Биосинтез белка

ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН.

История открытия фотосинтеза

В 1630 г. Ян ван Гельмонт показал, что растения способны сами образовывать органические вещества, а не получать их из почвы. Так было положено начало изучению фотосинтеза.

В 1772 г. Джозеф Пристли установил, что растения «исправ­ляют» воздух, «испорченный» горящей свечой. Спустя семь лет Ян Ингенхауз обнаружил, что растения могут «исправлять» плохой воздух только на свету.

В 1883 г. Энгельман открыл пурпурные бактерии, для кото­рых характерен фотосинтез без выделения кислорода.

В 1887 г. С. Н. Виноградский открыл хемосинтезирующие бактерии, превращающие углекислоту в органические соединения в темноте.

Фотосинтез - многоступенчатый процесс. Важнейшая роль в нем принадлежит хлорофиллу, преобразующему энергию солнеч­ного света в энергию химических связей. Молекулы хлорофилла состоят из атомов углерода и азота, соединенных в сложное коль­цо. Они встроены в мембранные структуры хлоропласта - граны -и окружены молекулами белков, липидов и других веществ. Про­цесс фотосинтеза состоит из двух фаз - световой и темновой.

Световая фаза. Световая фаза – это этап, на котором энергия света, поглощенная хлорофиллом, преобразуется в химическую энергию АТФ и НАДФН2. Осуществляется на свету, в мембранах гран (в мембране тилакоидов) при участии белков – переносчиков и АТФ – синтетазы.

Фотон (квант видимого света) попадает в молекулу хлорофилла и приводит ее в возбужденное состояние. При этом электроны сходят со своих орбит и с помощью перенос­чиков переправляется на другую сторону мембраны, создавая от­рицательно заряженное электрическое поле. Молекула хлорофилла восстанавливает потерю электрона, отбирая его от молекулы воды: (Фотолиз воды) Н₂О ↔ Н⁺ + ОН; ОН^- - ё →ОН

Гидроксилы ОН^-, став радикалами ОН, объединяются, об­разуя воду и кислород, диффундирующий через мембрану в ат­мосферу.

Протоны водорода, образовавшиеся при фотолизе воды, не проникают через мембрану тилакоида граны и накапливаются внутри, образуя положительно заряженное электрическое поле. Таким образом, по обе стороны мембраны находятся два разно­именных электрических поля. Когда разность потенциалов дости­гает критического уровня, активизируется фермент АТФ-синтетаза.

Внутри АТФ-синтетазы имеется канал, через который прохо­дят протоны Н⁺, а освобождающаяся при этом энергия тратится на синтез АТФ. Образовавшаяся АТФ используется в дальнейшем на синтез углеводов. Протоны, оказавшиеся на другой стороне мембраны, встречаются с электронами, доставленными молекулами-переносчиками, образуя атомарный Н, идущий на восстановление переносчика НАДФ⁺ → НАДФ • Н или (НАДФН₂ )

Продукты фотосинтеза световой фазы: Кислород, АТФ, НАДФН₂

Суммарное уравнение реакций фотосинтеза:

хлорофилл

6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

энергия света

Значение фотосинтеза:

1)Фотосинтез - основной поставщик органических соединений и свободного кислорода на Земле. 2)Фотосинтез препятствует увели­чению концентрации углекислого газа в атмосфере, предотвращая перегрев Земли, а созданный им озоновый слой защищает все жи­вое от губительного УФ-излучения. 3)Растения вовлека­ют в круговорот миллиарды тонн азота, фосфора, серы, магния, кальция, калия.

Хемосинтез. Открыт русским ученым С. Н. Виноградским в 1887 г.

Хемосинтез — образование органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно - восстановительных реакций соединений азота, железа, серы. Существует несколько видов хемосинтетических реакций:

• окисление аммиака до азотистой и азотной кислот нитрифицирующими бактериями: NH₃ → HNO₂ → HNO₃ +Q

• превращение двухвалентного железа в трехвалентное железобактериями:

Fе²⁺ → Fе³⁺+ Q;

• окисление сероводорода до серы или серной кислоты серобактериями:

Н₂S + О₂ = 2Н₂0 + 2S + Q

Н₂S + О₂ = 2Н₂SО₄ + Q

Выделяемая энергия используется для синтеза органических веществ.

Роль хемосинтеза: бактерии-хемосинтетики разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых.

Биосинтез белка

Любая живая клетка способна синтезировать белки. Дочерняя клетка синтезирует такие же белки, какие синтезировала материнская клетка. Отсюда можно сделать вывод, что способность к синтезу белка передается по на­следству от клетки к клетке и сохраняется в течение всей жизни. Основная роль в определении структуры белка принадлежит ДНК, разные участки которой определяют синтез различных белков. Следовательно, одна молекула ДНК участвует в синтезе не­скольких десятков белков. Каждый участок ДНК, определяющий синтез одной молекулы белка, называется геном. Можно сделать вывод: каждый ген заключает информацию о структуре одного белка.

Молекулы ДНК в клетках рас­тений и животных содержатся в хромосомах ядра.

А биосинтез белка осуществляется на рибосомах, находя­щихся в цитоплазме клетки.

Наследственная информация о первичной структуре белка передается к месту синтеза белка с помощью и-РНК. РНК разных ви­дов в литературе имеют ряд синонимов:

и-РНК еще имеет название мат­ричной РНК (м-РНК);

транспортную РНК (т-РНК) называют еще адапторной.

Для того чтобы синтезировать белки с заданными свойства­ми, к месту их построения поступает информация о порядке вклю­чения аминокислот в пептидную цепь. Эта информация заключена в нуклеотидной последовательности и-РНК, синтезируемых на со­ответствующих участках ДНК. Процесс списывания (считывания), или синтез и-РНК, называется транскрипцией (переписывание). Процесс транскрипции вместе с реакцией самоудвоения ДНК относится к реакциям матричного синтеза, то есть реакциям, которые идут с использованием матрицы. (Матри­ца - это готовая структура, в соответствии с которой осуществляется построение новой структуры.) При синтезе и-РНК в качестве матрицы используется одна из нитей ДНК. Таким образом, в ре­зультате реакций матричного синтеза образуются структуры, по­строенные по строго определенному плану. Реакции матричного синтеза характерны лишь для живой природы, в результате их осуществления становится возможной передача информации от одного поколения живых существ к другому, а также синтез белков в соответствии с информацией, заложенной в генетическом мате­риале.

Синтез и-РНК начинается с:

1. Обнаружения РНК-полимеразой (фермент) особого участка в молекуле ДНК, который указывает место начала транскрипции - промотора.

2. Присоединение к промотору РНК-полимераза раскручивает прилежащий виток спи­рали ДНК. Две цепи ДНК в этом месте расходятся, и на одной из них фермент осуществляет синтез и-РНК.

3. Сборка рибонуклеотидов в цепь происходит с соблюдением их комплементарности нуклеотидам ДНК, то есть антипараллельно по отношению к матричной цепи ДНК. Цепь ДНК, с которой происходит списывание инфор­мации, носит название кодогенной.

4. Продвигаясь вдоль кодогенной цепи ДНК, РНК - полимераза осуществляет постепенное точное пе­реписывание информации до тех пор, пока она не встречает специ­фическую нуклеотидную последовательность - терминатор транс­крипции.

5. В этом участке РНК-полимераза отделяется как от матрицы ДНК, так и от вновь синтезированной и-РНК.

Фрагмент молекулы ДНК, включающий промотор, транскрибируемую после­довательность и терминатор, образует единицу транскрипции -транскриптон.

В процессе синтеза, по мере продвижения РНК-полимеразы вдоль молекулы ДНК, пройденные ею одноцепочечные участки ДНК вновь объединяются в двойную спираль.

Обра­зуемая в ходе транскрипции и-РНК содержит точную копию ин­формации, записанной в соответствующем участке ДНК.

Тройки рядом стоящих нуклеотидов и-РНК, шифрующие определенные аминокислоты, называют кодонами.

Последовательность кодонов и-РНК шифрует последовательность аминокислот в пептидной це­пи.

Сочетания из трех нуклеотидов, кодирующие определенные аминокислоты, называются кодом ДНК, или генетическим кодом.

Свойства генетического кода.

1. Код триплетен.

Каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК, и соответственно, и-РНК из трех рядом стоящих нуклеотидов. На­пример, участок и-РНК Г-Ц-У соответствует аминокислоте аланину,

Ц-Г-У - аргинину, Г-У-У - валину и т. д.

2. Код избыточен. Это означает, что каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (за исключением метионина и триптофана). ДНК состоит из 4 разных видов нуклеотидов, а
наименьшей структурной единицей гена является триплет нуклео­тидов. Поэтому число возможных комбинаций из 4 элементов по три равно 4³ = 64. Разных же аминокислот только 20. Таким обра­зом, различных триплетов нуклеотидов с избытком хватает для ко­дирования всех аминокислот.

Как полагают, это свойство генетического кода повышает надежность хранения и передачи наследственной информации.

3. Код однозначен. Каждый кодон шифрует только одну ами­нокислоту.

4. Между генами имеются «знаки препинания». Из 64 три­плетов три - У-А-А, У-А-Г, У-Г-А –

не кодируют аминокислоты. Эти триплеты (их называют стоп-триплетами) - сигналы оконча­ния синтеза полипептидной цепи. Необходимость в наличии стоп-триплетов объясняется тем, что в ряде случаев на и-РНК осуществ­ляется синтез нескольких полипептидных цепей, и для отделения их друг от друга используются эти триплеты.

5. Внутри гена нет «знаков препинания».

6. Код универсален.

Генетический код един для всех живущих на Земле существ.

Синтез полипептидной цепи на рибосоме. Регуляция транскрипции и трансляции.

Важная роль в биосинтезе белка принадлежит т-РНК, кото­рые доставляют аминокислоты к месту синтеза пептидных цепей.

Молекула т-РНК состоит из 75-95 нуклеотидов и имеет вид клеверного листа. В ней выделяют две важные части:

акцепторный конец - к нему присоединяется транспор­тируемая аминокислота с помощью фермента кодолазы;

три ветви, состоящие из комплементарно спаренных нук­леотидов. Средняя ветвь - антикодоновая - заканчивается петлей, в центре которой расположен антикодон, состоящий из трех нук­леотидов, которые комплементарны одному из кодонов и-РНК.
Этот кодон шифрует именно ту аминокислоту, которую данная т-РНК транспортирует к рибосоме, где осуществляется сборка пеп­тида.

Между этими ветвями располагаются две боковые ветви, за­канчивающиеся петлями.

Синтез полипептидной цепи на матрице и-РНК носит назва­ние трансляции. Во время трансляции происходит перевод ин­формации из последовательности кодонов и-РНК в последователь­ность аминокислот полипептидной цепи.

Трансляция

• фаза инициации - образование функционального центра рибосомы

• фаза элонгации - удлинение белковой цепи

• фаза терминации - окончание синтеза

Механизм трансляции начинается с образования функцио­нального центра рибосомы (ФЦР). ФЦР состоит из и-РНК, малой и большой субъединиц рибосомы.

Малая субъединица рибосомы отвечает за генетические и де­кодирующие функции, а большая - за биохимические и фермента­тивные. и-РНК нанизывает на себя рибосому с левого конца и на­чинает синтез белка. При этом в ФЦР всегда находятся шесть нуклеотидов - 2 триплета и-РНК, которые образуют два активных центра: аминокислотный (аминоциальныи) - центр узнавания ами­нокислоты, и пептидный (пептидильный) - центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочке.

Когда т-РНК поступает на ри­босому, антикодон узнает «свой» кодон и-РНК. Сначала т-РНК с аминокислотой поступает в аминоциальныи участок и присоединя­ется к своему кодону, затем аминокислота присоединяет к себе растущую цепь белка с образованием пептидной связи. После этого т-РНК перемещается с кодоном и-РНК в пептидильный участок рибосомы, а на ее место в аминоциальныи участок поступает новая т-РНК.

Отдав аминокислоту, т-РНК покидает рибосому и присое­диняет к себе следующую аминокислоту. Рибосома с образовав­шимся белком сходит с и-РНК. Далее рибосома нанизывается на любую другую и-РНК, так как она может синтезировать любой бе­лок (строение белка зависит от матрицы и-РНК), а белковая моле­кула поступает в эндоплазматическую сеть, где приобретает свою окончательную структуру.

Сборка пептидной цепи осуществляется с большой скоро­стью - за 1/5-1/6 с полипептидная цепь удлиняется на одно звено.

• Ферменты ускоряют реакции биосинтеза и обеспечивают их согласованность.

• Для биосинтеза необходима энергия, источником которой служит энергия АТФ; молекуля АТФ синтезируются в процессе энергетического обмена.