Пластический и энергетический обмен: что такое биосинтез белка в клетке

Энергетический обмен

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — это совокупность реакций разложения органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при распаде органических веществ, не используется клеткой немедленно, а сохраняется в форме АТФ и других высокоэнергетических соединений. АТФ — универсальный источник энергии для клетки. Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования — присоединения неорганического фосфата к АДФ.

У аэробных организмов (живущих в кислородной среде) различают три фазы энергетического метаболизма: подготовительную, бескислородное окисление и окисление кислорода; у анаэробных организмов (живущих в бескислородной среде) и у аэробных организмов с недостатком кислорода — две стадии: подготовительное бескислородное окисление.

Подготовительный этап

Он заключается в ферментативном расщеплении сложных органических веществ на простые: молекулы белков — на аминокислоты, жиры — на глицерин и карбоновые кислоты, углеводы — на глюкозу, нуклеиновые кислоты — на нуклеотиды. Расщепление высокомолекулярных органических соединений осуществляется ферментами желудочно-кишечного тракта или ферментами лизосом. Вся выделяемая при этом энергия рассеивается в виде тепла. Полученные в результате небольшие органические молекулы могут использоваться в качестве «строительного материала» или могут подвергаться дальнейшей деградации.

Бескислородное окисление, или гликолиз

Эта фаза заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, образовавшихся во время подготовительной фазы, происходит в цитоплазме клетки и не требует присутствия кислорода. Главный источник энергии в клетке — глюкоза. Процесс неполного аноксического расщепления глюкозы — это гликолиз.

Потеря электронов называется окислением, приобретение — восстановлением, в то время как донор электронов окисляется, акцептор восстанавливается.

Следует отметить, что биологическое окисление в клетках может происходить с участием кислорода:

А + О2 → АО2,

и без его участия, за счет переноса атомов водорода от одного вещества к другому. Например, вещество «А» окисляется за счет вещества «В»:

АН2 + В → А + ВН2

или за счет переноса электрона, например, двухвалентное железо окисляется до трехвалентного:

Fe2 + → Fe3 + + и—.

Гликолиз — это сложный многоступенчатый процесс, включающий десять реакций. Во время этого процесса глюкоза дегидрируется, кофермент NAD + (никотинамидадениндинуклеотид) действует как акцептор водорода. В результате цепочки ферментативных реакций глюкоза превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВС), при этом в общей сложности образуются 2 молекулы АТФ и восстановленная форма носителя водорода НАДН2:

C6H12O6 + 2ADP + 2H3PO4 + 2NAD + → 2C3H4O3 + 2ATP + 2H2O + 2NADH2.

Дальнейшая судьба ПВХ зависит от наличия кислорода в клетке. При отсутствии кислорода у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение, при котором сначала образуется ацетальдегид, а затем этиловый спирт:

1. 3Н4О3 → СО2 + СН3СОН,
2. 3СОН + ВЫШЕ Н2 → С2Н5ОН + ВЫШЕ+.

У животных и некоторых бактерий при отсутствии кислорода происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:

C3H4O3 + OVERH2 → C3H6O3 + OVER+.

В результате гликолиза молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80% сохраняется в АТФ-связях.

Пластический обмен

Пластический метаболизм, или ассимиляция, — это совокупность реакций, обеспечивающих синтез сложных органических соединений из более простых (фотосинтез, хемосинтез, биосинтез белков и т.д.).

Гетеротрофные организмы создают собственное органическое вещество из компонентов органической пищи. Гетеротрофная ассимиляция по сути сводится к перегруппировке молекул:
органическое вещество пищи (белки, жиры, углеводы) → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) → макромолекулы организма (белки, жиры, углеводы).
Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых внешней средой. В процессе фото и хемосинтеза образуются простые органические соединения, из которых в дальнейшем синтезируются макромолекулы:
неорганические вещества (CO2, H2O) → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) → макромолекулы организма (белки, жиры, углеводы).

Фотосинтез

Фотосинтез — это синтез органических соединений из неорганических с помощью энергии света. Общее уравнение фотосинтеза:

Фотосинтез происходит с участием фотосинтетических пигментов, которые обладают уникальным свойством преобразовывать энергию солнечного света в энергию химической связи в форме АТФ. Фотосинтетические пигменты — это вещества, похожие на белки. Самый важный пигмент — хлорофилл. У эукариот фотосинтетические пигменты включены во внутреннюю мембрану пластид, прокариот, инвагинации цитоплазматической мембраны.
Структура хлоропласта очень похожа на структуру митохондрий. Внутренняя мембрана крупных тилакоидов содержит фотосинтетические пигменты, белки цепи переноса электронов и молекулы фермента АТФ-синтетазы.
Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: светлой и темной.
1. Световая фаза фотосинтеза происходит только на свету в тилакоидной мембране граны.
Он включает поглощение квантов света хлорофиллом, образование молекулы АТФ и фотолиз воды.
Под действием кванта света (hv) хлорофилл теряет электроны, переходя в возбужденное состояние:

Эти электроны переносятся векторами наружу, то есть на поверхность, обращенную к матрице тилакоидной мембраны, где они накапливаются.
При этом внутри тилакоидов происходит фотолиз воды, то есть ее разложение под действием света:

Образовавшиеся электроны передаются от носителей к молекулам хлорофилла и восстанавливают их. Молекулы хлорофилла возвращаются в стабильное состояние.
Протоны водорода, образующиеся при фотолизе воды, накапливаются внутри тилакоида, создавая резервуар H +. В результате внутренняя поверхность тилакоидной мембраны заряжается положительно (за счет H +), а внешняя поверхность — отрицательно (за счет e-). Поскольку противоположно заряженные частицы накапливаются с обеих сторон мембраны, разность потенциалов увеличивается. Когда достигается критическое значение разности потенциалов, напряженность электрического поля начинает выталкивать протоны через канал АТФ-синтазы. Выделяющаяся при этом энергия используется для фосфорилирования молекул АДФ:
АДФ + F → АТФ.

Производство АТФ во время фотосинтеза под действием световой энергии называется фотофосфорилированием.
Ионы водорода, находящиеся на внешней поверхности тилакоидной мембраны, встречаются там с электронами и образуют атомарный водород, который связывается с молекулой-переносчиком водорода НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат):
2Н + + 4е– + НАДФ + → НАДФ · Н2.
Таким образом, во время светлой фазы фотосинтеза происходят три процесса: образование кислорода за счет разложения воды, синтез АТФ и образование атомов водорода в виде НАДФН2. Кислород диффундирует в атмосферу, а АТФ и НАДФН2 участвуют в процессах темной фазы.
2. Темная фаза фотосинтеза происходит в матриксе хлоропластов как в светлом, так и в темноте и представляет собой серию последовательных превращений CO2 из воздуха в цикле Кальвина. Реакции темной фазы осуществляются за счет энергии АТФ. В цикле Кальвина CO2 связывается с водородом из NADPH2 с образованием глюкозы.
В процессе фотосинтеза, помимо моносахаридов (глюкоза и др.), Синтезируются мономеры других органических соединений: аминокислот, глицерина и жирных кислот. Поэтому благодаря фотосинтезу растения обеспечивают себя и всю жизнь на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.
Сравнительные особенности фотосинтеза и дыхания эукариот представлены в таблице.

Сравнительная характеристика фотосинтеза и дыхания эукариот

Генетическая информация у всех организмов хранится в виде определенной последовательности нуклеотидов ДНК (или РНК в РНК-вирусах). Прокариоты содержат генетическую информацию в виде одной молекулы ДНК. В эукариотических клетках генетический материал распределен по нескольким молекулам ДНК, организованным в хромосомы.
ДНК состоит из кодирующих и некодирующих областей. Кодирующие области кодируют РНК. Некодирующие области ДНК выполняют структурную функцию, позволяющую упаковать участки генетического материала определенным образом, или регулирующую функцию, участвуя в активации генов, управляющих синтезом белка.
Кодирующие области ДНК — это гены. Ген — часть молекулы ДНК, которая кодирует синтез мРНК (и, следовательно, полипептида), рРНК или тРНК.
Область хромосомы, в которой расположен ген, называется локусом. Набор генов ядра клетки — это генотип, набор генов гаплоидного набора хромосом — это геном, набор внеядерных генов ДНК (митохондрии, пластиды, цитоплазма) — плазмон.
Реализация информации, записанной в генах, посредством синтеза белка, называется экспрессией (проявлением) генов. Генетическая информация хранится в виде определенной последовательности нуклеотидов ДНК и реализуется как последовательность аминокислот в белке. РНК выступает посредником, носителем информации. То есть реализация генетической информации выглядит следующим образом:
ДНК → РНК → белок.
Этот процесс проходит в два этапа:

1. транскрипция;
2. в эфире.

Транскрипция (от лат. Transcriptio — переписывание) — синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. В результате образуются мРНК, тРНК и рРНК. Процесс транскрипции требует много энергии в виде АТФ и осуществляется ферментом РНК-полимеразой.

При этом транскрибируется не вся молекула ДНК, а только отдельные ее участки. Такой сегмент (транскриптон) начинается с промотора — сегмента ДНК, к которому присоединена РНК-полимераза и с которого начинается транскрипция, и заканчивается терминатором — сегментом ДНК, содержащим сигнал конца транскрипции. Транскриптон — это ген с точки зрения молекулярной биологии.
Транскрипция, как и репликация, основана на способности азотистых оснований нуклеотидов связываться комплементарно. При транскрипции двухцепочечная ДНК разрывается, и синтез РНК осуществляется по одной цепи ДНК.

В процессе транскрипции нуклеотидная последовательность ДНК переписывается в синтезированную молекулу мРНК, которая служит матрицей в процессе биосинтеза белка.
Прокариотические гены состоят только из кодирующих нуклеотидных последовательностей.

Гены эукариот состоят из чередующихся кодирующих областей (экзонов) и некодирующих областей (интронов.

После транскрипции участки мРНК, соответствующие интронам, удаляются во время сплайсинга, который является неотъемлемой частью процессинга.

Процессинг — это процесс формирования зрелой мРНК из ее предшественника, пре-мРНК. Он включает в себя два основных события. 1. Присоединение к концам мРНК коротких последовательностей нуклеотидов с указанием места начала и места окончания трансляции. Сплайсинг — это удаление неинформативных последовательностей мРНК, соответствующих интронам ДНК. В результате сплайсинга молекулярная масса мРНК снижается в 10 раз. Трансляция (от латинского translatio — трансляция) — это синтез полипептидной цепи с использованием мРНК в качестве матрицы.

В трансляции участвуют все три типа РНК: мРНК — матрица информации; тРНК высвобождают аминокислоты и распознают кодоны; рРНК вместе с белками образуют рибосомы, которые содержат мРНК, тРНК и белки и осуществляют синтез полипептидной цепи.

Этапы трансляции

Реакции матричного синтеза. Реакции матричного синтеза включают

• самоудвоение ДНК (репликация);
• образование мРНК, тРНК и рРНК на молекуле ДНК (транскрипция);
• биосинтез белков на мРНК (трансляция).

Все эти реакции объединяет тот факт, что молекула ДНК в одном случае или молекула мРНК в другом действует как матрица, на которой происходит образование идентичных молекул. Реакции синтеза матрицы лежат в основе способности живых организмов воспроизводить свой собственный вид.
Регуляция экспрессии генов. Тело многоклеточного организма состоит из множества типов клеток. Они различаются по строению и функциям, то есть дифференцированы. Различия проявляются в том, что помимо белков, необходимых любой клетке организма, клетки каждого типа также синтезируют специализированные белки: в эпидермисе образуется кератин, в эритроцитах образуется гемоглобин и т.д.набор экспрессируемых генов и не сопровождается каким-либо необратимым изменением структуры самих последовательностей ДНК.