Біосинтез та пластичний обмін

Сукупність реакцій біохімічного синтезу, в результаті яких із речовин, що потрапили до клітини, синтезуються необхідні для не сполуки, називають пластичним обміном. До основних процесів пластичного обміну належать біосинтез білків, вуглеводів, ліпідів, нуклеїнових кислот, а також фотосинтез і хемосинтез.

незамінні амінокислоти;

вищих тварин і людини надходять у кров з тонкого кишечнику після перетравлення білків харчових продуктів

Синтез кожної з двадцяти основних амінокислот — це складний багатоступеневий процес, який каталізують багато ферментів.

Генетичний код - властива всім живим організмам єдина система збереження спадкової інформації в молекулах нуклеїновим кислот у вигляді послідовності нуклеотидів. Ця послідовність ви­значає порядок введення амінокислотних залишків у поліпептидний ланцюг під час його синтезу.

Встановлено, що кожний амінокислотний залишок у поліпептидному ланцюзі кодується певною послідовністю з трьох нуклеотидів - триплетом.

Логічно це можна пояснити так. Якщо до складу білків входить двадцять ос­новних амінокислот, то до складу нуклеїнових кислот - лише чотири типи нуклео­тидів. Якби один амінокислотний залишок кодувався одним нуклеотидом, то до складу білків входило б усього чотири типи амінокислот. Комбінацією з двох нуклеотидів можна закодувати шістнадцять амінокислот (4² = 16), тоді як комбі­нація з трьох нуклеотидів дає змогу кодувати 64 типи амінокислот (4³ = 64). тим більш 20 основних.

З'ясовано також, що генетичний код не перекривається, тобто генетична інформація може зчитуватися лише одним способом.

Між генами існують «розділові знаки» — ділянки, які не несуть генетичної інформації і лише відокремлюють одні гени від інших спейсерами (від англ. стгейс—простір).

У генетичному коді є три триплети (УАА, УАГ, УГА), кожен з яких означає припинення синтезу одного поліпептидного ланцюга (так звані стоп-кодони), а триплет АУГ визначає місце початку синте­зу наступного.

Етапи біосинтезу білків.

Перший етап — транскрипція (від лат. транскрипціє - пере­писування) — синтез попередника ІРНК (про-іРНК), Спочатку фер­мент РНК-полімераза розщеплює подвійний ланцюг ДНК і на одному з ланцюгів за принципом комплементарності синтезує мо­лекулу про-іРНК, яка таким чином повторює послідовність нуклео­тидів певної ділянки молекули ДНК. Після цього за допомогою спе­ціальних ферментів про-іРНК перетворюється в активну форлгу ІРНК (з неї видаляються ділянки, позбавлені генетичної інфор­мації), яка із ядра надходить до цитоплазми клітини.

Другий - трансляція (від лат. транслятіо — передача) - пере­клад послідовності нуклеотидів у молекулі ІРНК у послідовність амі­нокислотних залишків молекули білка. Розгляньмо цей процес де­тальніше. Насамперед у цитоплазмі кожна з 20 амінокислот за допомогою ковалентного зв'язку приєднується до певної тРНК, на що витрачається енергія, яка вивільнюється при розщепленні АТФ.

Потім ІРНК зв'язується з рибосомою, а згодом — із амінокислот­ним залишком, прикріпленим до певної тРНК. Транспортна РНК, Що переносить амінокислоту, за принципом комплементарності взає­модіє з особливим триплетом (кодонолг) ІРНК, який дає сигнал про початок синтезу поліпептидного ланцюга. Внаслідок цього процесу виникає ініціативний комплекс, який складається з триплету ірнк, рибосоми та певної тРНК.

Далі поліпептидний ланцюг подовжується Кожна з амінокислот транспортується до рибосоми і роз­міщується на ланцюзі за допомогою певної тРНК, яка створює ком­плементарні пари з відповідним Їй триплетом в ірнк (мал.ЗЗ).

. В одній частині функціонального центру антиикодон тРНК впізнає кодон ірнк, а в іншій — амінокислота звільняєтьсяяється від тРНК. Коли рибосома просунеться по ІРНК, то на її надходить друга, яка теж починає просуватись по цій молекулі. надходить третя, четверта і так далі. кулу ірнк з нанизаними на неї рибосомами називають полісомою(полірибосомою). Для здійснення процесу синтезу необхідні иві білки та енергія, яка вивільнюється при розщепленні АТФ. ли рибосома досягає стоп-кодону, синтез білкової молекули •шуеться, і рибосома разом з нею залишає ірнк. Потім рибосо-гграпляє на будь-яку іншу молекулу ІРНК, а мвілекула білка -.оплазматичну сітку, по якій вона транспортується у певну ді-у клітини. На ІРНК з ЇЇ лівого кінця насуваються нові рибосо-біосинтез білкових молекул триває далі. ї останньому етапі білок набуває своєї природної структури, рюючи певну просторову конфігурацію. До чи після цього за гю ферментів відбувається відщеплення зайвих амінокислот-залишків, введення фосфатних, карбоксильних та інших груп, єднання вуглеводів тощо. Після цих процесів молекула білка стає кціонально активною.

Хемосинтезуючі організми (хелготрофи) для син-у органічних сполук використовують енергію, яка вивільнюєть-іід час перетворення неорганічних сполук. До цих організмів на-сать деякі групи бактерій: нітрифікуючі, безбарвні сіркобактерії, ізобактерії тощо.

Нітрифікуючі бактерії послідовно окиснюють аміак до нітритів (солі НМО^), а потім - до нітратів (солі НЗ^О^). Залізобактерії одержують енергію за рахунок окиснення сполук двовалент-о заліза до тривалентного. Вони беруть участь в утворенні покладів залізних руд. Безбарвні сіркобактерії окиснюють сірководень нші сполуки сірки до сірчаної кислоти (Н^80 ). Іроцес хемосинтезу відкрив у 1887 році видатний російський робіолог С.М.Виноградський. Хемосинтезуючі мікроорганізми ві-зають виняткову роль у процесах перетворення хімічних елемен-у біогеохімічних циклах. Біогеохімічні цикли (біогеохіміч-'л колообіг речовин) - це обмін речовинами та забезпечення оку енергії між різними компонентами біосфери, внаслідок жит-іяльності різноманітних організмів, що має циклічний характер. ^отосинтез. Фатотрофи використовують для синтезу органічних лук енергію світла. Процес утворення органічних сполук із неор-ічних завдяки перетворенню світлової енергії в енергію хімічних ізків називають фотосинтезом. До фототрофних організмів на-

•сать зелені рослини (вищі рослини, водорості), деякі тварини (рос-іні джгутикові), а також деякі прокаріоти - ціанобактерії, пурпу-і та зелені сіркобактерії.

Основними з фотосинтезуючих пігментів є хлорофіли. За своєю уктурою вони нагадують гем гемоглобіну, але в цих сполуках іість заліза присутній магній. Залізо потрібне рослинним орга-мам для забезпечення синтезу молекул хлорофілу (якщо в рос-іу залізо не надходить, то в неї утворюються безбарвні листки, датні до фотосинтезу).

Більшість фотосинтезуючих організмів має різні хлорофіли: хлорофіл а (обов'язковий}, хлорофіл Ь (у зелених рослин), хлорофіл с (у діатомових і бурих водоростей), хлорофіл а (у червоних водоростей). Зелені й пурпурові бактерії містять особливі бактеріохлорофіле.

В основі фотосинтезу лежить окиснювально-відновний процес, пов'язаний із перенесенням електронів від сполук постачальників електронів (донорів) до сполук, які їх сприймають (акцепторів), з утворенням вуглеводів і виділенням в атмосферу молекулярного кисню. Світлова енергія перетворюється на енергію синтезованих органічних сполук (вуглеводів) в особливих структурах -реакцій­них центрах, що містять хлорофіл а.

У процесі фотосинтезу у зелених рослин і ціанобактерій беруть участь дві фотосистелги - перша (І) та друга (II), які мають різні реакційні центри та пов'язані між собою через систему перенесення електронів.

Процес фотосинтезу відбувається в дві фази — світлову та темно-ву. У світлову фазу, реакції якої перебігають у мембранах особли­вих структур хлоропластів - тилакоїдів за наявності світла (мал.36), фотосинтезуючі пігменти вловлюють кванти світла (фотони). По­глинання фотонів приводить до «збудження» одного з електронів молекули хлорофілу, який за допомогою молекул - переносників електронів переміщується на зовнішню поверхню мембрани тила­коїдів, набуваючи певної потенційної енергії.

У фотосистемі І цей електрон може повертатись на свій енер­гетичний рівень і відновлювати її, а може передаватись такій спо­луці, як НАДФ (нїкотинамідаденіндинуклеотидфосфат). Електро­ни, взаємодіючи з іонами водню, які є в навколишньому середовищі, відновлюють цю сполуку:Нагадаймо, що коли певна сполука віддає електрон - вона окис-нюеться, а коли приєднує - відновлюється. Відновлений НАДФ (НАДФ - Н) згодом постачає водень, потрібний для відновлення атмосферного СО^ до глюкози (тобто сполуки, в якій запасається енергія).

Подібні процеси відбуваються й у фотосистеліі II. Збуджені електрони, повертаючись на свій енергетичний рівень, можуть пе­редаватись фотосистемі І і таким чином її відновлювати. Фотосисте-ма II відновлюється за рахунок електронів, які постачають молеку­ли води. Під дією світла за участю ферментів молекули води розщеплюються (фотоліз води) на протони водню та молекуляр­ний кисень, який виділяється в атмосферу, а електрони використо­вуються на відновлення фотосистеми II:

Енергія, вивільнена при поверненні електронів із зовнішньої поверхні мембрани тилакоїдів на попередній енергетичний рівень, запасається у вигляді хімічних зв'язків молекул АТФ, які синтезу­ються під час реакцій в обох фотосистемах. Деяка її частина витра­чається на випаровування води^ Таким чином, під час світлової фази фотосинтезу утворюються багаті на енергію (яка запасається у ви­гляді хімічних зв'язків) сполуки: синтезується АТФ і відновлюється НАДФ. Як продукт фотолізу води в атмосферу виділяється молеку­лярний кисень.

Реакції темпової фази фотосинтезу перебігають у внутріш­ньому середовищі (лгатриксі) хлоропластів як на світлі, так і за його відсутності. Як згадувалося раніше, в ході реакцій темнової фази С0„ відновлюється до глюкози завдяки енергії, що вивільнюється при розщепленні АТФ, та за рахунок відновленого НАДФ.

Сполукою, яка сприймає атмосферний СО^, є рибульозобіфос-фат (п'ятивуглецевий цукор, сполучений із двома залишками фос­форної кислоти). Процес приєднання СОд каталізує фермент кар-боксилаза. Внаслідок складних і багатоступеневих хімічних реакцій, кожну з яких каталізує свій специфічний фермент, утворюється кін­цевий продукт фотосинтезу - глюкоза, а також відновлюється ак­цептор СО^ - рибу льозобіфос фат. З глюкози в клітинах рослин можуть синтезуватися полісахариди — крохмаль, целюлоза тощо.

Підсумкове рівняння процесу фотосинтезу у зелених рослин має такий вигляд: