6. 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.

Актино-миозиновая система

Актин есть во всех клетках, и именно он составляет основу клеточного скелета. В большинстве случаев присутствуют миозиновые волокна, составляющие основу мышечной системы. Актиновые волокна или филаменты состоят из двух переплетенных актиновых нитей. Каждая нить образована белками нефибриллярной природы. Каждая нить состоит из сложных глобул, собранных в цепочку. Такие субъединицы называют G-актин, а двойная нить - фиброзным F-актином. Две нити актина скручиваются в спираль с желобком, в который укладывается тропомиозин – нитевидная белковая структура. Актиновые компоненты всегда одним и тем же концом прикрепляются к диску, который построен из α-актинина и других вспомогательных белков. Эти диски прикрепляются друг к другу или к участкам ЦПМ на внутренней ее стороне. Организованные таким образом филаменты могут собираться в пучки по 6 штук. К головкам миозина прикрепляются актиновые филаменты. Под действием ионов Са головки могут изгибаться, т.е. происходит движение.