Вопросы по биологии / Обмен веществ в клетке. Энергетический и пластический обмен. Синтез белка

Пластический обмен (анаболизм) (греч. аnabole – подъём) – совокупность биохимических реакций, в процессе которых происходит синтез сложных веществ из более простых. 

Необходимая для биосинтеза энергия поставляется катаболическими реакциями либо ею является энергия солнца. 

Наиболее важный, имеющий планетарное значение анаболизм – фотосинтез, осуществляемый организмами, имеющими светопреобразующие пигменты. 

У растений это хлорофилл (у фотосинтезирующих бактерий бактериохлорофилл). 

В процессе фотосинтеза энергия солнца преобразуется в энергию химических связей углеводов. 

Процесс имеет 2 фазы: световую, в которой происходит фотолиз воды и синтез АТФ за счёт электрического потенциала протонов, и темновую – когда запасённая в световой фазе энергия в виде АТФ (и НАДФ) расходуется на фиксацию СО₂ с образованием молекулы моносахарида:

Энергетический обмен (катаболизм) – греч. кatabole – сбрасывание, разрушение) – совокупность ферментативных реакций в организме, направленных на расщепление сложных органических молекул до мономеров с целью извлечения содержащейся в них энергии. Выделяющаяся энергия запасается в форме АТФ.

Наибольшее значение в обмене веществ имеют гликолиз, брожение и клеточное дыхание. 

Гликолиз – ферментативный процесс распада углеводов до молочной кислоты. (Гликолиз включает в себя 13 реакций, в результате которых выделяется около 200 кДж/моль энергии и только 40% её запасается в виде АТФ). 

При наличии кислорода пировиноградная кислота (после предварительного преобразования в ацетил-СоА) сжигается в цикле Кребса с выделением 36 АТФ (клеточное дыхание):  

Таким образом, катаболизм и анаболизм тесно взаимосвязаны, составляя обмен веществ (метаболизм).

Одновременное протекание этих процессов обуславливает непрерывность обмена веществ организма с окружающей средой.

Биосинтез белка происходит в несколько этапов. 

В конечном итоге сборка полипептидов происходит на рибосомах. 

1-й этап – синтез информационной РНК (иРНК) – происходит в ядре и носит название транскрипции. Считывание информации происходит с молекулы ДНК, в которой находятся гены, определяющие структуру определённых белков. Реакции начинаются с локального расплетания спирали ДНК (ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Этот же фермент по принципу комплементарности строит цепь иРНК, используя при этом рибонуклеотидтрифосфаты).

2-й этап – процессинг иРНК – происходит в ядре и цитоплазме. Сначала иРНК разделяется рибонуклеазами на фрагменты, содержащие одну целевую молекулу, далее при помощи экзонуклеаз подравниваются их концы. Следующим этапом является вырезание некодирующих областей – интронов – и сшивание экзонов при помощи лигаз. Весь процесс носит название сплайсинга. Если необходимо, то 3R-концы иРНК метилируются метилазами для предохранения от действия цитоплазматических экзонуклеаз, а к 5R-концам присоединяется участок polyА.

3-й этап – подготовительный. К молекулам транспортной РНК (с участием аминоацил-тРНК-синтаз) аминокислоты присоединяются карбоксильными группами. Для каждой аминокислоты существует одна и более тРНК (и аминоацилсинтетаз). Распознавание комплекса аминокислоты с тРНК осуществляется за счёт антикодона – участка из трех нуклеотидов, расположенных на вершине тРНК, имеющей форму клеверного листа, иРНК связывается с рибосомой (с малой субъединицей рибосомы) 5R-концом.

4-й этап – собственно синтез белка. Происходит в рибосомах и включает в себя несколько этапов. 

(Инициация – в функциональном центре рибосомы (ФЦР) происходит реакция между двумя аминоацил-тРНК (а-тРНК), несущими аминокислоты. В ФЦР находится участок декодирования, где кодон взаимодействует с антикодоном. В случае комплементарности образующиеся водородные связи изменяют конформацию тРНК, при этом пептидилтрансферазы при участии белков EF-2 перемещают аминокислоты из А-сайта (место связывания а-тРНК) в Р-сайт (местонахождение пептидил-тРНК с растущей цепью), – это начальная стадия процесса элонгации. После перемещения а-тРНК, предыдущая отделяется и в А-сайт помещается другая а-тРНК. С помощью EF-1 пептидный фрагмент перемещается из Р-сайта в А-сайт, затем рибосома перемещается на один шаг по иРНК, и пептидил-тРНК оказывается в Р-сайте). После того как цепь синтезирована, происходит отделение иРНК от рибосомы на терминаторных кодонах – это заключительный этап трансляции – терминация.

Синтезированный полипептид тут же поступает в эндоплазматическую сеть, откуда после преобразования в аппарате Гольджи доставляется в необходимое место.