Растворимые в воде углеводы.

Функции растворимых углеводов: транспортная, защитная, сигнальная, энергетическая.

Моносахариды: глюкоза – основной источник энергии для клеточного дыхания. Фруктоза – составная часть нектара цветов и фруктовых соков. Рибоза и дезоксирибоза – структурные элементы нуклеотидов, являющихся мономерами РНК и ДНК.

Дисахариды: сахароза (глюкоза + фруктоза) – основной продукт фотосинтеза, транспортируемый в растениях. Лактоза (глюкоза + галактоза) – входит в состав молока млекопитающих. Мальтоза (глюкоза + глюкоза) – источник энергии в прорастающих семенах.

Полимерные углеводы: крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин. Они не растворимы в воде.

Функции полимерных углеводов: структурная, запасающая, энергетическая, защитная.

Крахмал состоит из разветвленных спирализованных молекул, образующих запасные вещества в тканях растений.

Целлюлоза – полимер, образованный остатками глюкозы, состоящими из нескольких прямых параллельных цепей, соединенных водородными связями. Такая структура препятствует проникновению воды и обеспечивает устойчивость целлюлозных оболочек растительных клеток.

Хитин состоит из аминопроизводных глюкозы. Основной структурный элемент покровов членистоногих и клеточных стенок грибов.

Гликоген – запасное вещество животной клетки. Гликоген еще более ветвистый, чем крахмал и хорошо растворимы в воде.

Липиды – сложные эфиры жирных кислот и глицерина. Нерастворимы в воде, но растворимы в неполярных растворителях. Присутствуют во всех клетках. Липиды состоят из атомов водорода, кислорода и углерода. Виды липидов: жиры, воска, фосфолипиды. Функции липидов: запасающая – жиры, откладываются в запас в тканях позвоночных животных. Энергетическая – половина энергии, потребляемой клетками позвоночных животных в состоянии покоя, образуется в результате окисления жиров. Жиры используются и как источник воды. Энергетический эффект от расщепления 1 г жира – 39 кДж, что в два раза больше энергетического эффекта от расщепления 1 г глюкозы или белка. Защитная – подкожный жировой слой защищает организм от механических повреждений. Структурная – фосфолипиды входят в состав клеточных мембран. Теплоизоляционная – подкожный жир помогает сохранить тепло. Электроизоляционная – миелин, выделяемый клетками Шванна (образуют оболочки нервных волокон), изолирует некоторые нейроны, что во много раз ускоряет передачу нервных импульсов. Питательная – некоторые липидоподобные вещества способствуют наращиванию мышечной массы, поддержанию тонуса организма. Смазывающая – воски покрывают кожу, шерсть, перья и предохраняют их от воды. Восковым налетом покрыты листья многих растений, воск используется в строительстве пчелиных сот. Гормональная – гормон надпочечников – кортизон и половые гормоны имеют липидную природу.

 

14. Ферменты, их роль в клетке.

Ферменты (энзимы) — это специфические белки, которые присутствуют во всех живых организмах и играют роль биологических катализаторов.

Химические реакции в живой клетке протекают при определенной температуре, нормальном давлении и определенной кислотности среды. В таких условиях реакции синтеза ила распада веществ протекали бы в клетке очень медленно, если бы не подвергались воздействиям ферментов.

Все процессы в живом организме прямо или косвенно осуществляются с участием ферментов. Например, под их действием составные компоненты пищи (белки, углеводы, липиды) расщепляются до более простых соединений, из которых синтезируются новые, свойственные данному виду макромолекулы. Поэтому нарушения образования и активности ферментов нередко ведут к возникновению тяжелых болезней.

По пространственной организации ферменты состоят из нескольких полипептидных цепей и обычно обладают четвертичной структурой.

Кроме того, ферменты в своем составе могут иметь и небелковые структуры. Белковая часть носит название апофермент, а небелковая — кофактор или кофермент (коэнзим).

Предшественниками многих коферментов являются витамины.

Ферментативный катализ подчиняется тем же законам, что и неферментативный (в химической промышленности), однако в отличие от него характеризуется высокой степенью специфичности (фермент катализирует только определенную реакцию или действует только на один тип связи). Этим обеспечивается тонкая регуляция всех жизненно важных процессов (дыхание, пищеварение, фотосинтез и др.), протекающих в клетке и организме. Например, фермент уреаза катализирует расщепление лишь одного вещества — мочевины (H₂N—СО—NH₂ + Н₂O → 2NH₃ + СO₂), не оказывая каталитического действия на структурно-родственные соединения.

Специфичность действия ферментов объясняет теория активного центра. Согласно ей, в молекуле каждого фермента имеется один или более участков, обеспечивающих специфическое взаимодействие фермента и вещества (субстрата). Активным центром выступает или функциональная группа (например, ОН-группа серина), или отдельная аминокислота. Обычно же для каталитического действия необходимо сочетание нескольких (в среднем от 3 до 12) расположенных в определенном порядке аминокислотных остатков. Активный центр может также формироваться ионами металлов, витаминами и другими соединениями небелковой природы — коферментами, или кофакторами. Под действием фермента происходит ослабление химических связей субстрата, и катализируемая реакция протекаете меньшей начальной затратой энергии, а следовательно, с большей скоростью. Например, одна молекула фермента каталазы может расщепить за 1 мин. более 5 млн молекул пероксида водорода (H₂O₂), являющегося продуктом окисления в организме различных соединений.

На заключительном этапе химической реакции фермент-субстратный комплекс распадается с образованием конечных продуктов и свободного фермента, который вновь связывается с молекулами субстрата.

Скорость ферментативных реакций зависит от многих факторов: природы и концентрации фермента и субстрата, температуры, давления, кислотности среды, наличия ингибиторов и т. д. Например, при температурах, близких к нулю, скорость биохимических реакций замедляется до минимума. Это свойство широко используется в различных отраслях народного хозяйства, особенно в сельском хозяйстве и медицине. В частности, консервация различных органов (почки, сердце, селезенка, печень) перед их пересадкой больному происходит при охлаждении, чтобы снизить интенсивность биохимических реакций и тем самым продлить время жизни органов.

 

15. Строение и функции частей и органоидов клетки, их взаимосвязи как основа ее целостности.

Каждая из частей клетки, с одной стороны, является обособленной структурой со специфи­ческим строением и функциями, а с другой — компонентом более сложной системы, называе­мой клеткой. Большая часть наследственной информации эукариотической клетки сосредоточена в ядре, однако само ядро не в состоянии обеспечить ее реализацию, поскольку для этого необхо­димы как минимум цитоплазма, выступающая как основное вещество, и рибосомы, на которых и происходит этот синтез. Большинство рибосом расположено на гранулярной эндоплазматической сети, откуда белки чаще всего транспортируются в комплекс Гольджи, а затем после моди­фикации — в те части клетки, для которых они предназначены. Мембранные упаковки белков и углеводов могут встраиваться в мембраны органоидов и цитоплазматическую мембрану, обеспе­чивая их постоянное обновление. От комплекса Гольджи отшнуровываются также выполняющие важнейшие функции лизосомы и вакуоли. Например, без лизосом клетки быстро превратились бы в своеобразную свалку отработанных молекул и структур.

Протекание всех этих процессов требует энергии, вырабатываемой митохондриями, а у расте­ний — и хлоропластами. И хотя эти органоиды являются относительно автономными, т. к. имеют собственные молекулы ДНК, часть их белков все равно кодируется ядерным геномом и синтези­руется в цитоплазме.

Таким образом, клетка представляет собой неразрывное единство составляющих ее компонен­тов, каждый из которых выполняет свою уникальную функцию.

Метаболизм: энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь. Ферменты, их химическая природа, роль в метаболизме. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание. Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле.

16. Многообразие клеток.

1. Прокариотическая клетка. Организмы: бактерии и цианобактерии (синезеленые водоросли). Размеры клетки: диаметр 0,5-5 мкм. Форма клетки: одноклеточные или нитчатые. Наличие ядра: ядра нет. Генетический материал: кольцевая ДНК (нуклеотид) находится в цитоплазме, не ограничена мембраной. Организация генома: имеется до 1,5 тыс. генов; большинство генов представлены в единственной копии. Плазмиды имеются. Ядрышки отсутствуют. Деление: бинарное поперечное деление. Клеточная стенка: у бактерий содержит муреин (пептидогликан), у цианобактерий - целлюлозу, пектиновые вещества, немного муреина. Капсула или слизистый слой имеется у некоторых бактерий. Жгутики: простые, не содержат микротрубочек, состоят из одной или нескольких фибрилл; диаметром 20 нм. Цитоплазма: отсутствие цитоскелета, движения цитоплазмы, эндо и экзоцитоза. Цитоплазматические органеллы: мезосомы (участвуют в делении и метаболизме), мелкие рибосомы (70 - распределены по цитоплазме и составляют до 40 % массы клетки). Аэробное клеточное дыхание: у бактерий - в мезосомах, у цианобактерий - на цитоплазматических мембранах). Метаболизм: анаэробный и аэробный. Фотосинтез: хлоропластов нет, происходит на мембранах, не имеющих специфической упаковки. Фиксация азота: некоторые обладают этой особенностью (азотфицирующие бактерии).Спорообразование: споры предназначены для перенесения неблагоприятных условий среды, имеют толстую стенку. Эукариотическая клетка. Организмы: грибы, растения, животные. Размеры клетки: до 40 мкм, объем клетки больше. Форма клетки: одноклеточные, нитчатые или преимущественно многоклеточные с клеточной дифференцировкой. Наличие ядра: морфологически обособленное ядро, отделенное от цитоплазмы мембраной (оболочкой). Генетический материал: линейные двухцепочечные молекулы ДНК связаны с белками - гистонами, РНК и образуют хромосомы внутри ядра. Организация генома: в зависимости от вида от 5 до 200 тыс. генов; доля генов, предоставленных в нескольких копиях, достигает 45 %, что повышает надежность работы генома. Плазмиды имеются у митохондрий и пластид. Ядрышки имеются. Деление: митоз, мейоз, амитоз. Клеточная стенка: у растений - целлюлозная, у грибов - хитиновая, у животных клеточной стенки нет. Капсула или слизистый слой отсутствует. Жгутики: сложные, содержат микротрубочки (9+2), диаметр 200 нм. Цитоплазма: имеются цитоскелет, движение цитоплазмы, эндоцитоз и экзоцитоз. Цитоплазматические органеллы: митохондрии, пластиды, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, клеточный центр, рибосомы (80S в цитоплазме в свободном состоянии или связанном с мембранами ЭПС), а пластидах и митохондриях содержатся рибосомы (70S). Аэробное клеточное дыхание происходит в митохондриях. Метаболизм аэробный, редко анаэробный. Фотосинтез в хлоропластах, содержащих специальные мембраны, собранные в граны. Фиксация азота: ни один организм не способен к фиксации азота. Спорообразование: свойственно растениям и грибам, простейшим; споры предназначены для размножения. Автотрофные организмы - способные синтезировать орг. вещества из неорганических. Из них выделают: фотосинтетики (фотоавтотрофы) - к ним относятся зеленые растения и фотосинтезирующие бактерии, которые используют энергию солнечного света: все остальные живые существа используют энергию, заключенную в химических связях; хемосинтетики (хемоавтотрофы) - к ним относятся некоторые бактерии, которые используют энергию, выделяющуюся при окислении неорг. соединений (сероводорода, аммиака, железа и др.). Гетеротрофные организмы - животные, грибы, незеленые растения, большинство бактерий, не способных самостоятельно синтезировать орг. вещества и использующих энергию химических связей готовых орг. соединений. Из них выделяют: сапрофиты (сапрофитные организмы) - питаются орг. веществами мертвых тел (бактерии, грибы); паразиты (паразитические организмы) - питаются орг. веществами живых организмов (болезнетворные бактерии, паразитические растения, грибы, животные).

17. Вирусы - доклеточная форма, возбудители заболеваний.

1. Вирусы — живые существа или неживые объекты? Особенность — неклеточное строение вирусов; состоят из молекулы ДНК или иРНК, окруженной молекулами белка подобно оболочке.

2. Проявление вирусами признаков жизнедеятельности только в клетках других организмов, отсутствие собственного обмена веществ, способности самостоятельно размножаться вне клеток других организмов, существование в форме кристалла.

3. Вирусы — внутриклеточные паразиты. Механизм их проникновения в клетку хозяина: прикрепление к оболочке клетки-хозяина, ее частичное растворение и проникновение нуклеиновой кислоты внутрь клетки, образование на ее основе новых вирусов, гибель клетки и выход из нее вирусов, заражение ими новых клеток.

4. Вирусы — возбудители многих тяжелых заболеваний: СПИДа, бешенства, полиомиелита, гриппа, оспы и др., инфекционность— характерный признак вирусов.

5. Пути заражения ВИЧ-инфекцией, бешенством, полиомиелитом, оспой и меры профилактики заболеваний, вызываемых вирусами.

18. Профилактика ВИЧ-инфекции и заболевания СПИДом.

ВИЧ-инфекция — это медленно прогрессирующее вирусное заболевание иммунной системы, приводящее к ослаблению иммунной защиты от опухолей и инфекций. Стадия ВИЧ-инфекции, при которой из-за снижения иммунитета у человека появляются вторичные инфекционные или опухолевые заболевания, называется синдромом приобретенного иммунодефицита (СПИД).

Если при ВИЧ лечения не проводится, он почти всегда истощает иммунную систему. В результате организм становится уязвимым к одному или нескольким опасным для жизни заболеваниям, которые обычно не воздействуют на здоровых людей. Эта стадия ВИЧ-инфекции называется СПИДом или синдромом приобретенного иммунодефицита. Чем сильнее повреждена иммунная система, тем выше риск смерти в результате оппортунистических инфекций.

Эксперты договорились об использовании термина «СПИД» в начале 1980-х годов, до открытия ВИЧ, для описания впервые появившегося синдрома сильного подавления иммунной системы. Сегодня СПИД считается более поздней стадией развития ВИЧ-инфекции и заболевания.

В отсутствии лечения время развития ВИЧ в стадию СПИДа составляет обычно 8-10 лет. В то же время промежуток между появлением инфекции и возникновением симптомов колеблется – он, как правило, короче у лиц, инфицированных в результате переливания крови, и у больных детей. Факторы, которые изменяют естественную историю развития ВИЧ-инфекции, называют «кофакторами», определяющими прогрессирование заболевания. Были исследованы различные потенциальные кофакторы, включая генетические факторы, возраст, пол, путь передачи инфекции, курение, диету и другие инфекционные заболевания. Имеются обоснованные данные о том, что заболевание прогрессирует быстрее, если заражение ВИЧ-инфекцией произошло в более позднем возрасте.

В современных условиях именно с помощью усиления профилактики ВИЧ существует шанс для «купирования» эпидемии, чтобы обеспечить сохранение человеческих жизней и нормальное функционирование экономики.

Уровни профилактики:

 

Личностный уровень – воздействие, направленное на отдельного человека с целью сохранения его здоровья.

Семейный уровень (уровень ближайшего окружения) – воздействие, направленное на семью человека и его ближайшее окружение (друзья и все, кто непосредственно взаимодействует с человеком) с целью создания условий, при которых сама среда будет носить безопасный характер и помогать формировать ценности здоровья, заботы о себе.

Социальный уровень – воздействие на общество в целом, с целью изменения общественных норм по отношению к социально-нежелательным (рискованным) практикам.

 

19. Клеточный метаболизм.

Что такое метаболизм?

Метаболизм, или обмен веществ, — это совокупность процессов поступления веществ из окружающей среды, их превращений в организме и выведения из организма продуктов жизнедеятельности. В результате обмена веществ в организме сохраняется постоянство состава клеток и клеточных структур путем обновления их по мере необходимости, а также поддерживается их энергетический баланс. Процессы обмена веществ в клетках характеризуются высокой упорядоченностью и строгой последовательностью идущих в них биохимических реакций, участием в них различных ферментов и всех клеточных структур.

Обмен веществ (смотрите также Метаболизм) - совокуп­ность протекающих в живых организмах химических пре­вращений, которые обеспечивают их рост, жизнедеятельность, воспроизведение, постоянный контакт и обмен с окружаю­щей средой. Схема обмена веществ живого организма Благодаря обмену веществ происходит рас­щепление и синтез молекул, что входят в состав клеток, образование, разрушение и обновление клеточных струк­тур и межклеточного вещества. Например, у человека по­ловина всех тканевых белков расщепляется и строится заново в среднем в течение 80 суток, белки печени и сыворотки крови наполовину обновляются каждые 10 суток, а белки мышц - 180, отдельные ферменты печени — каждые 2-4 часа. Обмен веществ неотделим от процессов превращения энергии: потенциальная энергия химических связей сложных органических молекул в результате хими­ческих превращений переходит в другие виды энергии, используемой на синтез новых соединений, для поддержа­ния структуры и функции клеток, температуры тела, для совершения работы и т.д. Все реакции обмена веществ и превращения энергии протекают при участии биологичес­ких катализаторов-ферментов. У самых разных организмов обмен веществ отличается упорядоченностью и сходством последовательности ферментативных превращений, не­смотря на большой ассортимент химических соединений, вовлекаемых в обмен. В то же время для каждого вида характерен особый, закрепленный генетически тип обмена веществ, обусловленный условиями его существования. Обмен веществ складывается из двух взаимосвязан­ных, одновременно протекающих в организме процес­сов: ассимиляции или анаболизма, диссимиляции или катаболизма. В ходе катаболических превращений происходит расщепление крупных органических молекул до простых соединений с одновременным выделением энергии, кото­рая запасается в форме богатых энергией фосфатных свя­зей, главным образом в молекуле АТФ. Катаболические превращения обычно осуществляются в результате гидро­литических и окислительных реакций и протекают как в отсутствие кислорода (анаэробный путь - гликолиз, броже­ние), так и при его участии (аэробный путь - дыхание). Второй путь эволюционно более молодой и в энергетичес­ком отношении более выгодный. Он обеспечивает полное расщепление органических веществ до CO2 и H2O. Разно­образные органические соединения в ходе катаболических процессов превращаются в ограниченное число небольших молекул (помимо CO2 и H2O); например, углеводы - в триозофосфаты и пируват. Конечные продукты азотистого обмена - мочевина, аммиак, мочевая кислота. В ходе анаболических превращений происходит био­синтез сложных молекул из простых молекул-предшест­венников. Автотрофные организмы (зеленые растения и некоторые бактерии) могут осуществлять первичный син­тез органических соединений из CO2 с использованием энергии солнечного света - фотосинтез. Гетеротрофы синтезируют органические соединения только за счет энергии и продуктов, образующихся в ре­зультате катаболических превращений. Исходным сырьем для процессов биосинтеза являются простые органические соединения. Каждая клетка синтезирует характерные для нее белки, жиры, углеводы и другие соединения. Напри­мер, гликоген мышц синтезируется в мышечных клетках, а не доставляется кровью из печени. Совокупность катаболических и анаболических реак­ций, протекающих в клетке в любой данный момент, составляет ее метаболизм.

Источник: www.bioaa.info

 

 

20. Энергетический обмен.

В процессе брожения энергетический обмен обычно подразделяется на три этапа. Первый этап — подготовительный. На этом этапе молекулы сложных углеводов, жиров и белков распадаются на мелкие — глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты; крупные молекулы нуклеиновых кислот — на нуклеотиды. В этих реакциях выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.

Второй этап — неполный, во время которого осуществляется бескислородное расщепление, протекает в цитоплазме клетки. Он называется также анаэробным дыханием (гликолиз) или брожением. Термин «брожение» обычно применяют к процессам, протекающим в клетках растений или микроорганизмов. На этом этапе продолжается дальнейшее расщепление веществ при участии ферментов. Например, в мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы молочной кислоты. В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ и за счет энергии, выделившейся в результате их расщепления, образуются молекулы АТФ.

У дрожжевых грибов молекула глюкозы в бескислородных условиях расщепляется на этиловый спирт и диоксид углерода. Этот процесс называется спиртовым брожением.

У других микроорганизмов процесс гликолиза завершается образованием ацетона, уксусной кислоты и др. Во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. При бескислородном расщеплении глюкозы до образования молочной кислоты 40% выделяемой энергии сохраняется в молекуле АТФ, а остальная энергия рассеивается в виде теплоты.

Третий этап энергетического обмена называется аэробным дыханием, или кислородным расщеплением. Этот этап энергетического обмена также ускоряется с помощью ферментов. Вещества, образовавшиеся в клетке на предыдущих этапах, при участии кислорода распадаются на конечные продукты СО₂ и Н₂О. В процессе кислородного дыхания выделяется большое количество энергии, которая накапливается в молекулах АТФ. При расщеплении двух молекул молочной кислоты при доступе кислорода образуются 36 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание. Все живые организмы по способу получения энергии делятся на две большие группы: автотрофные и гетеротрофные.

 

21. Преобразование энергии и клетке.

Обязательным условием существования любого организма является постоянный приток питательных веществ и постоянное выделение конечных продуктов химических реакций, происходящих в клетках. Питательные вещества используются организмами в качестве источника атомов химических элементов (прежде всего атомов углерода), из которых строятся либо обновляются все структуры. В организм, кроме питательных веществ, поступают также вода, кислород, минеральные соли.

Поступившие в клетки органические вещества (или синтезированные в ходе фотосинтеза) расщепляются на строительные блоки — мономеры и направляются во все клетки организма. Часть молекул этих веществ расходуется на синтез специфических органических веществ, присущих данному организму. В клетках синтезируются белки, личиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и другие вещества, которые выполняют различные функции (строительную, каталитическую, регуляторную, защитную и т. д.).

Другая часть низкомолекулярных органических соединений, поступивших в клетки, идет на образование АТФ, в молекулах которой заключена энергия, предназначенная непосредственно для выполнения работы. Энергия необходима для синтеза всех специфических веществ организма, поддержания его высокоуно-рядоченной организации, активного транспорта веществ внутри клеток, из одних клеток в другие, из одной части организма в другую, для передачи нервных импульсов, передвижения организмов, поддержания постоянной температуры тела (у птиц и млекопитающих) и для других целей.

В ходе превращения веществ в клетках образуются конечные продукты обмена, которые могут быть токсичными для организма и выводятся из него (например, аммиак). Таким образом, все живые организмы постоянно потребляют из окружающей среды определенные вещества, преобразуют их и выделяют в среду конечные продукты.

Совокупность химических реакций, происходящих в организме, называется обменом веществ нли метаболизмом. В зависимости от общей направленности процессов выделяют катаболизм и анаболизм.

Катаболизм (диссимиляция) —совокупность реакций, приводящих к образованию простых соединений из более сложных. К катаболическим относят, например, реакции гидролиза полимеров до мономеров и расщепление последних до углекислого газа, воды, аммиака, т. е. реакции энергетического обмена, в ходе которого происходит окисление органических веществ и синтез АТФ.

Анаболизм (ассимиляция) — совокупность реакций синтеза сложных органических веществ из более простых. Сюда можно отнести, например, фиксацию азота и биосинтез белка, синтез углеводов из углекислого газа и воды в ходе фотосинтеза, синтез полисахаридов, липидов, нуклеотидов, ДНК, РНК и других веществ.

Синтез веществ в клетках живых организмов часто обозначают понятием пластический обмеи, а расщепление веществ и их окисление, сопровождающееся синтезом АТФ, — энергетическим обменом. Оба вида обмена составляют основу жизнедеятельности любой клетки, а следовательно, и любого организма и тесно связаны между собой. С одной стороны, все реакции пластического обмена нуждаются в затрате энергии. С другой стороны, для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный синтез ферментов, так как продолжительность их жизни невелика. Кроме того, вещества, используемые для дыхания, образуются в ходе пластического обмена (например, в процессе фотосинтеза).

 

22. Значение АТФ.

В цитоплазме каждой клетки, а также в митохондриях, хлоропластах и ядрах содержится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она поставляет энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ клетка синтезирует новые молекулы белков, углеводов, жиров, избавляется от отходов, осуществляет активный транспорт веществ, биение жгутиков и ресничек и т. д.

Молекула АТФ представляет собой нуклеотид, образованный азотистым основанием аденином, пятиуглеродным сахаром рибозой и тремя остатками фосфорной кислоты. Фосфатные группы в молекуле АТФ соединены между собой высокоэнергетическими (макроэргическими) связями:

Связи между фосфатными группами не очень прочные, и при их разрыве выделяется большое количество энергии. В результате гидролитического отщепления от АТФ фосфатной группы образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) н высвобождается порция энергии:

АДФ также может подвергаться дальнейшему гидролизу с отщеплением еще одной фосфатной группы и выделением второй порции энергии; при этом АДФ преобразуется в аденозин-монофосфат (АМФ), который далее не гидролизуется:

АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ и в процессе фотосинтеза. Этот процесс называется фосфорилированием. При этом должно быть затрачено не менее 40 кДж/моль энергии, которая аккумулируется в макроэргических связях:

Следовательно, основное значение процессов дыхания и фотосинтеза определяется тем, что они поставляют энергию для синтеза АТФ, с участием которой в клетке выполняется большая часть работы.

Таким образом, АТФ — это главный универсальный поставщик энергии в клетках всех живых организмов.

АТФ чрезвычайно быстро обновляется. У человека, например, каждая молекула АТФ расщепляется и вновь восстанавливается 2 400 раз в сутки, так что ее средняя продолжительность жизни менее 1 мин. Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах (частично в цитоплазме). Образовавшаяся здесь АТФ направляется в те участки клетки, где возникает потребность в энергии.

 

23. Пластический обмен.

Получаемый кислород, органические вещества, вода и минеральные соли преобразуются, и человек выделяет наружу конечные продукты метаболизма, как вода, креатинин, азотосодержащие соединения, соли мочевой кислоты и другие излишки, поддерживая этим основную функцию обмена веществ. Метаболизм человека состоит из противоположных, но неотделимых действий ассимиляции (пластического обмена) и диссимиляции (энергетического обмена).

Организм, вследствие расщепления, пополняется необходимой энергией, частью которой делиться с окружающей средой в виде рассеивания тепла. Сочетание таких процессов, определяющих условия усвоения и накопления необходимой энергии, составляют суть пластического обмена и жизнедеятельности в целом.

 

24. Биосинтез белка.

Биосинтез белка – один из важнейших процессов обмена веществ в клетке. В ходе такого синтеза формируются биополимеры – сложные молекулы белков, состоящие из мономеров – аминокислот (см. § 4). Биосинтез белков протекает в цитоплазме клетки, а точнее – на рибосомах с участием матричной РНК – мРНК (еще ее называют информационной РНК – иРНК) и транспортной РНК (тРНК) под контролем ДНК ядра.

Выяснение роли ДНК и РНК в процессе биосинтеза белков в клетке – одно из замечательных достижений биологической науки середины XX в.

Биосинтез белков включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция. Транскрипция (от лат. transcriptio – переписывание) – это биосинтез молекул матричной РНК (мРНК), происходящий в ядре на основе молекулы ДНК.

В ходе транскрипции фермент РНК-полимераза передвигается вдоль молекулы ДНК. При этом фермент удерживает на себе нуклеотиды растущей цепи мРНК, которая синтезируется на основе одной из цепей молекулы ДНК из нуклеотидов, находящихся в ядерном матриксе (рис. 16).

Рис. 16. Схема биосинтеза белка
Матричная РНК (мРНК) – это одноцепочечная структура, и транскрипция идет с одной цепи молекулы ДНК. В результате транскрипции образуется молекула мРНК, представляющая собой точную копию участка одной из цепей ДНК (напомним, что в молекуле РНК азотистое основание тимин заменено на урацил). По длине каждая из молекул мРНК в сотни раз короче, чем молекула ДНК. Это связано с тем, что каждая мРНК является копией не всей молекулы ДНК, а только ее части – одного гена или группы рядом стоящих генов, содержащих информацию о структурах белков, необходимых для выполнения одинаковых функций.

При участии ферментов на соответствующих участках молекулы ДНК синтезируется не только мРНК, но и другие РНК – транспортная (тРНК), рибосомальная (рРНК). Затем синтезированные РНК направляются из ядра через ядерные поры в цитоплазму, к месту синтеза белка – рибосомам.

Трансляция. В рибосомах синтезируются полипептидные цепи белков на матрице мРНК, т. е. осуществляется трансляция (лат. translatio – перевод, перенесение).

Сборка белковых молекул происходит в рибосомах. При атом одна мРНК связывается с несколькими рибосомами, образуя сложную структуру – полисому. На полисоме одновременно идет синтез многих молекул одного белка.

Аминокислоты, из которых синтезируются белковые молекулы, доставляются к рибосомам молекулами тРНК. Они имеют относительно небольшие размеры (в них входят от 70 до 90 нуклеотидов) и напоминают по форме лист клевера (см. рис. 16).

На вершине «листа» каждой тРНК (напомним, что разновидностей тРНК столько, сколько существует триплетов, шифрующих аминокислоты) имеется антикодон. Он представляет собой последовательность трех нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам триплета в мРНК. Специальный фермент опознает тРНК и присоединяет к «черешку» листа ту из аминокислот, которая кодируется одним из триплетов мРНК.

Транспортные РНК поступают в рибосомы. Участок рибосомы, в котором происходит сборка белковых молекул, называется функциональным центром рибосомы (ФЦР). В ФЦР всегда расположены только два триплета мРНК. К каждому триплету (кодону) мРНК присоединяется тРНК с комплементарным антикодоном (см. рис. 15).

Между аминокислотами под влиянием ферментов образуется пептидная связь, и аминокислота с первой тРНК (обозначим для удобства тРНК порядковыми номерами) оказывается присоединенной ко второй тРНК. Первая тРНК, освободившись от аминокислоты, выходит из рибосомы. Затем рибосома перемещается по мРНК на расстояние, равное одному триплету, и в ФЦР оказывается уже следующий триплет. Процесс сборки продолжается: пептидная связь возникает между аминокислотами, доставленными второй и третьей тРНК и т. д.

Пептидная цепочка удлиняется до тех пор, пока процесс трансляции не доходит до одного из стоп-кодонов – УАА, УАГ, УГА, которые информации об аминокислотах не несут. Как только это происходит, трансляция завершается и полипептидная цепочка покидает рибосому, погружаясь в канал эндоплазматической сети.

Каждый раз в результате трансляции синтезируется полипептидная цепь молекулы белка, точно соответствующая наследственной информации, записанной в ДНК. Скорость сборки одной молекулы белка, состоящей из 200 – 300 аминокислот, равна 1 – 2 мин. Общая схема биосинтеза белка может быть представлена следующим образом:

ДНК → (транскрипция) → мРНК → (трансляция) → белок.

Реакции матричного синтеза. Процессы трансляции, транскрипции и репликации (самоудвоения) ДНК называют реакциями матричного синтеза (от лат. matrix – штамп, форма с углублением). Эти реакции осуществляются только в живых клетках и в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул, которые играют роль матриц. Такими молекулами являются молекулы ДНК (во время репликации и транскрипции) и мРНК (во время трансляции). Таким образом, роль матрицы могут выполнять как молекулы ДНК, так и молекулы РНК.

Матричный синтез обеспечивает высокую точность передачи наследственной информации и высокую скорость синтеза макромолекул. В основе матричного синтеза лежит принцип комплементарности.

В настоящее время в науке достаточно подробно исследован механизм передачи наследственной информации. Однако остается целый ряд еще не решенных проблем. Одна из них – изучение механизмов, регулирующих активность генов. Все клетки многоклеточного организма имеют одинаковый набор генов. И тем не менее клетки разных тканей отличаются по строению, функциям, составу белков.

Специализация клетки определяется не всеми имеющимися в ней генами, а только теми, с которых была осуществлена транскрипция на мРНК и наследственная информация реализована в виде белков. Даже в одной и той же клетке скорость синтеза белковых молекул может быть различной в зависимости от условий среды и потребности в белке самой клетки.

Вероятно, существует какой-то механизм, регулирующий «включение» и «выключение» генов на разных этапах жизни клетки. Впервые объяснение этого механизма в 1961 г. предприняли французские биологи Ф. Жакоб, А. Львов и Ж. Моно на примере регуляции белкового синтеза у бактерий. За свою работу эти ученые удостоены Нобелевской премии.

Как происходит регуляция активности генов в эукариотических клетках, до сих пор неясно. Познание регуляторных механизмов транскрипции и трансляции необход