРНК код амінокислоти валина ГУГ, то, на вершині валиновой тРНК йому відповідатиме триплет ЦЯЦЮ. Комплементарний триплет в тРНК називають антикодоном.

Специальный фермент розпізнає антикодон тРНК, приєднує до «черешку аркуша «певну амінокислоту (у нашій прикладі — валин), і далі тРНК переміщає її до рибосоме. Кожна тРНК транспортує тільки своє аминокислоту.

Синтез білкової ланцюга на рибосоме

Матричные процеси становлять основу здібності живих організмів до відтворення. У клітинному ядрі відбувається подвоєння ДНК. Нова молекула відтворюється на матриці давньої і є її на точну копію. Інформаційна РНК синтезується на матриці ДНК як точної копії однієї з ділянок ДНК. Далі на матриці иРНК відбувається синтез белков.

Трансляция. Переклад послідовності нуклеотидів иРНК в послідовність амінокислот синтезованих білків називають трансляцией.

В активному центрі рибосоми розміщуються два триплета иРНК і дві тРНК. Рибосома переміщається по иРНК не плавно, а переривчасто, триплет за триплетом. На кожен крок приєднується нова амінокислота. Транспортні РНК переміщаються зі своїми амінокислотою до рибосоме і «приміряють «свій антикодон до чергової кодону иРНК, що у активному центрі (комплементарные нуклеотиди добре підходять одна одній, з-поміж них виникають водневі зв’язку). Якщо антикодон не комплементарних, то тРНК видаляється в цитоплазму решти рибосомам. Якщо ж вона виявляється комплементарних, то тРНК приєднується до кодону водневими связями.

Далее особливий фермент рибосоми під'єднує синтезируемую полипептидную ланцюг до «що прибула «амінокислоті. Її транспортна РНК продовжує утримувати всю формирующуюся білкову ланцюг на кодоне иРНК до приходу наступній тРНК. Звільнена тРНК переміщається в цитоплазму «до пошуку «амінокислот. Рибосома перескакує наступного року триплет иРНК, та інформаційний процес повторюється. Інтервал між перескакиваниями триває трохи більше 1/5 — 1/6 з, а вся трансляція середнього білка — 1−2 минуты.

На однієї нитки иРНК «трудяться «відразу кількох рибосом. На иРНК, що містить інформацію про білці гемоглобіні, розміщається до 5 рибосом, на деяких інших иРНК — до 20 рибосом. Коли активному центрі рибосоми виявляється одне із трьох триплетов, які кодують розділові знаки між генами, синтез білка завершается.

Освободившаяся рибосома вирушає в іншу иРНК. Рибосоми універсальні і може синтезувати поліпептиди за якою матриці иРНК. Субъединицы рибосом з'єднуються лише синтезу білка, по закінченні синтезу вони знову разъединяются.

Сворачивание в спіраль і придбання третинної структури іде за рахунок мері синтезу білкової ланцюга, тому найчастіше неможливо відновлення денатурированных білків зі складною просторової структурою, навіть якщо їх первинна структура збережена. Згортання білкової ланцюга цілої молекули відбувається інакше, і білок виявляється неактивным.

Многие білки — наприклад, травні ферменти — дуже активні і здатні перетравити саму клітину, тому синтезовані молекули білків відразу потрапляють у эндоплазматическую мережу (до мембрани якої прикріплено синтезирующие білки рибосоми) і з її каналам переміщаються до комплексу Гольджи, як від нього на той ділянку клітини чи ті частини організму, де потрібно цей вид білків. Синтез небілкових сполук клітина здійснює удвічі етапу. Спочатку рибосоми виробляють трансляцію специфічного белка-фермента. Потім за його участі утворюється молекула необхідного сполуки — вуглеводу, жирів тощо. Подібним чином синтезуються та інші сполуки: вітаміни, небілкові гормони і пр.

Процесс синтезу білків вимагає витрат великої кількості специфічної енергії АТФ, яку можна замінити іншим джерелом. Лише на самій приєднання кожної амінокислоти до тРНК витрачається енергія однієї молекули АТФ, а середньому білці 400−500 амінокислот. Загальна кількість затрачиваемой енергії значно перевищує сумарну хімічну енергію які виникають пептидних перетинів поміж молекулами амінокислот. Через це білки рідко використовуються клітиною як палива: дуже великі видатки їх изготовление.

Регуляция транскрипції і трансляції. Клітини різних тканин живих організмів сильно відрізняються одна від друга за будовою і функцій, але вони походять від єдиною зиготи (заплідненої яйцеклітини) внаслідок багаторазового деления.

Перед кожним актом розподілу ДНК реплицируется на два точні копії. Вченим удалося експериментально довести, що диференційовані клітини організму мають однаковий набір ДНК, не втрачаючи жодній із його частин у процесі делений.

В 1958 р. Ф. Стюарт вперше виростив з єдиною клітини дорослої моркви ціле рослина. У 1968 р. Дж. Гордону вдалося пересадити ядра з клітин кишечника пуголовка в яйцеклітини жаби, позбавлені власних ядер, і виростити їх нормальних жаб. Отже, клітини всіх тканин організму мають і той ж набір генів, те інформацію про будову белков.

Однако клітини кожної тканини виробляють свої білки, свої ферменти. Гемоглобін утворюється лише у еритроцитах, білковий гормон зростання синтезується лише у клітинах гіпофізу, зоровий білок опсин — у клітинах сітківки очі, а інсулін — в клітинах підшлункової железы.

Такое розмаїтість іде за рахунок причини те, що клітини кожної тканини реалізують тільки своє частина інформації ДНК. У різних клітинах відбувається транскрипція різних ділянок ДНК, синтезуються різні иРНК, якими відтворюються різні білки. Понад те, специфічні для клітин білки проводять все відразу, а, по мері необхідності. У організмах є дивовижно точні механізми «включення «і «вимикання «генів різними етапах життєвого циклу клітини від неї появи до деления.

Геном эукариот влаштований набагато складніше геному прокариот. Це з збільшенням складності регуляції генетичних процесів, а чи не зі збільшенням кількості структурних білків і ферментів. У клітинах високорозвинених організмів лише 10% всіх генів відповідальні за синтез ферментів і структурних білків, інші 90% становлять «адміністративний апарат «клетки.

Кроме того, існують системи, регулюючі синтез речовин, у організмі як єдиному цілому. У клітинах залоз внутрішньої секреції виробляються гормони, які розносяться з кров’ю з усього тілу. Ці гормони регулюють процеси синтезу иРНК і трансляцію саме в клітинах, котрим вони призначені. На поверхні мембрани клітин є рецептори для «своїх «гормонів. Зв’язуючись з рецепторами, гормони управляють активністю різних систем клітини, регулюючих обмін. Через війну може змінюватися як транскрипція конкретних генів, і синтез білків на рибосомах.

Даже синтезовані иРНК можуть довгий час не транслюватися, якщо ні «команди «від гормонів. Кожен гормон через певні системи клітин активує свої гени. Так, адреналін сигналізує на синтез ферментів, расщепляющих глікоген до глюкози, інтенсивно споживаної м’язами при фізичної навантаженні. Інсулін виконує зворотний функцію, бере участь у синтезі глікогену з глюкози у клітинах печени.

Как транскрипція, і трансляція можуть придушуватися різними хімічними речовинами, що відносяться до класу антибіотиків (грецьк. anti проти + bios життя). Наприклад, еритроміцин і стрептоміцин придушують синтез білка на рибосомах інфекційних бактерій, а бліда поганка містить речовина, переважна функціонування РНК-полімерази людини. Припинення полимеразой синтезу иРНК призводить до надзвичайно тяжким последствиям.

Подведем підсумки. У відтворенні білків живими істот бере участь ДНК, інформаційна РНК, транспортні РНК для 20 амінокислот (всього 61, за кількістю кодонов), рибосоми, які з кількох рибосомних РНК (3 у прокариот і 4 у эукариот) і десятків різних молекул білка, і навіть ціле пасмо ферментів. Для здійснення синтезу однієї білкової молекули необхідний тонкий, специфічний підвід енергії у вигляді більш як 1000 молекул АТФ. Практично вся клітина бере участь у синтезі, порушення будівлі хоча самого з компонентів порушує процес відтворення білкових молекул.

Для сучасних учених чудовий сам собою факт функціонування складної системи в організмі. Доведено абсолютна неможливість самоосвіти молекул РНК і навіть її простіший складової — рибозы. Можливість ж самоскладання білків в гіпотетичному первісному океані у разі виникнення у ньому життя кваліфіковані біохіміки цілком виключають. Так пізнання внутрішньоклітинних процесів схиляє до думки про богосотворенности світу і наближає нас до очевидності Божого бытия.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet.