Большинство реакций ассимиляции (синтез сложных органических веществ с поглощением энергии) и диссимиляции (распад сложных органических веществ с выделением энергии) в организме идут при участии ферментов - белков, являющихся биологическими катализаторами. Все ферменты - простые или сложные белки. Сложные ферменты состоят из белка и кофермента. Коферменты - различные физиологически активные вещества или их производные (нуклеотиды, флавины).
Ферменты отличаются чрезвычайно высокой активностью, зависящей от рН (кислотности) среды. Для них наиболее характерна специфичность: каждый фермент способен регулировать лишь строго определенный тип реакции.
Таким образом, ферменты выполняют функцию ускорителей и регуляторов почти всех биохимических процессов в клетке и в организме.
Гормоны - секреты желез внутренней секреции. Обеспечивают в клетке синтез определенных ферментов, активизируют или тормозят их работу. Они ускоряют рост организма и деление клеток, усиливают работу мышц, регулируют всасывание и выделение воды и солей. Гормональная система вместе с нервной системой обеспечивает деятельность организма как единого целого через специальное действие гормонов (нейрогуморальная регуляция).
Витамины - органические вещества, образующиеся в животном организме или поступающие с пищей в очень незначительных количествах, абсолютно необходимые для нормального обмена веществ. Недостаток витаминов приводит к заболеваниям, гипо- и авитаминозам. В настоящее время известно более 20 витаминов. Биологическая роль: при их отсутствии или недостатке нарушаются работа определенных ферментов, биохимические реакции и нормальная деятельность клеток.
Ферментативный катализ. Субстрат - вещество, которое вступило в реакцию, - вместе с ферментом образуют ферменто-субстратный комплекс, где фермент лишь ускоряет процесс, а сам не расходуется. Сущность любой ферментативной реакции:
субстрат + фермент - ферменто-субстратный комплекс - фермент + продукт реакции.
Генетический код и его свойства
Информация о структуре полипептидной цепи белка содержится вДНК. Отрезок ДНК, несущий информацию о полипептидной цепи, - ген. Последовательность нукле-отидов ДНК определяет аминокислотную последовательность полипептидной цепи. Зависимость между основаниями и аминокислотами есть генетический код. Молекула ДН К построена из нуклеотидов 4 типов, в состав которых входит одно из 4 оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц). Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь. С помощью этого четырехбуквенного алфавита записаны инструкции для синтеза потенциально бесконечного числа белковых молекул. Генетический код, -состоящий из троек оснований (триплетный код), обеспечивает включение в полипептидную цепь всех 20 аминокислот. В такой код входят 64 разных триплета. Главные черты генетического кода:
1) кодом, определяющим включение аминокислоты в полипептидную цепь, служит триплет оснований в поли пептидной цепи ДНК;
2) код универсален: одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у разных микроорганизмов;
3) код вырожден: данная аминокислота может кодироваться более чем одним триплетом. Пример: аминокислота лейцин кодируется триплетами ГАА, ГАГ, ГАТ, ГАЦ;
4) код перекрывающийся. Пример: последовательность нуклеотидов АААЦААТТА считывается только как ААА/ЦАА/ТТА.
Существуют триплеты, не кодирующие аминокислоту. Функция некоторых таких триплетов установлена. Это стартовые кодоны, сбросовые кодоны и пр. Функции других требуют расшифровки.
Этапы биосинтеза белка.
Регуляция транскрипции и трансляции (синтеза белков) у бактерий и высших организмов
Процесс биосинтеза белка состоит из 2 взаимосвязанных стадий: транскрипции и трансляции. Транскрипция - процесс «переписывания» последовательности оснований в одном гене, несущей информацию о полипептидной цепи, в комплиментарную ей последовательность оснований информационной или матричной РНК (и-РНК). Молекула и-РНК образуется в результате связывания друг с другом свободных рибонуклеотидов под действием РНК-полимеразы в соответствии с принципом комплементарности оснований (А-У, Г-Ц, Т-А, Ц-Г). Синтезированные молекулы и-РНК, несущие генетическую информацию, выходят из ядра и направляются к рибосомам. Здесь происходит трансляция - последовательность триплетов оснований в молекуле и-РНК переводится в специфическую последовательность аминокислот в полипептидной цепи.
Каждая клетка содержит полный набор молекул ДНК с информацией о строении всех полипептидных цепей, которые могут быть синтезированы в данном организме. Однако в определенной клетке реализуется только часть этой информации.
В настоящее время известны отдельные механизмы синтеза белков. Большинство белков-ферментов образуется только в присутствии веществ-субстратов, на которые они действуют. Строение белка-фермента закодировано в соответствующем гене (структурном гене). Рядом со структурным геном находится другой - ген-оператор. В клетке присутствует особое вещество - репрессор, способное взаимодействовать как с геном-оператором, так и с веществом-субстратом. Синтез репрессора регулируется геном-регулятором. Присоединившись к гену-оператору, репрессор препятствует нормальному функционированию соседнего с ним структурного гена. Однако, соединившись с субстратом, репрессор утрачивает способность соединяться с геном-оператором и препятствовать синтезу и-РНК. Образованием самих репрессоров управляют особые гены-регуляторы, функционирование которых управляется репрессорами второго порядка.
Процесс биосинтеза белка.
Биосинтез белка непосредственно связан с молекулой ДНК. Транскрипция - перенос генетической информации от молекулы ДНК на молекулу РНК. Протекает в три стадии. Инициация: Фермент РНК - зависимая -ДНК - полимераза прикрепляется на молекулу ДНК. Элонгация - «раскрытие» двойной спирали, наращивание молекулы РНК по принципу комплиментарности оснований. Терминация - завершение списывания генетической информации. Трансляция - перевод генетической информации в последовательность аминокислот синтезируемой цепи. Проходит на рибосомах. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц - малой и большой; несколько рибосом, образуют полисому. Инициация - присоединение (и-РНК) к поверхности малой субъединицы в присутствии ионов магния. При этом два ее первых транслируемых кодона оказываются обращенными к большой субъединице рибосомы. Элонгация: первый кодон связывает молекулу транспортной РНК (т-РНК), содержащую комплементарный ему антикодон и несущую первую аминокислоту синтезируемого полипептида. Затем второй антикодон присоединяет комплекс аминокислота-т-РНК, содержащий антикодон, комплементарный этому кодону. Как только новая аминокислота присоединилась к растущей полипептидной цепи, рибосома перемещается по нити и-РНК, с тем, чтобы поставить на надлежащее место следующий кодон. Терминация - завершение синтеза, происходит, когда в синтетическом участке рибосомы оказывается один из стоп-кодонов: УАА, УАГ или УГА. Функция рибосомы: удержание в нужном положении и-РНК, т-РНК и белковых факторов, участвующих в процессе трансляции, до тех пор, пока между соседними аминокислотами не образуется пептидная связь.
После того как полипептидные цепи отделились от рибосомы, они могут приобретать свойственную им вторичную, третичную или четвертичную структуры.
Процесс синтеза белка в клетке идет с участием ферментов. Они обеспечивают синтез и-РНК, «захват» аминокислот т-РНК, соединение аминокислот в полипептидную цепь, формирование вторичной, третичной, четвертичной структур. Для обеспечения всех стадий используется энергия АТФ.
