Пластический и энергетический обмен в клетках. Пути их пересечения. Основные макроэргические соединения (АТФ, агрининфосфат, креатинфосфат, ГТФ)

Постоянный обмен веществ и энергии с окружающей средой – одно из основных свойств жизни, он обеспечивает организм веществами, необходимыми для построения и обновления структур клеток и тканей, а также энергией, обеспечивающей все жизненные процессы. Пластический обмен (ассимиляция или анаболизм) – система реакций биосинтеза, в ходе которых из простых органических веществ, образуются более сложные специфические для данного организма вещества, а также клеточные и внеклеточные структуры. Т.е. из веществ, поступающих в клетку из вне, образуются вещества, подобные веществам клетки. Примерами могут рассматриваться биосинтез белка из аминокислот, синтез гликогена из глюкозы, образование элементарных биологических мембран, самосборка органоидов клетки и т.п. Энергетический обмен (диссимиляция или катаболизм) – совокупность реакций ферментативного расщепления (распада) органических соединений (белков, жиров, углеводов) и образования соединений, богатых энергией (аденозинтрифосфат и др.). В ходе него богатые энергией органические вещества превращаются в простые, более бедные энергией вещества. Например: превращение крахмала в глюкозу, а последняя – в углекислый газ и воду.

Часть энергии, освобожденной из питательных веществ, рассеивается в форме теплоты, а часть аккумулируется, т.е. накапливается в богатых энергией фосфатных связях АТФ. В клетке в среднем находится около 1 млрд. молекул АТФ, распад которых до АДФ и фосфата обеспечивает энергией множество биологических и химических процессов, протекающих с поглощением энергии. Молекула АТФ состоит из азотистого основания аденина, сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Отщепление концевого фосфата от молекулы АТФ сопровождается выделением 40 кДЖ энергии вместо 12 кДж, освобождаемых при разрыве обычных химических связей. Синтез АТФ осуществляется в специальных органоидах клетки – митохондриях.

Этапы энергетического обмена.

1) Пищеварение – крупные молекулы полимеров распадаются на мономеры: белки – на аминокислоты, полисахариды – на простые сахара, жиры – на жирные кислоты и глицерин.

2) Гликолиз (расщепление глюкозы): С₆Н₁₂О₆+6О₂ → 6Н₂О + 6СО₂ + 2800кДж

3) Дыхание (необходим молекулярный кислород). Окислительный катаболизм протекает в митохондриях, куда поступают молекулы пировиноградной кислоты: 2С₃Н₆О₃+6О₂ + 36Н₃РО₄ + 36АДФ →6СО₂ + 6Н₂О + 36АТФ + 36Н₂О

Митохондрии – это центр, в котором извлекается энергия химических связей жиров, белков и углеводов. Поэтому митохондрии называют энергетическими станциями клетки.

Пластический и энергетический обмены в-в тесно взаимосвязаны: реакции одного предполагают обязательное протекание реакций другого типа обмена:

▪ реакции биосинтеза при пластическом обмене протекают с поглощением энергии АТФ, которая образуется в ходе энергетического обмена;

▪ химические реакции энергетического обмена катализируются ферментами, которые синтезируются в процессе пластического обмена;

▪ конечные продукты пластического обмена (жиры, углеводы, белки) служат исходным материалом для реакций расщепления при энергетическом обмене.

▪ митохондрии, обеспечивающие завершающий (аэробный) этап энергетического обмена, образуются («размножаются» путем деления) благодаря пластическому обмену.

7.Организация рибосом и биосинтез белка.

Рибосома представляет собой элементарную клеточную машину синтеза любых белков клетки. Они представлены в клетке огромным числом. Рибосомы - это сложные рибонуклеопротеидные частицы, в состав которых входит множество молекул индивидуальных белков и нескольких молекул РНК. Рибосомы прокариот и эукариот по своим размерам и молекулярным характеристикам отличаются, хотя обладают общими принципами организации. Полная прокариотическая рибосома имеет коэффициент седиментации 70S и диссоциирует на 2 субъединицы: 50S и 30S. Полная эукариотическая рибосома с коэффициентом седиментации 80S диссоциирует на субъединицы 60S и 40S.

В сер.60-х годов ученые Крик, Бреннер, Виттман установили, что генетический код является триплетным и непрерывным (не содержит «запятых»), т.е. в процессе синтеза белка последовательность мРНК считывается последовательно группами по три нуклеотида. 61 из 64 возможных сочетаний трех нуклеотидов четырех типов кодируют одну из 20 аминокислот. Остальные три кодона (из 64)- UAA UGA UAG – не кодируют ни одну из аминокислот. Эти кодоны явл. сигналами остановки (терминации) и поэтому называются стоп-кодонами. Поскольку число кодирующих триплетов (61) в три раза больше числа аминокислотных остатков, присутствующих в белках, ген. код сильно вырожден, так что многие аминокислоты кодируются двумя и более кодонами. Генетический код почти всегда универсален, т.е. един для всех живущих на Земле организмов – от бактерий до человека. Генетическая информация, закодированная в последовательности азотистых оснований ДНК вначале переносится от ДНК к мРНК. Этот этап переноса информации носит название транскрипции и происходит у прокариотов в нуклеотиде, а у эукариотов – в ядре. Далее информация с мРНК переводится в белки, этот этап декодирования получил название трансляция. ДНК → мРНК → белок

А. Транскрипция или переписывание информации с ДНК хромосом на структуру синтезируемой в ядре иРНК включает:

▪ раскручивание спиралей молекулы ДНК и обр-е рамки считывания инф-ции;

▪ синтез на одной из цепей ДНК информационной РНК, имеющей одноцепочную структуру, содержащей рибозу вместо дезоксирибозы и урацил (вместо тимина в составе ДНК);

▪ созревание информационной РНК («вырезание» в ней интронных или несмысловых участков и сшивание оставшихся экзонных или смысловых участков) перед выходом из ядра в цитоплазму.

Б. Выход иРНК из ядра в цитоплазму и проникновение в канал малой субъединицы рибосомы; с этого момента иРНК получает название мРНК.

В. Активация находящихся в цитоплазме аминок-т с помощью энергии АТФ.

Г. Присоединение активированной аминок-ты к акцепторному участку тРНК.

Д. Перемещение тРНК с аминок-той в рибосому, где происходит трансляция:

▪ соединение посредством водородных связей антикодонового триплета тРНК с кодоновым триплетом мРНК (процесс происходит в области малой субъединицы рибосомы);

▪ присоединение доставленной в рибосому аминокислоты к синтезируемой в ней полипептидной цепи (происходит в пределах большой субъединицы).

Е. Транслокация - перемещение рибосомы вдоль цепи мРНК на один кодон (3 нуклеотида).

Ж. По завершению трансляции выход полипептида из рибосомы в цитоплазму и превращение его в белковую молекулу с вторичной, третичной и четвертичной структурами.

Трансляция - важнейший этап реализации генетической программы клеток, в процессе которого информация, закодированная в первичной структуре нуклеиновых кислот, переводится в аминокислотную последовательность синтезируемых белков. Т.е. трансляция- перевод четырехбуквенного(по числу нуклеотидов) языка нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный (по числу протеиногенных аминокислот) язык белков. Перевод осуществляется в соответствии с правилами генетического кода. Трансляция происходит с участием специализированных внутриклеточных частиц – рибосом, и в ее осуществлении принимает участие три главных класса РНК (мРНК, рРНК, тРНК), а также группа особых белковых факторов трансляции. Последовательность событий в процессе биосинтеза белков на рибосомах обычно подразделяют на три этапа: инициацию, элонгацию и терминацию.

Этапы трансляции (у бактерий).

I. Происходит в цитоплазме. Процесс прочтения (трансляции) мРНК стартует с определенного его участка, где начинается кодирующая последовательность нуклеотидов. Для обеспечения начала трансляции необходим инициирующий (стартовый) кодон мРНК, инициаторная аминоацил-тРНК и белковые факторы инициации. После инициации рибосома последовательно транслирует мРНК в направлении 5'→3'. Трансляция сопровождается синтезом полипептидной цепи белка путем последовательного присоединения аминокислотных остатков к карбоксильному (С-концу) растущего пептида. Инициация белкового синтеза состоит из нескольких стадий и обслуживается рядом белковых факторов инициации (IF). Фактор IF-2 обладает GTPазной активностью и играет центральную роль в связывании инициаторной аминоацил-тРНК. Именно этой тРНК предстоит связаться с инициирующим кодоном мРНК – кодоном AUG. Комплементарное спаривание антикодона тРНК^fMet с инициирующим кодоном имеет важное значение, так как именно это взаимодействие определяет рамку считывания нуклеотидной последовательности мРНК. На следующей стадии инициации происходит присоединение 30S-субчастицы к мРНК и узнавание инициирующего кодона AUG среди других аналогичных кодонов. Инициаторная тРНК^fMet при этом связывается с 30S-субчастицей в виде комплекса с факторами инициации и GTP. После образования комплекса 30S-субчастицы с мРНК и тРНК^fMet происходит присоединение 50S-субчастицы, это завершает процесс сборки полной (70S) рибосомы прокариот.

II. Элонгация трансляции обслуживается EF-белковыми факторами и подразделяется на 3 стадии:

1). На первой стадии к А-центру рибосомы присоединяется аминоацил-тРНК, приносящая второй аминокислотный остаток, кодируемый вторым кодоном мРНК. При участии фактора EF-Tu осуществляется гидролиз GTP до GDP и фосфата, а выделяющаяся энергия расходуется на сближение двух акцептирующих концов молекул тРНК с прикрепленными к ним аминокислотными остатками.

2). На следующей стадии элонгации – транспептидировании – образуются пептидные связи и возникает дипептидил-тРНК.

3). Третья стадия элонгации – транслокация – заключается в том, что дипептидил-тРНК, оставаясь связанной с соответствующим кодоном мРНК, перемещается из А-центра в Р-центр рибосомы, одновременно с продвижением транслируемой мРНК через рибосому. Это обеспечивает удлинение полипептидной цепи и происходит с весьма высокой скоростью.

III. Терминация (окончание) трансляции связана с функционированием RF-белковых факторов, распознающих бессмысленные стоп-кодоны в мРНК. Такими стоп-кодонами являются УАГ, УАА, УГА. Когда один из этих кодонов подойдет к А-сайту рибосомы, то полипептид, тРНК в Р-сайте и мРНК освобождаются, а рибосомные субъединицы диссоциируют. Далее они транслируют другую молекулу мРНК.

8. Цитоклеточная и цитомышечная системы. Организация и функции.

Цитоскелет – гибкая и сложная система из структурных элементов, это не неподвижный каркас клетки. Большинство элементов могут распадаться на блоки и вновь собираться. В основе структур лежат белковые молекулы, которые собираются в филаменты. В цитоплазме содержатся микрофиламенты (нити) толщиной 4-5 нм и микротрубочки, представляющие собой полые цилиндрические структуры диаметром 25 нм, а также филаменты промежуточных размеров (10 нм). Филаменты обеспечивают растяжку клеток. Эти структуры составляют жесткую конструкцию (каркас) в клетке, называемую цитоскелетом и определяющую внешний вид и форму клеток. Микрофиламенты состоят из белка, сходного с сократительным белком актином. К промежуточным филаментам относятся: кератин в эпителиальных клетках, дисмин в мышечных клетках и нейрофиламенты в нервных клетках. Во всех типах клеток присутствуют по-разному организованные актомиозин, динеин и клатрин.

Кератин – семейство богатых серой белков, основных составляющих кожи, волос, ногтей, рогов, чешуи и перьев. Они являются внутриклеточными, в отличие от внеклеточных у растений и низших животных (клеточной стенки и кутикулы). Структура кератина представлена левозакрученной суперспиралью, которая в свою очередь представлена тремя различными правозакрученными α-спиралями. Пучки кератина образуют рыхлую трехмерную сеть, натянутую между пластинками прикрепления, которая располагается вдоль ЦПМ. Эти пластинки могут скрепляться с помощью особого клейкого вещества с пластинками на поверхности других клеток, образуя адгезивные контакты или десмосомы. Кератиновые филаменты связываются за счет большого кол-ва связей типа S-S, поэтому поверхности клеток становятся очень плотными.

Объединяясь, микрофиламенты формируют пучки, в которые входят дополнительные белки (анкерин, спектрин и др.). Основная функция микрофиламентов заключается в обеспечении сократительных процессов клеток, в упрочении мембран. Микрофиламенты совместно с миозином ответственны за мышечное сокращение. Микротрубочки построены из белков α- и β-тубулина, а также γ-тубулина. Формирование микротрубочек происходит в интерфазе клеток в так называемых центрах организации микротрубочек (ЦОМ), которые «окружают» центриоли, в результате чего предполагают, что центриоли являются ЦОМ.

Итак, основная функция цитоплазматического матрикса заключается в том, что он является внутренней средой клетки, поддерживающей мембранные системы, органеллы и включения. Цитоскелет выполняет опорную функцию. Микрофиламенты способствуют упрочнению мембранной системы, а микротрубочки обеспечивают перемещение клеточных органелл и транспорт химических соединений из одних отсеков клетки в другие. Цитоскелет имеет значение также в делении клетки.

Поиск по сайту: