Метаболизм клетки. Жизнь клетки - это непрерывно протекающие различные биохимические реакции.
Совокупность всех реакций клетки называется обменом веществ или метаболизмом. Метаболизм включает в себя два взаимосвязанных, противоположных процесса 1. Анаболизм или ассимиляция - совокупность реакций синтеза сложных молекул из более простых. Все анаболические реакции протекают с затратой энергии. К таким реакциям относятся редупликация ДНК, синтез РНК, белков, углеводов и жиров, а также реакции фосфорилирования синтез АТФ . 2. Катаболизм или диссимиляция - совокупность реакций расщепления сложных веществ на более простые. Итогом любой такой реакции является выделение энергии.
Большая часть энергии катаболических реакций рассеивается в виде тепла. Меньшая часть энергии запасается в макроэргических связях молекул АТФ, АДФ, НАДФћ Н. Катаболическими реакциями, например, являются реакции расщепления белков, жиров, углеводов и других веществ. Катаболические реакции протекают в несколько этапов. Конечными продуктами расщепления органических веществ в клетке могут быть вода, углекислый газ, аммиак, соли. Каждая метаболическая реакция как анаболическая, так и катаболическая протекает под контролем строго определенного фермента.
Все ферменты являются результатом анаболических реакций, следовательно, катаболизм невозможен без анаболизма. Вместе с тем условием протекания любой реакции анаболизма является использование энергии, выделенной при катаболизме. Пе- 31 ренос этой энергии для реакции синтеза осуществляется молекулами - универсальными носителями энергии АТФ, АДФ, НАДФћ Н. Исключением из этого правила является фотосинтез, где в реакции синтеза АТФ и НАДФћ Н используется энергия света. 1.6.1. РЕДУПЛИКАЦИЯ ДНК Важнейшие молекулы клетки, такие как углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты являются полимерами, то есть цепочками, в которых повторяются более простые молекулы - мономеры. Анаболические реакции, в результате которых образуется полимерная молекула, называются реакциями полимеризации. Не все, а лишь некоторые реакции полимеризации являются особым классом биохимических реакций, называемых реакциями матричного синтеза. К ним относят такие реакции, в которых строение вновь синтезируемой полимерной молекулы определяет другая, уже готовая молекула, служащая для синтеза местом сборки или матрицей.
Иными словами реакциями матричного синтеза называются такие процессы, в которых одна молекула синтезируется на матрице другой.
Редупликация ДНК - это реакция матричного синтеза, при которой одна нить ДНК собирается на матрице уже готовой нити ДНК. Новая нить синтезируется по принципу комплиментарности.
Редупликация протекает в ядре клетки. Она включает несколько стадий 1. Расплетение участка исходной материнской молекулы ДНК. 2. К каждой из освободившихся нитей ДНК подходят свободно плавающие в ядре нуклеотиды и соединяются водородными связями по принципу комплиментарности с нуклеотидами нити ДНК. В результате вдоль каждой материнской нити ДНК выстраивается новая цепочка нуклеотидов, еще не соединенных между собой. 3. Нуклеотиды новой цепочки связываются между собой ковалентными связями под действием фермента ДНК-полимеразы. 4. Образуются две молекулы ДНК, каждая состоит из двух нитей, одна из которых старая, материнская, игравшая роль матрицы, другая - новая собранная по принципу комплиментарности. 32 А-Г-Т-А-А-Г-Т-Т-Т-Ц- Т-Ц-А-Т-Т-Ц-А-А-А-Г- Рисунок 3. Стадия редупликации ДНК. В правой части рисунка изображен расплетенный отрезок ДНК. Между разошедшимися нитями находятся свободные нуклеотиды.
Некоторые, из них, найдя свой комплиментарный нуклеотид нити ДНК, связываются с ним водородной связью. 1.6.2. ТРАНСКРИПЦИЯ Транскрипция - это реакция матричного синтеза, в которой на матрице ДНК синтезируется молекула информационной РНК. Реакция протекает подобно реакции редупликации.
Особенностью транскрипции является то, что и-РНК синтезируется на матрице не всей нити ДНК, а лишь на ее участке, который является геном. 1.6.3 БИОСИНТЕЗ БЕЛКА Биосинтез белка, или трансляция - это реакция матричного синтеза, в которой молекула белка собирается на матрице информационной РНК. Биосинтезу белка предшествует синтез информационной РНК в ядре клетки на матрице участка ДНК гена. Затем молекула и-РНК покидает ядро и проникает в цитоплазму клетки, где поступает на шероховатую эндоплазматическую сеть ЭПС . В этот период и-РНК связывается с одной из рибосом, которая надевается на и- РНК. Рибосома способна перемещаться по нити РНК, 33 причем делает при этом скачки длиной в один триплет.
Передвигаясь по РНК, рибосома обеспечивает синтез белка.
Огромную роль в синтезе белка играет транспортная РНК т-РНК . Эта молекула имеет необычную форму, напоминающую очертания тройного листочка клевера. Центральная часть этой молекулы несет триплет, являющийся комплиментарным для одного их триплетов информационной РНК. Такой триплет т-РНК называется антикодоном.
К одному из концов молекулы т-РНК может присоединяться определенная аминокислота, соответствующая антикодону. При помощи рибосомы т-РНК связывается антикодоном с комплиментарным ей триплетом информационной РНК. После установления этой связи рибосома делает УшагФ на один триплет дальше по нити и-РНК, где принимает участие в образовании новой связи кодон-антикодон. Так, по мере продвижения рибосомы, вдоль нити информационной РНК выстраивается цепочка транспортных РНК, а также цепочка, принесенных ими аминокислот.
Специальный фермент белок-полимераза УсшиваетФ радом стоящие аминокислоты пептидными связями. После образования пептидных связей между соседними аминокислотами, связь каждой из них с транспортной РНК утрачивается. Молекулы т-РНК покидают матрицу и- РНК. На одной и-РНК могут одновременно находиться несколько рибосом на разных участках молекулы. Такая структура называется полисома. На полисоме осуществляется одновременно синтез нескольких молекул белков по количеству рибосом. Очевидно, что все белки, синтезируемые на одной полисоме, имеют абсолютно одинаковую последовательность аминокислот, то есть, являются одинаковыми.
Так при помощи т-РНК язык нуклеотидов переводится на язык аминокислот. 1.6.4. РЕАКЦИИ ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ К реакциям фосфорилирования относят все биохимические реакции, при которых происходит включение в какую-либо молекулу остатка фосфорной кислоты. Все реакции фосфорилирования происходят с затратами энергии. Значение фосфорилирования ог- 34 ромно.
Во-первых, многие молекулы могут принимать участие в реакциях только в фосфорилированной форме. Например, только фосфорилированные нуклеотиды включаются в состав длинных полимерных цепей ДНК и РНК. Во-вторых, в результате фосфорилирования АДФ образуются молекулы - универсальные носители энергии АТФ, способные обеспечивать необходимой энергией многие биохимические реакции клетки. Рассмотрим три типа реакций фосфорилирования АДФ, или, иными словами, три типа реакций синтеза АТФ. Все эти реакции отличаются источником поглощаемой энергии. 1. Гликолитическое фосфорилирование.
Образование АТФ из АДФ при использовании энергии выделенной в результате бескислородного расщепления молекулы глюкозы до двух молекул молочной кислоты. 2. Окислительное фосфорилирование. Образование АТФ из АДФ при использовании энергии выделенной в результате окисления кислородом молекулы молочной кислоты до углекислого газа и воды. 3. Фотосинтетическое фосфорилирование. Образование АТФ из АДФ при использовании энергии электрона хлорофилла, возбужденного светом. 1.6.5 ФОТОСИНТЕЗ Фотосинтез - это синтез углеводов в результате использования энергии света.
Общая упрощенная формула фотосинтеза выглядит так 6СО 2 6Н 2 О энергия света С 6 Н 12 О 6 6О 2 На самом деле фотосинтез представляет цепь нескольких десятков ферментативных окислительно-восстановительных реакций. Способностью к фотосинтезу обладают все зеленые клетки растений, а также некоторые бактерии. В растительных клетках фотосинтез протекает только в специальных зеленых органеллах - хлоропластах.
Внутренние мембраны этих органелл несут молекулы зеленого пигмента - хлорофилла, который принимает важ- 35 нейшее участие в фотосинтезе. Химически хлорофилл представляет кольцо из чередующихся атомов углерода и азота, которые связываются как простыми, так и двойными связями. В центре кольца находится атом магния. Такая структура молекулы хлорофилла определяет одно из уникальных ее свойств обладая в целом высокой стабильностью, она имеет очень подвижный р-электрон Упи-электронФ , который принадлежит не одному из атомов кольца, а всему кольцу.
Этот р-электрон способен эффективно поглощать квант света в красной области спектра. В результате р-электрон возбуждается, переходит на более высокую энергетическую орбиталь и покидает молекулу хлорофилла. Возбужденный светом р-электрон способен отдавать свою энергию для синтеза молекул АТФ или НАДФћ Н, тем самым осуществляется превращение энергии солнца в энергию химических соединений.
Все реакции фотосинтеза принято делить на две группы реакции световой фазы и реакции темновой фазы. Световая фаза фотосинтеза. Протекает только на свету и только в гранах хлоропластов. К реакциям световой фазы относятся следующие. 1. Фотолиз воды. Это ферментативное расщепление воды под действием света. В результате этой реакции образуется молекулы-носители энергии НАДФХН читается Унадф ашФ , свободные электроны и побочный продукт кислород.
Схема протекания фотолитического расщепления воды выглядит следующим образом. 1. 4Н 2 О энергия света 4Н 4ОН - 2. 4ОН - 2Н 2 О 4з О 2 3. 4Н 4з 4НАДФ 4НАДФХН 2. Фотосинтетическое фосфорилирование. Это синтез АТФ из АДФ при использовании энергии электрона хлорофилла, возбужденного светом. Существует два типа реакций фотосинтетического фосфорилирования циклическое и нециклическое фотофосфорилирование. При циклическом фотофосфорилировании возбужденный 36 светом р-электрон покидает молекулу хлорофилла, отдает свою энергию для синтеза АТФ и возвращается обратно на хлорофилл. При нециклическом фотофосфорилировании р-электрон принимает участие в образовании НАДФХН и не возвращается обратно на хлорофилл.
Молекула хлорофилла в данном случае получает новый электрон, освобождаемый в ходе фотолитического расщепления молекулы воды. При этом электрон, полученный при фотолизе воды, принимает участие в синтезе очередной молекулы АТФ. Темновая фаза фотосинтеза. Реакции темновой фазы могут протекать без света. Эти реакции протекают не на внутренних мембранах хлоропласта, а в его строме.
Темновые реакции фотосинтеза - это цепь биохимических реакций, в результате которых фиксируется углекислый газ и образуется молекула глюкозы. Иными словами в темновой фазе неорганическое соединение углерода СО 2 принимает участие в синтезе органического соединения - глюкозы С 6 Н 12 О 6 . Реакции темновой фазы фотосинтеза протекают с поглощением большого количества энергии, которая поставляется из реакций световой фазы в виде АТФ и НАДФХН. Роль фотосинтеза Значение фотосинтеза огромно.
На Земле это единственный процесс, в результате которого энергия Солнца запасается в виде энергии органических соединений. Полученная в результате фотосинтеза глюкоза, используется как универсальный источник энергии и материал для синтеза многочисленных органических соединений белков, жиров, жирных кислот, всех углеводов, аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеотидов. Животные, грибы и гетеротрофные бактерии способны использовать энергию только готовых органических соединений.
Фотосинтез обеспечивает живые организмы энергией получаемой от света, приходящего на нашу планету извне, от Солнца. Вместе с тем фотосинтез - это процесс, в ходе которого вы- 37 деляется кислород. До появления на нашей планете первых живых организмов первичная атмосфера Земли не содержала кислорода и была похожа по химическому составу на атмосферу Венеры и Марса. Кислород стал выделяться в атмосферу Земли только с появлением первых фотосинтезирующих организмов.
Постепенно в результате накопления кислорода в атмосфере условия существования на нашей планете радикально изменились. Во-первых, кислород позволил выйти на сушу животным и дышать кислородом воздуха. Во-вторых, на высоте около 30-ти километров кислород образовал озоновый экран, эффективно защищающий все живое планеты от губительного жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Третье значение фотосинтеза сводится к обеспечению непрерывного баланса между кислородом и углекислым газом.
Ежегодно около 200 миллионов тонн кислорода поглощается в результате дыхания организмами, а также сжигается человеком в результате хозяйственной деятельности. Однако газовый состав атмосферы остается относительно постоянным, кислорода в атмосфере около 20 . Сохранение постоянства содержания кислорода в атмосфере возможно только благодаря выделению его в результате фотосинтеза. Вместе с тем благодаря фотосинтезу значительно сдерживается увеличение концентрации углекислого газа, выделяемого при дыхании и сжигании человеком различных видов топлива. Поглощение углекислого газа не позволяет Земле перегреваться в результате увеличения парникового эффекта.
Эффективность фотосинтеза Эксперименты ученых показали, что при фотосинтезе лишь 1-2 солнечной энергии света, попадающего на зеленый лист растения, преобразуется в энергию глюкозы. Повысить эффективность фотосинтеза можно, обеспечив растение достаточным количеством воды как при помощи полива, так и в результате повышения влажности воздуха и углекислым газом. Большое значение при повышении эффективности фотосин- 38 теза имеет обеспечение растений нитратами и микроэлементами.
Среди микроэлементов наибольшую роль играет магний. 1.6.6. ГЛИКОЛИЗ Гликолизом называются ферментативные реакции бескислородного расщепления углеводов до молекул молочной кислоты С 3 Н 6 О 3 . Рассмотрим гликолиз на примере расщепления глюкозы. Этот процесс протекает в цитоплазме клетки.
Общая формула гликолиза выглядит так С 6 Н 12 О 6 2С 3 Н 6 О 3 энергия Несмотря на простоту этой формулы, гликолиз глюкозы протекает в десять стадий, каждая из которых катализируется определенным ферментом. Выделяемая в ходе гликолиза энергия запасается в виде четырех молекул АТФ 4АДФ 4Ф энергия 4АТФ Однако две молекулы АТФ используются в самом процессе гликолиза. Поэтому в итоге гликолиз одной молекулы глюкозы дает клетке две молекулы АТФ. Значение гликолиза. В результате гликолиза запасается лишь 5 от всей энергии, которая может быть получена при полном расщеплении глюкозы до конечных продуктов СО 2 и Н 2 О. Несмотря на это гликолиз играет огромную роль в жизни организмов, как процесс проходящий без кислорода 1. благодаря гликолизу получают энергию все животные, ведущие анаэробный образ жизни круглые и плоские черви 2. для любого организма гликолиз является первой стадией расщепления углеводов 3. ткани и отдельные клетки организма способны функционировать при нехватке кислорода, благодаря энергии, выделяемой в ходе гликолиза.
Например, мышцы человека при очень больших нагрузках получают недостаточно кислорода для полного окисления глюкозы, поэтому вынуждены работать, используя энергию, выделяемую при гликолизе.
В результате в мышцах накапливается молочная кислота, вызывающая в них болезненные ощущения. 39 1.6.7. ДЫХАНИЕ С точки зрения метаболизма клетки под дыханием понимается совокупность всех окислительных реакций расщепления сложных органических соединений, проходящих с участием кислорода.
Частным случаем дыхания является окисление молочной кислоты до конечных продуктов распада углекислого газа и воды С 3 Н 6 О 3 3О 2 3СО 2 3Н 2 О энергия В отличие от гликолиза дыхание происходит только в митохондриях клетки. Энергия, выделенная при окислении одной молекулы молочной кислоты, запасается в виде 17 молекул АТФ. Если учесть, что при расщеплении одной молекулы глюкозы получаются две молекулы молочной кислоты, следовательно, на этапе окисления одной молекулы глюкозы получается 34 молекулы АТФ, а совокупность реакций гликолиза и окисления глюкозы дает 36 молекул АТФ. Значение дыхания.
Как видно дыхание дает значительно больше энергии, запасенной в виде АТФ, чем гликолиз. Этим определяется большое значение этого процесса для клетки и организма в целом. Благодаря такому высоко эффективному процессу получения энергии как дыхание живые организмы получили высокий уровень обмена веществ, высокую активность и темпы роста.
Вместе с тем древнейшие обитатели нашей планеты, жившие в бескислородной атмосфере, могли получать энергию только анаэробным путем например, путем гликолиза. Использование кислорода как окислителя органики началось лишь после его накопления в атмосфере в результате деятельности фотосинтезирующих одноклеточных организмов. 2. ВИРУСЫ Первый вирус открыт в 1892 году Д.И. Ивановским вирус табачной мозаики. В настоящее время известно около тысячи вирусов. Вирусы внутриклеточные паразиты.
К вирусным относятся такие заболевания человека как весенне-летний клещевой энцефалит, грипп, оспа, корь, детский паралич, гепатит, некоторые фор- 40 мы рака. Существует большое число вирусных болезней животных и растений. Вирусы способны паразитировать даже на клетках бактерий. Такие вирусы называются бактериофагами. Вирусы, как правило, имеют очень малые размеры и большинство из них видны только в электронный микроскоп. Все вирусы имеют в своем составе нуклеиновую кислоту и белковую капсулу.
Каждый вирус имеет только один тип нуклеиновой кислоты либо ДНК, либо РНК. Наблюдается большое разнообразие в строении вирусных нуклеиновых кислот. Так существуют вирусы, имеющие одноцепочечную ДНК, или одноцепочечную РНК, также есть вирусы с двухцепочечной ДНК, или двухцепочечной РНК. Вирусы существуют в двух формах в неактивной форме - вне клетки и в активной форме - внутри клетки. Проникнув через мембрану в здоровую клетку, вирус использует ферменты пораженной им клетки для синтеза собственных белков на матрице вирусной нуклеиновой кислоты.
Затем происходит редупликация вирусной нуклеиновой кислоты и сборка новой вирусной частицы, которая покидает клетку. Исследования ученых вирусологов показали, что поражение клетки одной вирусной частицей препятствует заражению второй частицей. В клетке, пораженной вирусом, могут произойти различные патологические изменения приостановка синтеза собственных белков, перерождение в раковую клетку и даже гибель. Для защиты против вирусов клетки способны вырабатывать специальный белок интерферон. Синтез интерферона стимулируется введением в клетку чужеродной нуклеиновой кислоты.
Строение и функционирование вируса не позволяет однозначно признать его живым или неживым. Можно считать вирусы промежуточной формой. Вместе с тем вполне употребимо определение вируса как неклеточной формы жизни. В настоящее время окончательно не установлено происхождение вирусов. Однако многие ученые считают, что вирусы произошли от бактериальных клеток или отдельных органелл эукариотических клеток митохондрий или хлоропластов в результате 41 перехода их к внутриклеточному паразитизму и упрощению строения. 3.