Лекция №15 Обмен веществ в клетке.

Обмен веществ(метаболизм) – совокупность протекающих в живых организмах химических превращений, обеспечивающих их рост, жизнедеятельность, воспроизведение, постоянный контакт и обмен с окружающей средой. По субстрату, подлежащему обмену, различают белковый жировой , углеводный обмен, обмен воды и минеральных веществ.

В обмене веществ различают две стороны: ассимиляцию и диссимиляцию.

Ассимиляция – (пластический обмен, анаболизм) – эндотермический процесс уподобления веществ, поступающих в клетку, специфическим веществам самой клетки. Идет в цитоплазме клетки.

Диссимиляция – (энергетический обмен, катаболизм - экзотермический процесс распада веществ клетки до простых неспецифических соединений. Начинается в цитоплазме, заканчивается в митохондриях с образованием энергии.

Этапы энергетического обмена:

I. Подготовительный. Крупные полимеры (белки, жиры, углеводы) распадаются на мономеры (глицерин, высшие жирные кислоты, аминокислоты, глюкозу) в реакциях гидролиза. У одноклеточных животных идет в пищеварительных вакуолях, в клетках тканей в - лизосомах. У многоклеточных в желудочно – кишечном тракте выделяется 1% энергии в виде тепла, она рассеивается.

II. Бескислородный - происходит гликолиз или молочно – кислое брожение – расщепление глюкозы в цитоплазме клеток до молочной кислоты. Освободившаяся энергия (30%) расходуется на синтез 2 молекул АТФ. У некоторых микроорганизмов , а так же иногда в клетках животных глюкоза может расщепляться до этанола. Остальная энергия рассеивается в виде тепла.

Аминокислоты, высшие жирные кислоты, глицерин способны расщепляться до молочной кислоты и, иногда, спирта, с освобождением энергии (до 30% суммарной энергии процесса).

III. Кислородный – универсальный этап, он одинаков для распада аминокислот, глюкозы, высших жирных кислот. Расщепление всех типов органических веществ заканчивается образованием CO₂ и H₂O. В частности при расщепление 2 молекул молочной кислоты высвобождается энергия и синтезируется 36 молекул АТФ. Происходит в митохондриях, где есть ферменты и атомарный кислород. Весь процесс окисления органических соединений в присутствии О₂ называется тканевым дыханием (или биологическим окислением). Энергия выделяется дискретно (порциями), идет на синтез АТФ и частично рассеивается в виде тепла. По типу диссимиляции выделяют аэробов (осуществляют дыхание) и анаэробов (осуществляют брожение).

Этапы пластического обмена.

I. Из простых веществ (CO₂, H₂O, NH₃) и множества промежуточных соединений (молочная кислота, глицерин и др.) синтезируется необходимые для организма аминокислоты, высшие жирные кислоты, моносахара, азотные основания.

II. Происходит сборка из мономеров сложных высокомолекурных соединений. белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот. Эти реакции протекают на мембранах ЭПС и комплекса Гольджи в рибосомах.

По типу ассимиляции выделяют 3 группы организмов:

1) автотрофы

2) гетеротрофы

3) миксотрофы

Условия, обеспечивающие более интенсивный обмен веществ.

1.Каждая клетка сама синтезирует себе белки, липиды, полисахариды, нуклеиновые кислоты.

2.Каждая реакция, происходящая в клетке, катализируется отдельным ферментом.

3.Ферментные процессы возможны благодаря особому физическому состоянию цитоплазмы, которая представляет собой коллоидный раствор белков.

Ферменты, их группы. Fermentum – закваска (энзим). Известно около 2^х тысяч ферментов.

Все химические реакции в клетке идут с участием биологических катализаторов – ферментов. Все ферменты – белки, но не все белки – ферменты. В структуре белков – ферментов выделяют активный центр. Это небольшой участок молекулы белка, на котором идет определенная химическая реакция. Ферменты специфичны. Они катализируют определенные химические реакции и преобразуют строго определенные химические вещества в клетке.

Выделяют несколько групп ферментов: липазы, амилазы, нуклеазы, протеазы, трансферазы, оксидоредуктазы и др. (действуют соответственно на жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, белки;катализируют перенос химических групп с одной молекулы на другую; участвуют в окислении одного субстрата и восстановлении другого).

Условия для действия ферментов.

1.Водная среда.

2.Определенная температура (до 50⁰С).

3.Определенная рН.

4. Оптимальная ионная сила.

5. Гидратная оболочка – поддерживает структуру фермента и его активного центра.

6.Наличие коферментов – веществ небелковой природы (ионы тяжелых металлов, аминокислоты, витамины), входящих в состав активного центра фермента, устойчивы к температуре. Коферменты усиливают активность фермента.

Ферменты действуют на:

1. одно вещество (лактаза только на лактозу)

2. химическую связь (липаза – на жиры)

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты были открыты в 1870 году швейцарским биохимиком Ф.Мишером. Он выделил из ядра клетки вещество, содержащее азот и фосфор, и назвал его нуклеином (nucleus – ядро). Позже выявили в нём несколько видов нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты – это природные высокомолекулярные соединения, обеспечивающие хранение, передачу и реализацию наследственной информации в живых организмах.

Виды нуклеиновых кислот:

I. ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

II. РНК - рибонуклеиновая кислота

ДНК: 1) Двуспиральный полимер, состоящий из мономеров – нуклеотидов.

2) Строение нуклеотида:

а) одно из 4 –х азотистых оснований

пуриновые А – аденин

Г – гуанин

пиримидиновые Т – тимиин

Ц – цитозин

Нуклеотидный состав количественно проанализировал американский биохимик Эдвин Чаргафф (1902 г) и сделал вывод: «число пуриновых оснований всегда равно числу пиримидиновых; количество аденина равно количеству тимина, а гуанина – цитозину (правило Чаргаффа).

Комплиментарные пары азотистых оснований – А =Т, ГºЦ

б) углевод – дезоксирибоза

в) один остаток фосфорной кислоты

3). Локализация в клетке – в хромосомах органеллах цитоплазмы (митохондриях, пластидах, центросоме).

4. Функции: а) хранение наследственной информации

б) передача наследственной информации

в) реализация наследственной информации в ходе биосинтеза белка

РНК. 1. Одно-цепочный полимер, мономером является нуклеотид.

2. Строение нуклеотида:

а) одно из четырех азотистых оснований:

б) углевод – рибоза

в) один остаток фосфорной кислоты

3. Локализация в клетке - ядрышко, рибосомы,цитоплазма.

Виды РНК:

1. и-РНК (5% от всей РНК клетки) - содержит информацию о строении белка и состоит из 300 – 3000 нуклеотидов.

Существует в 2^х формах:

а) незрелая и-РНК (и-РНК – предшественница, про-и-РНК). Синтезируется на молекуле ДНК. У эукариот включает в себя экзоны (кодирующие участки) и интроны (некодирующие участки). При переходе из ядра в цитоплазму претерпевает процессинг (созревание). У прокариот в процессе созревания происходит укорочение молекулы незрелой и-РНК за счёт «отрезания» её концевых участков. У эукариот созревание происходит за счёт вырезания интронов и «сшивания» оставшихся экзонов. Таким образом, в результате процессинга образуется вторая форма – б) зрелая и-РНК, которая несёт информациюо порядке расположения аминокислот в молекуле белка.

2. т-РНК (10% от всей РНК клетки) - транспортирует аминокислоты к рибосомам. Состоит из 70 – 100 нуклеотидов. Выделяют 61 вид. Синтезируется в ядрышке.

3.р-РНК (85% от всей РНК клетки) – является структурным компонентом рибосом, контролирует начало и окончание синтеза белковой молекулы. Синтезируется в ядрышке, содержит 3 – 5 тысяч нуклеотидов.

Генетический код

Генетический код – это схема расположения трех нуклеотидов, следующих друг за другом в молекуле ДНК и определяющих место аминокислот в молекуле белка. Начал расшифровку генетического кода Ниренберг.

Основные свойства генетического кода.

1.Генетический код триплетен. Каждую аминокислоту в молекуле белка кодируют три нуклеотида молекулы ДНК – триплет, кодон. Есть таблица всех кодонов.

2.Генетический код избыточен (вырожден). Это значит, что для кодирования 20-и аминокислот существует 64 комбинации триплетов (число сочетаний из 4-х по 3). Одну и ту же аминокислоту могут кодировать несколько триплетов (до 6-и). Они отличаются по последнему (3-му) азотистому основанию.

3. Генетический код коллинеарен. Тип и последовательность триплетов нуклеотидов молекулы ДНК строго соответствует типу и последовательности аминокислот в молекуле белка.

4. Код "не имеет запятых" - непрерывен. Между триплетами нуклеотидов в ДНК нет никаких дополнительных знаков, разделяющих их. Если выпадает или вставляется одно азотистое основание, то считывание идет дальше, т.е. включается в кодон следующее азотистое основание.

5. Генетический код не перекрывается. Считывание информации в гене происходит последовательно триплет за триплетом. Одно и то же азотистое основание не может одновременно входить в два кодона.

6. Генетический код специфичен. Определенную аминокислоту кодируют строго определенные триплеты (кодоны). Реально кодируют аминокислоты 61 триплет. Существует 3 бессмысленных триплета (УАГ, УАА, УГА). Они не кодируют аминокислоты, но смогут указывать на начало и конец гена, т.е. "точки" генетического кода.

7. Генетический код универсален для всех видов живых организмов на Земле от вирусов и бактерий для человека. Один и тот же триплет нуклеотидов у организмов любого вида кодирует одну и ту же аминокислоту.

Поток информации – перенос информации с ДНК на белок.

Компоненты потока информации:

1. Ядро (ДНК хромосом)

2. Все виды РНК.

3. Аппарат трансляции (рибосомы и полисомы, т-РНК, ферменты активации аминокислот)

4. Генетический код.

Этапы биосинтеза белка.

I Транскрипция – переписывание генетической информации с ДНК на РНК. При этом образуются две формы и-РНК: про-и-РНК, незрелая и зрелая и-РНК.

II. Трансляция – расшифровка генетической информации и ее перевод с языка нуклеотидов ДНК и и-РНК на язык аминокислот молекулы белка

Поток энергии - у представителей разных групп организмов представлен внутриклеточными механизмами энергообеспечения – брожением, фото – и хемосинтезом, дыханием.

Поток веществ – метаболические пути расщепления и синтеза углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот.