Метаболізм як основа життєдіяльності клітини

Вертьянов С. Ю.

Під метаболізмом розуміють постійно відбувається в клітинах живих організмів обмін речовин і енергії. Одні сполуки, виконавши свою функцію, стають непотрібними, в інших виникає нагальна потреба. У різних процесах метаболізму з простих речовин при участі ферментів синтезуються високомолекулярні сполуки, в свою чергу складні молекули розщеплюються на простіші.

Реакції біологічного синтезу називаються анаболічними (грец. anabole підйом), а їх сукупність в клітині - анаболізму, або пластичним обміном (грец. plastos виліплений, створений).

В клітці протікає величезну кількість процесів синтезу: ліпідів у ендоплазматичної мережі, білків на рибосомах, полісахаридів в комплексі Гольджі еукаріот і в цитоплазмі прокаріотів, вуглеводів в пластидах рослин. Структура синтезованих макромолекул має видовий та індивідуальною специфічністю. Набір характерних для клітини речовин відповідає послідовності нуклеотидів ДНК, що складають генотип. Для забезпечення реакцій синтезу клітці потрібні істотні витрати енергії, яку отримують при розщепленні речовин.

Сукупність реакцій розщеплення складних молекул на простіші носить назву катаболізму (грец. katabole руйнування), або енергетичного обміну. Прикладами таких реакцій є розщеплення ліпідів, полісахаридів, білків і нуклеїнових кислот у лізосомах, а також простих вуглеводів і жирних кислот в мітохондріях.

В результаті процесів катаболізму вивільняється енергія. Істотна її частина запасається у вигляді високоенергетичних хімічних зв'язків АТФ. Запаси АТФ дозволяють організму швидко й ефективно забезпечувати різні процеси життєдіяльності.

Молекули білків функціонують в організмі від кількох годин до декількох днів. За цей період у них накопичуються порушення, і білки стають непридатними для виконання своїх функцій. Вони розщеплюються і замінюються на знову синтезуються. Вимагають постійного оновлення і самі клітинні структури.

Пластичний та енергетичний обміни нерозривно взаємозв'язані. Процеси розщеплення здійснюють енергетичне забезпечення процесів синтезу, а також постачають необхідні для синтезу будівельні речовини. Правильний обмін речовин підтримує сталість хімічного складу біологічних систем, їх внутрішнього середовища. Здатність організмів зберігати внутрішні параметри незмінними носить назву гомеостазу. Процеси метаболізму відбуваються в Згідно з генетичною програмою клітини, реалізуючи її спадкову інформацію.

Енергетичний обмін у клітині. Синтез АТФ

Людина і тварини отримують енергію за рахунок окислення органічних сполук, що надходять з їжею. Біологічне окислення речовин - це, по суті, повільне горіння. Кінцеві продукти згоряння дров (целюлози) - вуглекислий газ і вода. Повне окислення органічних речовин (вуглеводів і ліпідів) в клітинах також відбувається до води і вуглекислого газу. На відміну від горіння, процес біологічного окислення відбувається поступово. Вивільняє енергію також поступово запасається у вигляді хімічних зв'язків синтезованих сполук. Деяка її частина розсіюється в клітинах, підтримуючи необхідну для життєдіяльності температуру.

Синтез АТФ відбувається головним чином у мітохондріях (у рослин ще й у хлоропластах) і забезпечується в основному енергією, що виділяється при розщепленні глюкози, але можуть використовуватися і інші прості органічні сполуки - цукру, жирні кислоти та ін

гліколізу. Процес розщеплення глюкози в живих організмах носить назву гліколізу (грец. glykys солодкий + lysis розщеплення). Розглянемо основні його етапи.

На перше, попередній стадії в лізосомах відбувається утворення простих органічних молекул шляхом розщеплення ди-і полісахаридів. Виділяється при це невелика кількість енергії розсіюється у вигляді тепла.

Другий етап гліколізу відбувається в цитоплазмі без участі кисню і називається анаеробним (безкисневі - грец. ana без + aer повітря) гліколізу - неповним окисленням глюкози без участі кисню.

безкисневому гліколіз являє собою складний багатоступеневий процес з десяти послідовних реакцій. Кожна реакція каталізується спеціальним ферментом. У підсумку глюкоза розщеплюється до піровиноградної кислоти (ПВК):

С6Н12О6 (глюкоза) + 2Н3РО4 + 2АДФ = 2С3Н4О3 (ПВК) + 2АТФ + 2Н2О

Глюкоза в цьому процесі не тільки розщеплюється, а й окислюється (втрачає атоми водню). У м'язах людини і тварин дві молекули ПВК, набуваючи атоми водню, відновлюються на молочну кислоту С3Н6О3. Цим же продуктом закінчується гліколіз у молочнокислих бактерій і грибків, що застосовується для приготування кислого молока, кислого молока, кефіру, а також при силосуванні кормів у тваринництві. Процес перетворення ПВК в клітинах мікроорганізмів і рослин в стійкі кінцеві продукти називають бродінням.

Так, дріжджові грибки розщеплюють ПВК на етиловий спирт і вуглекислий газ. Цей процес, званий спиртовим бродінням, використовують для приготування квасу, пива та вина. Бродіння інших мікроорганізмів завершується утворенням ацетону, оцтової кислоти і т.д.

Головним результатом анаеробного гліколізу в усіх організмах є утворення двох молекул АТФ. Що вивільняється при розщепленні глюкози енергія щодо невелика - 200 кДж/моль. Високоенергетичних зв'язку АТФ запасають 40% цієї величини. Решта 60% розсіюються у вигляді тепла. Основний вихід енергії і молекул АТФ відбувається на третьому, кисневому етапі гліколізу, що зветься ще аеробним диханням.

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

Молекули ПВК під дією ферментів (і коферменту НАД - нікотінамідаденіндінуклеотіда) поетапно окисляються спочатку до оцтової кислоти, а потім, у так званому циклі Кребса (або трикарбонових кислот), до вуглекислого газу і води (повільне горіння). В процесі окислення утворюються складні молекулярні з'єднання з приєднаними до них атомами водню. Молекули-переносники підхоплюють і переміщують електрони цих атомів з довгого ланцюга ферментів від одного до іншого. На кожному кроці електрони вступають в окислювально-відновні реакції і віддають свою енергію, яка йде на переміщення протонів на зовнішню сторону внутрішньої мембрани мітохондрії.

В результаті залишилися протони і переміщені електрони виявляються на різних сторонах внутрішньої мембрани. На мембрані створюється різниця потенціалів.

Фермент, синтезує АТФ (АТФ-синтетазу), вбудований у внутрішню мембрану по всій її товщині. Цей фермент має характерну особливість: невеликий каналець в молекулярній структурі. При накопиченні на мембрані різниці потенціалів приблизно в 200 мВ іони Н + починають протискуватися через каналець в молекулі АТФ-синтетази. У процесі енергійного просування іонів через фермент відбувається синтез АТФ з АДФ за участю фосфорної кислоти.

В хімічних реакціях кисневого гліколізу звільняється велика кількість енергії - 2600 кДж/моль. Істотна її частина (55%) запасається в високоенергетичних зв'язках утворюються молекул АТФ. Решта 45% розсіюються у вигляді тепла (тому при виконанні фізичної роботи нам жарко). Підсумкове рівняння кисневої стадії виглядає наступним чином:

2С3Н6О3 (молочн.кіслота) + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ

Таким чином, кисневе розщеплення різко збільшує ефективність енергетичного обміну й відіграє основну роль у акумулюванні енергії. Якщо гліколіз без участі кисню дає тільки 2 молекули АТФ, то кисневий гліколіз забезпечує синтез 36 молекул АТФ. У результаті в повному циклі гліколізу на кожну молекулу глюкози утворюється 38 молекул АТФ.

При середньодобових енергетичних витрат у 10 тис. кДж в організмі людини щоденно синтезується близько 170 кг АТФ, а міститься лише близько 50 г АТФ, отже, поновлення запасу відбувається з частотою 3400 раз на добу!

При інтенсивної фізичної праці клітини організму не встигають насититися киснем, і розщеплення глюкози обмежується безкисневі гліколізу. У результаті швидко накопичується молочна кислота - токсична для нервових і м'язових клітин з'єднання (згадаємо м'язові болі після важкої роботи). Поява молочної кислоти збуджує дихальний центр і змушує нас посилено дихати. Насичення клітин киснем дозволяє організму відновити процес кисневого розщеплення, що забезпечує необхідну кількість енергії у вигляді молекул АТФ. Настає "друге дихання". Гепарда після інтенсивного бігу потрібно тривалий відпочинок, часом вони виявляються не в змозі захистити свою здобич від менш сильних хижаків. У великій швидкості відновлення кисневого запасу, а значить, в кращій пристосованості до тривалої м'язової активності - перевага багатьох дрібних тварин.

Мітохондрії здатні використовувати для синтезу АТФ не тільки розщеплення глюкози. В їх матриксі містяться також ферменти, що розщеплюють жирні кислоти. Особливістю цього циклу є великий енергетичний вихід - 51 молекула АТФ на кожну молекулу жирної кислоти. Не випадково ведмеді та інші тварини, впадаючи в сплячку, запасають саме жири. Цікаво, що частина запасається жиру має у них бурий колір. Такі жирові клітини містять безліч мітохондрій незвичайного будови: їх внутрішні мембрани пронизані порами. Іони водню вільно проходять через ці пори, і синтез АТФ у клітинах бурого жиру не відбувається. Вся енергія, що звільняються в процесі кисневого розщеплення жирних кислот, виділяється у вигляді великої кількості тепла, зігріває тварин під час довгої зимової сплячки.

Бурий жир становить не більше 1-2% маси тіла, але підвищує виробництво тепла до 400 Вт на кожний кілограм ваги (теплопроізводство людини в стані спокою складає 1 Вт/кг). Запасають жир, верблюди. При постійному дефіциті вологи це подвійно вигідно, оскільки розщеплення жирів дає ще й велику кількість води.

Крім глюкози і жирних кислот, мітохондрії здатні розщеплювати амінокислоти, але вони -- дороге паливо. Амінокислоти є важливим будівельним матеріалом, з них організм синтезує свої білки. До того ж використання амінокислот для синтезу АТФ вимагає попереднього видалення аміногрупи NН2 з утворенням токсичного аміаку. Білки та їх складові амінокислоти використовуються клітиною для отримання енергії лише в крайньому випадку.

Етиловий спирт теж може використовуватися мітохондріями для синтезу АТФ. Але спирт як "паливо" має для організму людини свої недоліки, постійне вживання алкоголю призводить до тяжких розладів, наприклад, до жирового переродження печінки - цирозу.

Фотосинтез - перетворення енергії світла в енергію хімічних зв'язків

автотрофні організми. На відміну від людини і тварин, всі зелені рослини і частина бактерій здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних з'єднань. Такий тип обміну речовин називається автотрофними (грец. autos сам + trophe їжа). Залежно від виду енергії, яка використовується для автотрофи синтезу органічних молекул, їх ділять на фототрофів і хемотрофов. Фототрофів використовують енергію сонячного світла, а хемотрофи - хімічну енергію, вивільняється при окисленні ними різних неорганічних сполук.

Зелені рослини є фототрофів. Їх хлоропласти містять хлорофіл, що дозволяє рослинам здійснювати фотосинтез - перетворення енергії сонячного світла в енергію хімічних зв'язків синтезованих органічних сполук. З усього спектра сонячного випромінювання молекули хлорофілу поглинають червону і синю частина, а зелена складова досягає сітківки наших очей. Тому більшість рослин ми бачимо зеленими.

Для здійснення фотосинтезу рослини поглинають з атмосфери вуглекислий газ, а з водойм і грунту - воду, неорганічні солі азоту та фосфору. Підсумкове рівняння фотосинтезу виглядає досить просто:

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

але всім добре відомо, що при змішуванні вуглекислого газу і води глюкоза НЕ утворюється. Фотосинтез - складний багатоступінчастий процес, для проходження якого необхідний не тільки сонячне світло і хлорофіл, але і ряд ферментів, енергія АТФ і молекули-переносники. Виділяють дві фази фотосинтезу - світлову та темнова.

З г о т о в а я ф а з а фотосинтезу починається з освітлення рослин світлом. Сонячні фотони, передаючи свою енергію молекулі хлорофілу, переводять молекулу в збуджений стан: її електрони, отримуючи додаткову енергію, переходять на більш високі орбіти. Відрив таких збуджених електронів може відбуватися значно легше, ніж не збудженому. Молекули-переносники захоплюють їх і переміщують на іншу сторону мембрани тилакоїди.

Молекули хлорофілу заповнюють втрату електронів, відриваючи їх від молекул води. У результаті вода розщеплюється на протони і молекулярний кисень:

2Н2О - 4е = 4Н + + О2

Процес розщеплення молекул води до молекулярного кисню, протонів і електронів під дією світла називають фотоліз. Молекулярний кисень легко дифундує крізь мембрани тилакоїдів і виділяється в атмосферу. Протони нездатні до проникнення через мембрану і залишаються всередині.

Таким чином, зовні мембрани накопичуються електрони, доставлені молекулами-переносниками з збуджених молекул хлорофілу, а всередині - протони, що утворилися в результаті фотолізу води. Виникає різниця потенціалів. У мембрани тилакоїдів хлоропласта, так само як і у внутрішні мембрани мітохондрій, вбудовані ферменти-синтетази, що здійснюють синтез АТФ. У молекулярній структурі синтетаз рослин також є каналець, через який можуть проходити протони. При досягненні на мембрані критичної різниці потенціалів протони, їх вабить силою електричного поля, протискуваються канальці АТФ-синтетази, витрачаючи енергію на синтез АТФ. З'єднуючись на інший стороні мембрани з електронами, протони утворюють атомарний водень.

Фотосинтез в хлоропластах досить ефективний: він дає в 30 разів більше АТФ, ніж кисневий гліколіз в мітохондріях тих самих рослин.

Таким чином, під час світлової фази фотосинтезу відбуваються наступні головні процеси: виділення в атмосферу вільного кисню, синтез АТФ і освіта атомарного водню.

Перебіг подальших реакцій може відбуватися і в темряві, тому носить назву темнової фази.

Т е м н о в а я ф а з а. Реакції цієї фази відбуваються в стромі хлоропласта при участю атомарного водню і АТФ, що утворилися в світловий фазі, а також ферментів, які відновлюють СО2 до простого цукру - триозы (гліцеральдегіда) - І синтезують з неї глюкозу:

6СО2 + 24Н = С6Н12О6 (глюкоза) + 6Н2О

Для утворення однієї молекули глюкози потрібно 18 молекул АТФ. Комплекс реакцій темнової фази, що здійснюються ферментами (і коферментом НАД), носить назву циклу Кальвіна.

Крім глюкози, з триозы можуть синтезуватися жирні кислоти, амінокислоти та ін Вуглеводи і жирні кислоти далі транспортуються в лейкопласти, де з них формуються запасні поживні речовини - крохмаль і жири.

З настанням темряви рослини продовжують процес фотосинтезу, використовуючи запасені на світлі з'єднання. Коли цей запас вичерпується, припиняється і фотосинтез. У нічній темряві рослини нагадують за типом обміну речовин тварин: вони поглинають кисень з атмосфери (дихають) і окислюють за допомогою його запасені вдень поживні речовини. На дихання рослини використовують в 20-30 разів менше кисню, ніж виділяють в атмосферу в процесі фотосинтезу.

Кількість енергії, що виробляється рослинами, значно перевищує кількість тепла, що виділяється при спалюванні всім населенням планети горючих корисних копалин. Щорічно рослинність планети дає 200 млрд. т кисню і 150 млрд. т органічних сполук, необхідних людині і тваринам.

Хемосинтез. Більшість бактерій позбавлені хлорофілу. Деякі з них є хемотрофамі: для синтезу органіческіх речовин вони використовують не світлої енергії, а енергію, вивільняється при окисленні неорганічних сполук. Такий спосіб отримання енергії та синтезу органічних речовин назвали хемосинтезу (грец. chemia хімія). Явище хемосинтезу відкрито в 1887 р. російським мікробіологом С. Н. Виноградським.

Н і т р и ф і ц и р у ю щ и е б а к т о р і ї. У кореневищах рослин, головним чином, бобових, живуть особливі клубенькові бактерії. Вони здатні засвоювати недоступний рослинам атмосферний азот і збагачувати грунт аміаком. Нітріфіцірующіе бактерії окислюють аміак бульбочкових бактерій до азотистої кислоти і далі - азотистих до азотної. В результаті рослини отримують солі азотної кислоти, необхідні для синтезу амінокислот і азотистих основ.

В о д о р о д н и е б а к т е р і і також широко поширені в грунтах. Вони окислюють молекули водню, що утворюються в результаті безкисневого окислення органічних останків різними мікроорганізмами:

2Н2 + О2 = 2Н2О

Ж е л е з о б а к т е р і і використовують енергію, що вивільняється при окисленні двовалентного заліза до тривалентного (закісние солі до окисних).

З е р о б а к т е р і і мешкають в болотах і "харчуються" сірководнем. У результаті окислення сірководню виділяється необхідна для життєдіяльності бактерій енергія і накопичується сірка. При окисленні сірки до сірчаної кислоти вивільняється ще частину енергії. Сумарний вихід енергії становить суттєву величину - 666 кДж/моль. Величезна кількість серобактерій мешкає в Чорному морі. Його води, починаючи із стометрової глибини, насичені сірководнем.

гетеротрофних тип обміну речовин. Людина і тварини не здатні синтезувати необхідні для життєдіяльності органічні речовини з неорганічних і змушені поглинати їх з їжею. Такі організми називають гетеротрофи (грец. heteros інший). До гетеротрофи відносяться також більшість бактерій і гриби. Речовини, надійшли з їжею, розкладаються в організмах тварин на прості вуглеводи, амінокислоти, нуклеотиди, з яких далі синтезуються високомолекулярні сполуки, необхідні для конкретного виду істот в конкретній фазі життєвого циклу. Частина надійшли з їжею молекул розщеплюється до кінцевих продуктів, а вивільняється енергія використовується в процесах життєдіяльності. Деяка кількість енергії розсіюється у вигляді теплоти, служить для підтримки температури тіла.

Багато одноклітинні водорості мають міксотрофное (змішане) харчування. На світлі вони фотосинтезуючі, а в темряві переходять до фагоцитозу, тобто стають гетеротрофів.

Пластичний обмін. Біосинтез білків. Синтез і РНК

В процесах метаболізму реалізується спадкова інформація. Клітка синтезує тільки ті речовини, які записані в її генетичній програмі. Кожній групі клітин властивий свій комплекс хімічних сполук. Серед них особливо важливими для організму є білки.

Багато функції й ознаки організму визначаються його набором білків. Білки-ферменти розщеплюють їжу, відповідають за поглинання і виділення солей, синтезують жири і вуглеводи, роблять безліч інших біохімічних перетворень. Білки визначають колір очей, ріст - словом, зовнішню специфічність організмів. Більшість білків, що виконують ті ж функції, трохи різні навіть у особин одного й того ж виду (наприклад, білки груп крові). Але деякі однофункційні білки можуть мати подібну будову у далеких груп організмів (наприклад, інсулін собаки і людини).

В процесі життєдіяльності білкові молекули поступово руйнуються, втрачають свою структуру - денатурують. Їх активність падає, та клітини замінюють їх новими. У організмах постійно відбувається синтез необхідних білків.

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

Генетичний код. Послідовність нуклеотидів ДНК задає послідовність амінокислот у білках - їх первинну структуру. Молекули ДНК є матрицями для синтезу всіх білків.

Відрізок ДНК, що несе інформацію про первинну структуру конкретного білка, називають геном. Відповідну послідовність нуклеотидів - генетичним кодом білка.

Ідею про те, що спадкова інформація записана на молекулярному рівні, а синтез білків йде по матричному принципом, вперше висловив ще в 1920-х роках російська біолог Н. К. Кольцов. В даний час код ДНК повністю розшифровано. У цьому заслуга відомих вчених: Г. Гамова (1954), а також Ф. Крику, С. Очоа, М. Ніренбергом, Р. Холі і К. Хора (1961-65). Значну частину властивостей генетичного коду встановив англійський фізик Ф. Крик, досліджуючи бактеріофагів.

До о д т р и п л е т е н. Кожна амінокислота в генетичному коді задається послідовністю трьох нуклеотидів - кодонів, або кодоном. Різних нуклеотидів в ДНК чотири, отже, теоретично можливих кодонів - 64 (43). Більшості амінокислот відповідає від 2 до 6 кодонів - код, як кажуть, виродилися. Чим частіше амінокислота зустрічається в білках, тим, як правило, великим числом кодонів вона кодується. Решта три кодону разом з кодоном метіоніну (Ауг) служать знаками пунктуації при зчитуванні інформації -- вказують початок і кінець матриць конкретних білків. Якщо білок має кілька полімерних ланцюгів (утворюють окремі глобули), то знаки пунктуації виділяють поліпептидні ланки. Зчитування кожної ланки відбувається безперервно, без розділових знаків і пропусків - триплет за кодонів.

До о д о д н о з н а ч е н. Крім тріплетності, генетичний код наділений поруч інших характерних властивостей. Його кодони не перекриваються, кожен кодон починається з нового нуклеотиду, і ні один нуклеотид не може прочитуватися двічі. Будь-який кодон відповідає тільки однієї амінокислоті.

До о д у н і в е р з а л е н. Генетичним кодом властива універсальність для всіх організмів на Землі. Однакові амінокислоти кодуються одними і тими ж триплету нуклеотидів у бактерій і слонів, водоростей і жаб, черепах і коней, птахів і навіть людини. Кілька відрізняються (на 1-5 кодонів) тільки коди мітохондрій деяких організмів, ряду дріжджів і бактерій.

Помилка хоча б в одному триплети призводить до серйозних порушень в організмі. У хворих серповидної анемією (їх еритроцити мають не дискову, а серповидну форму) з 574 амінокислот білка гемоглобіну одна амінокислота замінена іншою в двох місцях. В результаті білок має змінену третинну і четвертинних структуру. Порушена геометрія активного центру, що приєднується кисень, не дозволяє гемоглобіну ефективно справлятися зі своїм завданням - зв'язувати кисень у легенів і постачати їм клітини організму.

Транскрипція. Синтез білка відбувається в цитоплазмі на рибосомах. Генетичну інформацію від хромосом ядра до місця синтезу переносять іРНК:

ДНК - і РНК - білок

Інформаційна РНК синтезується на відрізку однієї з ниток ДНК як на матриці, що зберігає інформацію про первинну структуру конкретного білка або групи білків, виконують одну функцію. В основі синтезу лежить принцип комплементарності: навпроти Цднк встає Грнк, навпаки Гднк - Црнк, навпаки Аднк - Урнк, навпаки Тднк - Арнк. Потім мономірні ланки зв'язуються в полімерну ланцюг. Таким чином, іРНК стає точною копією другої нитки ДНК (з урахуванням заміни Т-У). Молекула іРНК має одноланцюжкові структуру, вона в сотні разів коротше ДНК.

Процес перенесення генетичної інформації на синтезованих іРНК носить назву транскрипції. Перед початком кожного гена або групи однофункційні генів розташована послідовність нуклеотидів, яка називається ініціатором (містить кодон Ауг). У цій послідовності є ділянка (промотор) для приєднання ферменту РНК-полімерази, що здійснює транскрипцію. Полімераза розпізнає промотор завдяки хімічному спорідненості. Наприкінці матриці синтезу знаходиться стоп-кодон (один з трьох в таблиці), або термінатор.

В ході транскрипції РНК-полімераза в комплексі з іншими ферментами розриває водневі зв'язки між азотистими підставами двох ниток ДНК, частково розкручує ДНК і виробляє синтез іРНК за принципом комплементарності. На однієї ДНК "працюють" відразу кілька полімерази.

Готова молекула іРНК після невеликої перебудови зв'язується в комплекс з спеціальними білками і транспортується ними через ядерну оболонку на рибосоми. Ці білки виконують й іншу функцію - вони захищають іРНК від дії різних ферментів цитоплазми. У прокаріотів клітині ДНК не відділена від цитоплазми, і синтез білків рибосоми починають ще під час транскрипції.

Транспортні РНК. Необхідні для синтезу білків амінокислоти завжди є в складі цитоплазми. Вони утворюються в процесі розщеплення лізосомами білків. Транспортні РНК пов'язують амінокислоти, доставляють їх на рибосоми і виробляють точну просторову орієнтацію амінокислот на рибосомі.

Розглянемо пристрій тРНК, що дозволяє їй успішно виконувати свої складні функції. У ланцюжку, що складається з 70-90 ланок, є 4 пари комплементарних відрізків з 4-7 нуклеотидів - А, Б, В і Г. Комплементарні ділянки зв'язуються водневими зв'язками попарно (як у молекулі ДНК). У результаті нитка тРНК "злипається" в чотирьох місцях з утворенням петлістой структури, нагадує лист конюшини. У верхівці "листа" розташовується триплет, код якого комплементаріїв кодону іРНК, відповідного транспортується амінокислоті. Так, якщо в іРНК код амінокислоти Валина ГУГ, то на вершині валіновой тРНК йому буде відповідати триплет ЦАЦ. Комплементарний триплет в тРНК називають Антикодон.

Спеціальний фермент розпізнає антикодон тРНК, приєднує до "черешки аркуша" певну амінокислоту (у нашому прикладі - валін), і потім тРНК переміщує її до рибосомі. Кожна тРНК транспортує тільки свою амінокислоту.

Синтез білкової ланцюга на рибосомі

Матричні процеси становлять основу здатності живих організмів до відтворення. У клітинному ядрі відбувається подвоєння ДНК. Нова молекула відтворюється на матриці старої і є її точну копію. Інформаційна РНК синтезується на матриці ДНК у вигляді точної копії однієї з ділянок ДНК. Далі на матриці іРНК відбувається синтез білків.

Трансляція. Переклад послідовності нуклеотидів іРНК в послідовність амінокислот синтезованих білків називають трансляцією.

В активному центрі рибосоми розміщуються дві триплету іРНК і відповідно два тРНК. Рибосома переміщується по іРНК не плавно, а уривчасто, триплет за кодонів. На кожному кроці приєднується нова амінокислота. Транспортні РНК переміщуються зі своєю амінокислотою до рибосомі і "приміряють" свій антикодон до чергового кодону іРНК, що знаходиться в активному центрі (комплементарні нуклеотиди добре підходять один одному, між ними виникають водневі зв'язки). Якщо антикодон виявляється не комплементарним, то тРНК видаляється в цитоплазму до інших рибосоми. Якщо ж він виявляється комплементарним, то тРНК приєднується до кодону водневими зв'язками.

Далі особливий фермент рибосоми приєднує синтезованих поліпептидних ланцюг до "прибула" амінокислоті. Її транспортна РНК продовжує утримувати всю формується білкову ланцюг на кодоні іРНК до приходу наступної тРНК. Звільнилася тРНК переміщається в цитоплазму "на пошук" амінокислот. Рибосома перескакує на наступний триплет іРНК, і процес повторюється. Інтервал між перескакуванні триває не більше 1/5 - 1/6 с, а вся трансляція середнього білка - 1-2 хвилини.

На однієї нитки іРНК "працюють" відразу кілька рибосом. На іРНК, що містить інформацію про білку гемоглобіні, розміщуються до 5 рибосом, на деяких інших іРНК - до 20 рибосом. Коли в активному центрі рибосоми виявляється один з трьох кодонів, що кодують розділові знаки між генами, синтез білка завершується.

звільнилася рибосома відправляється на іншу іРНК. Рибосоми універсальні і можуть синтезувати поліпептиди з будь-якої матриці іРНК. Субодиниці рибосом з'єднуються тільки для синтезу білка, після закінчення синтезу вони знову роз'єднуються.

Згортання в спіраль і придбання третинної структури відбувається по мірі синтезу білкової ланцюга, тому часто неможливо відновлення денатурованих білків зі складною просторовою структурою, навіть якщо їх первинна структура збережена. Згортання білкової ланцюга цілої молекули відбувається по-іншому, і білок виявляється неактивним.

Багато білки - наприклад, травні ферменти - дуже активні і здатні перетравити саму клітку, тому що синтезуються молекули білків відразу потрапляють в ендоплазматичну мережа (до мембрани якої прикріплені синтезують білки рибосоми) і за її каналах переміщуються до комплексу Гольджі, а від нього в той ділянка клітини або в ту частину організму, де потрібно цей вид білків. Синтез небілкових з'єднань клітка здійснює в два етапи. Спочатку рибосоми виробляють трансляцію специфічного білка-ферменту. Потім за його участю утворюється молекула необхідного з'єднання - вуглеводу, жирів і т.д. Подібним чином синтезуються та інші сполуки: вітаміни, небілкових гормони та ін

Процес синтезу білків потребує витрат великої кількості специфічної енергії АТФ, яку не можна замінити іншим джерелом. Тільки на приєднання кожної амінокислоти до тРНК витрачається енергія однієї молекули АТФ, а в середньому білку 400-500 амінокислот. Загальна кількість затрачуваної енергії істотно перевищує сумарну хімічну енергію утворюються пептидних зв'язків між молекулами амінокислот. З цієї причини білки рідко використовуються клітиною як палива: занадто великі витрати на їх виготовлення.

Регулювання транскрипції і трансляції. Клітини різних тканин живих організмів сильно відрізняються один від одного за будовою і функціями, але всі вони походять від єдиною зиготи (заплідненої яйцеклітини) в результаті багаторазового поділу.

Перед кожним актом розподілу ДНК реплікується в два точні копії. Вченим вдалося експериментально довести, що диференційовані клітини організму мають однаковий набір ДНК, не втрачаючи ні однієї з його частин у процесі поділок.

В 1958 Ф. Стюарт вперше виростив з єдиної 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 з них нормальних жаб. Отже, клітини всіх тканин організму мають один і той же набір генів, одну і ту ж інформацію про будову білків.

Однак клітини кожної тканини виробляють свої білки, свої ферменти. Гемоглобін утворюється тільки в еритроцитах, білковий гормон росту синтезується тільки в клітинах гіпофіза, зоровий білок опсін - в клітинах сітківки ока, а інсулін - в клітинах підшлункової залози.

Таке різноманітність відбувається через те, що клітини кожної тканини реалізують тільки свою частину інформації ДНК. У різних клітинах відбувається транскрипція різних ділянок ДНК, що синтезуються різні іРНК, за якими відтворюються різні білки. Більш того, специфічні для клітин білки виробляються не всі відразу, а в міру необхідності. У організмах є дивно точні механізми "включення" і "виключення" генів на різних етапах життєвого циклу клітини від її появи до поділу.

Геном еукаріотів влаштований набагато складніше геному прокаріотів. Це пов'язано із збільшенням складності регуляції генетичних процесів, а не зі збільшенням кількості структурних білків і ферментів. У клітинах високорозвинених організмів тільки 10% всіх генів відповідальні за синтез ферментів і структурних білків, інші 90% складають "адміністративний апарат" клітини.

Крім того, існують системи, які регулюють синтез речовин в організмі як єдиному цілому. У клітинах залоз внутрішньої секреції виробляються гормони, які розносяться з кров'ю по всьому тілу. Ці гормони регулюють процеси синтезу іРНК і трансляцію саме в тих клітинах, для яких вони призначені. На поверхні мембрани клітин є рецептори для "своїх" гормонів. Зв'язуючись з рецепторами, гормони керують активністю різних систем клітини, що регулюють обмін. У результаті може змінюватися як транскрипція конкретних генов, так і синтез білків на рибосомах.

Навіть синтезовані іРНК можуть довгий час не транслюватися, якщо немає "команди" від гормонів. Кожен гормон через певні системи клітин активує свої гени. Так, адреналін дає сигнал на синтез ферментів, розщеплюють глікоген до глюкози, інтенсивно споживаної м'язами при фізичному навантаженні. Інсулін виконує зворотну функцію, він бере участь у синтезі глікогену з глюкози в клітинах печінки.

Як транскрипція, так і трансляція можуть придушуватися різними хімічними речовинами, що відносяться до класу антибіотиків (грец. anti проти + bios життя). Наприклад, еритроміцин і стрептоміцин пригнічують синтез білка на рибосомах інфекційних бактерій, а бліда поганка містить речовину, переважна функціонування РНК-полімерази людини. Припинення полімеразою синтезу іРНК призводить до важких наслідків.

Підіб'ємо підсумки. У відтворенні білків у живих істот бере участь ДНК, інформаційна РНК, транспортні РНК для 20 амінокислот (всього 61, за кількістю кодонів), рибосоми, що складаються з декількох Хвороби (3 у прокаріотів і 4 у еукаріотів) і десятків різних молекул білка, а також цілий комплекс ферментів. Для здійснення синтезу однієї білкової молекули необхідний тонкий, специфічний підведення енергії за допомогою більш ніж 1000 молекул АТФ. Практично вся клітина бере участь у синтезі, порушення будови хоча б одного з компонентів порушує процес відтворення білкових молекул.

Для сучасних вчених дивний сам факт функціонування цієї складної системи в організмі. Доведено абсолютна неможливість самоосвіти молекул РНК і навіть її більш простий складової - араб. Можливість же самозбірки білків у гіпотетичному первісному океані при виникненні в ньому життя кваліфіковані біохіміки цілком виключають. Так пізнання внутрішньоклітинних процесів призводить до думки про богосотворенності світу і наближає нас до очевидності Божого буття.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.portal-slovo.ru/