Обмен веществ и энергии в клетках организма [Рената Арменаковна Петросова] (fb2) читать онлайн

Рената Арменаковна Петросова Обмен веществ и энергии в клетках организма

Предисловие

Предлагаемое пособие представляет собой достаточно подробное и полное изложение одной из наиболее сложных тем курса общей биологии — обмена веществ на клеточном уровне. Пособие написано в соответствии с программой углубленного курса общей биологии и программой для поступающих в вузы. Оно адресовано учащимся 10–11 классов, изучающим общую биологию, абитуриентам, поступающим на факультеты биологического и медицинского профиля, а также школьным учителям биологии.

Книга будет полезна тем учащимся, которые хотели бы разобраться в биохимических процессах, протекающих в клетке. Она не подменяет учебник, а дополняет его и систематизирует имеющиеся знания. С его помощью вы разберетесь в том, что осталось неясным после изучения темы по учебнику или объяснения учителя. В нем полно и в доступной форме описаны и объяснены сложные процессы обмена веществ, протекающие на клеточном уровне у автотрофных и гетеротрофных организмов. Это фотосинтез, энергетический обмен, реакции матричного синтеза (репликация ДНК, биосинтез РНК и белка). Понимание именно этих вопросов вызывает наибольшие трудности у старшеклассников. Поэтому параллельно с описанием каждого процесса предлагаются схемы и рисунки, которые значительно облегчают процесс усвоения сложного материала.

После каждой темы даны вопросы для самопроверки и задания различного уровня сложности. Любой ученик, ознакомившись с приведенным в пособии теоретическим материалом и ответив на предлагаемые вопросы, может считать, что он вполне освоил данную тему.

Пособие понадобится тем учащимся, которые хотели бы хорошо подготовиться к выпускным и вступительным экзаменам по биологии, единому государственному экзамену. Старшеклассники и абитуриенты смогут воспользоваться этим пособием для повышения уровня подготовки и систематизации учебного материала. Предлагаемые схемы легко запоминаются и позволяют уточнить и систематизировать сложный материал. Работа с пособием поможет приобрести прочные знания по наиболее сложным вопросам курса общей биологии.

Пособие интересно и учителям биологии, работающим в общеобразовательной и профильной биологической школе. Оно поможет восстановить в памяти сложные процессы обмена веществ, подготовиться к урокам. Приведенные в пособии вопросы и задания могут использоваться для контроля знаний учащихся.

Желаем всем успешной работы с предлагаемым учебным пособием и надеемся, что книга окажет помощь в овладении биологическими знаниями.

1. Обмен веществ и превращение энергии как основное свойство живого

Понятие об обмене веществ и превращении энергии

Одним из характерных признаков живого является обмен веществ и превращение энергии. Обмен веществ, или метаболизм (от греч. metabol — превращение), — это совокупность всех реакций синтеза и распада, протекающих в живых системах, связанная с выделением или поглощением энергии. Для существования организмов необходимы питательные вещества и энергия, которые они получают из внешней среды. В процессе питания и дыхания в организм поступают определенные вещества, которые в результате жизнедеятельности преобразуются, частично накапливаются, а частично выделяются в окружающую среду. Энергия и питательные вещества необходимы для осуществления всех процессов жизнедеятельности организма: роста, развития, движения, размножения и т. д. Основой этих процессов является обмен веществ и превращение энергии.

Живая система, которой является любой организм, находится в сложных взаимоотношениях с окружающей средой. Из окружающей среды он получает пищу, воду, кислород, свет, тепло. Из поступающих веществ и энергии организмы строят свое тело, образуя массу живого вещества планеты. В результате своей жизнедеятельности организмы сами воздействуют на окружающую среду и изменяют ее. Основой взаимосвязи живых систем и среды является обмен веществ и превращение энергии.

Для неживой природы также характерен обмен веществ. Например, при разрушении и выветривании горной породы происходит обмен веществ. Под действием воды, углекислого газа и других веществ крупные сложные породы разрушаются и превращаются в песок и глину. Химические вещества окисляются, например железо ржавеет. При их горении образуются газообразные продукты и вода, которые выделяются в атмосферу.

Основное отличие между обменом веществ в неживой и живой природе заключается в том, что обмен веществ в неживой природе приводит к уничтожению, разрушению вещества, породы. Живые же организмы, благодаря метаболизму, создают новые вещества, живут и воспроизводят себе подобных.

Обмен веществ и энергии состоит из двух взаимосвязанных и противоположных процессов — ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция, анаболизм, или пластический обмен, — это совокупность реакций синтеза высокомолекулярных органических веществ, сопровождающихся поглощением энергии за счет распада молекул АТФ. Диссимиляция, катаболизм, или энергетический обмен, — это совокупность реакций распада и окисления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии и запасанием ее в синтезируемых молекулах АТФ. Эти процессы характерны для живых систем почти всех уровней организации, начиная от клетки и заканчивая биосферой (рис. 1).

Рис. 1. Общая схема обмена веществ и превращения энергии

Ассимиляция и диссимиляция — противоположные и взаимосвязанные процессы, составляющие единство обмена веществ. В живой природе это замкнутый процесс, так как химические элементы, из которых синтезируются органические вещества, переходят от одного организма к другому или выделяются в окружающую среду и вновь поступают в организмы. Происходит круговорот веществ и химических элементов.

Значение АТФ в обмене веществ

В отличие от круговорота веществ, круговорота энергии в живых системах не происходит. Организмам для жизнедеятельности постоянно необходима энергия. Единственным ее источником на Земле является солнце. Солнечная энергия аккумулируется растениями в процессе фотосинтеза, в результате чего она превращается в энергию химических связей молекул органических веществ.

Все остальные организмы используют готовые органические вещества. В процессе жизнедеятельности они расщепляют эти вещества, и энергия высвобождается. Она частично преобразуется, накапливается и в дальнейшем используется вновь в процессе пластического обмена на синтез органических веществ, специфичных для каждого организма. При этом клетка или организм постоянно теряет часть энергии, которая выделяется в виде тепла. Поэтому для существования жизни на Земле необходим постоянный приток энергии.

Одним из ключевых веществ, которое способно преобразовывать энергию солнечного света в энергию химических связей органических веществ, а далее вновь накапливать и передавать для синтеза новых веществ, является АТФ (рис. 2). В двух макроэргических связях ее молекул накапливается в 2,5 раза больше энергии, чем в обычных связях. Клетка использует эту запасенную энергию на различные процессы: биосинтез собственных органических веществ, движение, деление, передачу нервных импульсов и т. д. АТФ — основное вещество, которое обеспечивает функционирование клетки, запасает энергию в процессе энергетического обмена и выделяет в процессе пластического обмена. Ее синтез происходит на кристах митохондрий. Молекулы этого вещества легко и быстро способны доставлять энергию в любую часть клетки. АТФ является ключевым веществом обменных процессов и универсальным источником энергии в клетках, тканях и организмах.

Рис. 2. Строение молекулы АТФ: 1 — аденин; 2 — рибоза

Типы обмена веществ

Факторы внешней среды имеют различное значение для разных организмов. Растениям для роста и развития необходимы свет, вода, углекислый газ, минеральные вещества. Животным и грибам таких условий недостаточно. Им необходимы готовые питательные органические вещества, а свет для существования некоторых из них не является необходимым условием. По способу питания, источнику получения органических веществ и энергии все организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофные организмы (от греч. autós — сам и trophé — питание) синтезируют органические вещества из неорганических. Фотоавтотрофы используют энергию солнечного света в процессе фотосинтеза. К ним относятся все растения и фотосинтезирующие цианобактерии. Хемоавтотрофы используют энергию, которая выделяется при окислении неорганических веществ (серы, железа, азота) в процессе хемосинтеза. К ним относятся хемосинтезирующие бактерии.

Гетеротрофные организмы (от греч. héteros — иной, другой) получают готовые органические вещества от автотрофов. Источником энергии для них является запасенная в органических веществах энергия, которая выделяется при химических реакциях распада и окисления этих веществ. К ним относятся животные, грибы, многие бактерии.

Процесс автотрофной ассимиляции осуществляется за счет энергии солнечного света или окисления неорганических веществ, а органические вещества синтезируются при этом из неорганических. В зависимости от поглощения неорганического вещества различают ассимиляцию углерода, ассимиляцию азота, ассимиляцию серы и других минеральных веществ. Автотрофная ассимиляция связана с процессами фотосинтеза и хемосинтеза, в результате которых из неорганических веществ синтезируются органические. Этот процесс носит название первичного синтеза органических веществ.

При гетеротрофной ассимиляции организм поглощает органические вещества в готовом виде и преобразует их в собственные органические вещества за счет энергии, содержащейся в поглощенных веществах. Гетеротрофная ассимиляция включает процессы потребления пищи, переваривания ее, усвоения и синтеза новых органических веществ. Этот процесс называется вторичным синтезом органических веществ.

Процессы диссимиляции у организмов также различаются. Одним из них для жизнедеятельности необходим кислород — это аэробные организмы. Другим кислород не нужен, и процессы их жизнедеятельности могут протекать в бескислородной среде — это анаэробные организмы.

Рис. 3. Поток вещества и энергии в биосфере

Большинство организмов являются аэробными. Это все растения, животные (за исключением некоторых паразитов), основная часть грибов и бактерий. Дыхание для них является главной формой диссимиляции. При дыхании богатые энергией органические вещества полностью окисляются кислородом до энергетически бедных веществ — углекислого газа и воды. При этом происходит освобождение энергии, которая используется организмом. Молекулярный кислород, который используется в этих процессах, образуется при фотосинтезе, т. е. автотрофной ассимиляции.

Различают внешнее дыхание и внутреннее. Газообмен между организмом и внешней средой, включающий в себя поглощение кислорода и выделение углекислого газа, а также транспорт этих веществ по организму к отдельным органам, тканям и клеткам, называется внешним дыханием. В этом процессе кислород не используется, а только транспортируется.

Внутреннее, или клеточное, дыхание включает в себя биохимические процессы, которые приводят к освобождению энергии и образованию воды и углекислого газа. Эти процессы протекают в цитоплазме и митохондриях эукариотных клеток или на мезосомах прокариотных клеток.

Другой формой диссимиляции является анаэробное окисление. Процессы энергетического обмена в этом случае протекают по типу брожения. Брожение — это форма диссимиляции, при которой богатые энергией органические вещества расщепляются до менее богатых энергией органических веществ. В этом случае также происходит высвобождение энергии, но значительно меньше.

В зависимости от конечных продуктов различают типы брожения: спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и т. д. Спиртовое брожение встречается у дрожжевых грибов, некоторых бактерий, в растительных тканях. Молочнокислое брожение характерно для молочнокислых бактерий, а также протекает в мышечной ткани животных и человека при недостатке кислорода.

В филогенетическом отношении брожение более древний процесс. Первый этап брожения — гликолиз имеет место у многих аэробных организмов, в том числе у животных и человека.

Анаэробных организмов значительно меньше, чем аэробных. К ним относятся многие микроорганизмы — бактерии и грибы, а также паразитические организмы, вторично утратившие способность к биологическому окислению в связи с образом жизни. Кислородный путь диссимиляции оказался более выгодным в энергетическом отношении. Вспомните, какое количество АТФ запасается на бескислородном и кислородном этапе расщепления, и станет ясно, почему кислородный путь оказался предпочтительным.

Взаимосвязь реакций обмена веществ у автотрофных и гетеротрофных организмов

Через процессы обмена веществ автотрофные и гетеротрофные организмы в природе связаны между собой.

Самыми важными в природе группами организмов являются автотрофы, которые способны синтезировать органические вещества из неорганических. Большинство автотрофов — зеленые растения, которые в процессе фотосинтеза превращают неорганический углерод — углекислый газ — в сложные органические соединения. Зеленые растения выделяют при фотосинтезе кислород, который необходим для дыхания живых существ.

Гетеротрофы усваивают только готовые органические вещества, получая энергию при их расщеплении. Автотрофные и гетеротрофные организмы связаны между собой процессами обмена веществ и энергией. Фотосинтез является практически единственным процессом, обеспечивающим организмы питательными веществами и кислородом.

Несмотря на огромные масштабы фотосинтеза, зеленые растения Земли используют всего 1 % солнечной энергии, падающей на листья.

В последние годы особое внимание привлекает к себе одноклеточная водоросль хлорелла, которая содержит до 6 % хлорофилла и обладает замечательной способностью усваивать до 20 % солнечной энергии. При искусственном разведении хлорелла быстро размножается, а в ее клетке повышается содержание белка. Этот белок используется в качестве пищевых добавок ко многим продуктам. Установлено, что с 1 га водной поверхности можно получать ежедневно до 700 кг сухого вещества хлореллы. Кроме того, в хлорелле синтезируется большое количество витаминов.

Большой интерес ученых к хлорелле связан и с космическими полетами. Хлорелла в искусственных условиях может обеспечить кислородом, выделяемым при фотосинтезе, космический корабль.

Рис. 4. Биологический круговорот веществ. Связь организмов и процессов обмена веществ

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какие две группы реакций составляют обмен веществ?

2. Охарактеризуйте процессы пластического и энергетического обмена.

3. За счет какой энергии идет синтез молекулы АТФ?

4. Назовите основной источник энергии на Земле. Как аккумулируется эта энергия?

5. Почему АТФ можно назвать ключевым источником энергии в реакциях обмена веществ?

6. Каково основное значение дыхания?

7. Какие типы обмена веществ по характеру используемой энергии и источнику получения углерода для синтеза органических веществ существуют на Земле?

8. Почему фотосинтез можно назвать основным процессом, обеспечивающим жизнь на Земле?

9. Чем отличается первичный синтез органических веществ от вторичного?

10. В чем отличие анаэробных и аэробных организмов?

2. Ферментативный характер реакций обмена веществ

Каждая клетка — животная, растительная, бактериальная, самая сложная или самая примитивная, характеризуется сложными химическими процессами. Важнейшей особенностью химических реакций, протекающих в клетке, является их каталитический характер. Биологическими катализаторами являются специализированные белки — ферменты, или энзимы.

Сотни реакций обмена веществ, которые происходят в клетке, идут при непосредственном участии ферментов. Вещество, которое связывается с ферментом для проведения химической реакции, называется субстратом. Ферменты активизируют субстрат, делают его доступным для проведения реакции. Ускоряя химические реакции, эти вещества в реакциях не расходуются. Они не влияют также и на природу конечных продуктов.

Из-за высокой скорости реакции небольшое количество фермента может катализировать превращение большого количества вещества, так как освобождение фермента каждый раз идет очень быстро.

Сравним скорость действия неорганических катализаторов и ферментов. Для гидролиза белка до аминокислот в лабораторных условиях необходимо в течение 10–15 ч кипятить белок с 20 %-ным раствором соляной кислоты. Если же к белку при комнатной температуре добавить несколько капель фермента трипсина или химотрипсина, то гидролиз закончится за 60–80 мин. Сопоставим условия этих двух реакций. Фермент действует в мягких условиях, а его скорость во много раз превышает скорость неорганических катализаторов.

Свойства ферментов

Одним из наиболее важных отличий ферментов от неорганических катализаторов является их высокая специфичность к субстрату. Особенностью биокатализаторов является способность ускорять реакцию только с определенным субстратом или группой сходных по строению субстратов. Немецкий ученый Э. Фишер, исследуя эту удивительную избирательность ферментов, высказал предположение о наличии в их молекуле некоторого участка, структура которого строго соответствует структуре субстрата. Его выражение: «субстрат подходит к ферменту, как ключ к замку» — определило одно из самых важных свойств ферментов — специфичность по отношению к субстрату.

Например, в организме животных и человека отсутствует фермент, расщепляющий целлюлозу, но крахмал и гликоген легко подвергаются гидролизу ферментом амилазой. Разница в строении этих углеводов состоит только в том, что молекула первого вещества состоит из остатков β-глюкозы, а молекулы двух других — из остатков а-глюкозы. Фермент амилаза действует на α-гликозидную связь в молекуле крахмала, гликогена, мальтозы, но не действует на β-гликозидную связь в целлюлозе.

Фермент трипсин расщепляет как природный белок, так и искусственный полипептид, так как действует на пептидную связь. Эти ферменты обладают групповой специфичностью, так как действуют на вещества с одинаковой связью.

Однако есть такие ферменты, которые катализируют реакцию только с одним-единственным веществом.

Строение ферментов

Каждый фермент имеет определенное строение. Как и у всех белков, оно зависит от его первичной структуры, которая определяет третичную и четвертичную структуры, т. е. форму глобулы и ее пространственную конфигурацию. Результаты исследований показали, что молекулы ферментов во много раз больше, чем молекулы веществ, которые они активируют в реакциях. Ферменты, как правило, являются глобулярными белками. Часто они образуют комплексы с небелковыми компонентами: металлами (цинком, железом, марганцем, медью и др.), низкомолекулярными органическими соединениями, витаминами. Например, в состав каталазы входит железо; витамин B₃ (или PP) является компонентом окислительно-восстановительных ферментов; витамин В, входит в состав ферментов, отщепляющих углерод от молекул органических соединений.

Ферменты, как вещества белковой природы, имеют большую молекулярную массу, которая колеблется от нескольких тысяч до миллиона. Например, трипсин имеет молекулярную массу 40 000, а синтетаза высших жирных кислот (ВЖК), катализирующая синтез жирных кислот, относится к ферментам-гигантам с молекулярной массой более 1 000 000. Она состоит из целого конвейера белков, объединенных в одну суперструктуру. Как правило, для высокомолекулярных ферментов характерна четвертичная структура. Например, фермент каталаза, расщепляющий пероксид водорода, состоит из шести субъединиц.

В ферменте различают три центра: субстратный, активный и регуляторный (рис. 5). Непосредственно в реакции участвует лишь небольшая часть белковой молекулы, состоящая обычно от 3 до 15 остатков аминокислот. Это каталитический, или активный, центр фермента. Остальные аминокислоты белка определяют конфигурацию молекулы, связывают субстрат, присоединяют дополнительные ионы. Активный центр является главной частью фермента. Здесь происходит видоизменение субстрата, собственно реакция, образуются продукты или продукт. В некоторых случаях функции активного центра выполняет небелковый компонент, например витамин, который в этом случае связан с ферментом и составляет единое целое.

Рис. 5. Строение фермента: 1 — субстратный центр; 2 — активный центр; 3 — регуляторный центр

Субстратный центр служит «якорной» площадкой для соединения фермента с субстратом. При этом между ними возникают определенные связи, позволяющие ферменту удерживать субстрат. Активный и субстратный центры ферментов часто находятся рядом или совпадают.

Для работы этих центров, т. е. присоединения субстрата и катализа реакции, необходима определенная форма белка-фермента. Фермент сохраняет свою активность до тех пор, пока в нем поддерживается специфическая конфигурация каталитического центра, что связано с третичной и четвертичной структурами белка.

Конфигурация белковой молекулы может изменяться таким образом, чтобы обеспечить быстрый доступ веществ в активный центр или, наоборот, затормозить реакцию. Эту функцию выполняет регуляторный центр фермента. К нему могут присоединяться неорганические ионы, низкомолекулярные вещества, которые видоизменяют форму молекулы фермента таким образом, чтобы способствовать быстрому соединению с субстратом или, наоборот, невозможности соединения.

Механизм действия фермента

Рассмотрим общий принцип действия ферментов. В начале реакции происходит соединение фермента (Е) с субстратом (S), в результате образуется фермент-субстратный комплекс (Е — S). Далее в активном центре фермента происходят преобразования субстрата, изменяются связи в молекуле субстрата, конфигурация фермента. На первом этапе образуется комплекс фермента с видоизмененным субстратом (E* — S*). Далее в активном центре происходит собственно реакция и образуется фермент-продуктный комплекс (Е* — Р). После окончания реакции комплекс распадается, освобождается продукт (или продукты), а фермент вновь восстанавливается, каким был до начала реакции (Е, Р). Теперь он готов к новой реакции (рис. 6). Процесс можно представить в виде схемы:

фермент + субстрат  фермент-субстрат фермент-продукт  фермент + продукт

Е + S  E — S  E* — S*  Е* — Р  Е + Р

Рис. 6. Механизм действия фермента: 1 — фермент; 2 — субстрат; 3 — фермент-субстратный комплекс; 4 — фермент-продуктный комплекс; 5 — освобожденный продукт

На скорость ферментативных реакций могут оказывать влияние различные факторы. Известно, что скорость химических реакций зависит, прежде всего, от концентрации веществ. У ферментативных реакций есть особенность. Их скорость зависит не столько от концентрации субстрата, сколько от концентрации фермента. Скорость реакции прямо пропорциональна концентрации фермента. Это связано с тем, что количество молекул фермента определяет, как быстро будет протекать реакция.

Скорость реакции и активность фермента зависят от температуры, причем она уменьшается как при низких, так и при высоких температурах. При низких температурах слишком мала энергия активации молекул субстрата и фермента. При высоких температурах белки-ферменты денатурируют, т. е. сворачиваются и полностью разрушаются. Оптимальным считается температурный интервал от 25 до 4 °C.

На активность фермента и скорость реакции влияет различная концентрация ионов H⁺ и OH^-, т. е. pH среды. Большинство ферментов активны в узких пределах pH, чаще в нейтральной среде. Сдвиг концентрации ионов водорода может изменить электрический заряд белка-фермента, что приведет к изменению конфигурации молекулы и падению активности. Некоторые ферменты могут катализировать реакции в слабощелочной среде, например амилаза слюны, а другие — в кислой среде, например фермент желудка пепсин. Перепады pH среды также вызывают денатурацию фермента, но она, как правило, в клетках обратима.

На скорость реакции и активность ферментов могут влиять и различные низкомолекулярные вещества. Активаторами ферментов являются ионы некоторых металлов. Они могут соединяться с регуляторным центром фермента, изменять его конфигурацию и повышать активность. Некоторые ферменты работают только в присутствии определенных ионов.

Ингибиторы, наоборот, замедляют или совсем прекращают работу ферментов. Ингибирование может быть двух типов: конкурентное и неконкурентное (рис. 7). При конкурентном ингибировании низкомолекулярное вещество, сходное по строению с субстратом, связывается с активным или субстратным центром фермента. Однако ингибитор расщепляться ферментом не может, он лишь блокирует доступ настоящего субстрата, являясь его конкурентом. Неконкурентный ингибитор не похож на субстрат и не может занять его место в активном центре. Но он легко присоединяется к регуляторному центру фермента, изменяет его конфигурацию таким образом, что доступ субстрата в активный центр становится невозможным.

Рис. 7. Действие ингибиторов и активаторов на фермент: I — действие неконкурентного ингибитора Б приводит к изменению конфигурации белка, и субстрат не может присоединиться к активному центру фермента; 2 — конкурентный ингибитор В занимает место субстрата в активном центре и блокирует его, но реакция не идет из-за несоответствия вещества конфигурации активного центра; 3 — действие активатора А так изменяет конфигурацию фермента, что субстрат легко присоединяется к активному центру, реакция происходит и продукты освобождаются

На ингибировании основано действие многих ядов и лекарственных препаратов. Некоторые ферменты полностью теряют активность в присутствии ионов тяжелых металлов — ртути, мышьяка, свинца. Они образуют комплексы с сульфидными группировками и вызывают необратимую денатурацию фермента.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какую природу имеют ферменты?

2. Охарактеризуйте строение фермента и каждого из его центров.

3. Объясните последовательность взаимодействия субстрата с ферментом.

4. Как скорость реакции зависит от концентрации фермента и субстрата? Почему при повышении концентрации субстрата скорость реакции возрастает до определенной величины, а далее остается неизменной?

Как изменяется скорость реакции в зависимости от температуры? Какая температура является оптимальной и почему?

Как зависит активность фермента в зависимости от pH среды? Почему ферменты работают в основном в среде, близкой к нейтральной, а не в сильно кислых или щелочных средах?

Как влияют ингибиторы на активность ферментов? Опишите механизм действия каждого вида ингибирования. В чем их отличие?

С каким ингибитором осуществляется присоединение активатора? Могут ли активаторы присоединяться в другие центры фермента? Почему?

Некоторые ферменты активны только в присутствии витаминов. Почему? В каком центре фермента работают витамины?

3. Первичный синтез органических веществ. Фотосинтез

Фотосинтез является основополагающим процессом живой природы. Благодаря этому процессу, из неорганических веществ синтезируются органические соединения, необходимые для построения всех живых тел.

Фотосинтез (от греч. phōtos — свет и synthesis — соединение) — это процесс первичного синтеза органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды), протекающий под действием солнечного света. Общее уравнение фотосинтеза можно представить так:

6H₂O + 6CO₂  C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Энергетически бедные вещества — вода и углекислый газ — при фотосинтезе превращаются в энергетически богатые органические вещества, при этом солнечная энергия аккумулируется в их химических связях. В результате этого процесса для живых организмов становятся доступными энергия и углерод, который входит в состав всех органических веществ. Кроме того, в процессе фотосинтеза в атмосферу выделяется кислород, необходимый для дыхания почти всех живых организмов.

История изучения процесса фотосинтеза

В течение нескольких веков ученые-биологи пытались разгадать тайну зеленого листа. Долгое время считалось, что растения создают питательные вещества из воды и минеральных веществ. Это убеждение было связано с экспериментом голландского ученого Яна ван Гельмонта, проведенным еще в XVII в. Ученый посадил деревце ивы в кадку, точно измерив его массу — 2,3 кг и массу сухой почвы — 90,8 кг. В течение пяти лет он только поливал растение, ничего не внося в почву. Через пять лет масса дерева увеличилась на 74 кг, тогда как масса почвы уменьшилась лишь на 0,06 кг. Ван Гельмонт сделал вывод, что растение образует все вещества из воды. Таким образом, ученый установил одно вещество, которое необходимо растению для фотосинтеза.

Первую попытку научного определения функции зеленого листа предпринял в 1667 г. итальянский натуралист Мерчелло Мальпиги — основатель анатомии растений. Он заметил, что если у проростков тыквы оторвать первые зародышевые листочки, то растение перестает развиваться. Мальпиги высказал следующее предположение: под действием солнечных лучей в листьях растения происходят какие-то преобразования и испаряется вода. Однако на эти предположения не обратили особого внимания.

Через 100 лет женевский ученый Шарль Бонне заметил любопытный факт: листья растений, погруженные в воду и выставленные на солнце, покрываются пузырьками воздуха. Бонне попытался определить, откуда берется воздух — из растений или из воды. Он поставил опыт: взял стакан с прокипяченной водой, т. е. не содержащей воздуха, и поместил в нее листья растения. Пузырьки не появлялись. Отсюда ученый заключил, что пузырьки выделяются не из листьев, а из воды. Тогда Бонне видоизменил опыт. Через газоотводную трубку он несколько раз подышал в воду и заметил, что пузырьки снова стали появляться. Бонне сделал вывод: растение не играет существенной роли в процессе выделения пузырьков, они собираются из воды на поверхности листа. Вывод оказался неверным.

Открытие роли зеленого листа в фотосинтезе принадлежит английскому химику Джозефу Пристли. В 1772 г., изучая значение воздуха для горения веществ и дыхания, он поставил следующий опыт. Под стеклянный колпак, под которым потухла свеча, он поместил растение мяту и оставил на некоторое время. Растение не погибло, а, наоборот, дало новые листочки. Когда ученый внес туда горящую лучину, она ярко вспыхнула. Воздух под колоколом стал вновь «хорошим». Пристли делает важный вывод: растения улучшают воздух и делают его пригодным для дыхания и горения. Так впервые была установлена роль зеленых растений. Проводя свои дальнейшие опыты, Пристли обратил внимание, что растения улучшают воздух на свету. Он первым высказал предположение о роли света в жизнедеятельности растений.

Позже, в 1800 г., швейцарский ученый Жан Сенебье научно разъяснил сущность этого процесса, попытался разобраться в физико-химической стороне вопроса. К этому времени уже был открыт кислород и изучены его свойства. Сенебье установил, что листья разлагают углекислый газ и выделяют кислород под действием солнечного света.

Многие ученые, пытаясь разгадать тайну зеленого листа, внесли большой вклад в изучение физиологии растений. Во второй половине XIX в. удалось получить из растений спиртовую вытяжку зеленого цвета с сильной кроваво-красной флюоресценцией. Это вещество назвали хлорофиллом.

Новой вехой в развитии знаний о фотосинтезе можно считать открытие, сделанное немецким естествоиспытателем Робертом Майером, о поглощении растением энергии солнечного света и превращении ее в энергию химических связей органических веществ. Он впервые пришел к заключению, что количество отлагающегося в растении углерода должно зависеть от количества падающего на растение света.

Важный вклад в изучение процесса фотосинтеза внес русский ученый К. А. Тимирязев. Он исследовал влияние различных участков спектра солнечного света на процесс фотосинтеза. Ему удалось установить, что именно в красных лучах процесс фотосинтеза идет наиболее эффективно, и доказать, что интенсивность фотосинтеза соответствует поглощению света хлорофиллом.

К. А. Тимирязев сделал вывод, что, усваивая углерод, растение усваивает и солнечный свет, переводя его энергию в энергию органических веществ. В своей работе «Солнце, жизнь и хлорофилл» он подробно описал и научно обосновал свои опыты. Методы и приемы лабораторных исследований К. А. Тимирязева позже использовались другими учеными для последующих работ по изучению фотосинтеза.

Актом международного признания научных заслуг ученого явилось приглашение Тимирязева в 1903 г. в Лондонское королевское общество для чтения знаменитой лекции «Космическая роль растений». За свои исследования он был избран почетным доктором нескольких западноевропейских университетов.

Хлоропласты

Наиболее примитивными фотосинтезирующими организмами являются цианобактерии. По-видимому, именно они были первыми организмами, которые могли превращать неорганический углерод атмосферы Земли в органические соединения, используя воду и энергию солнца. Кроме того, в результате этого процесса в атмосферу поступал кислород, что обеспечило появление аэробных форм жизни.

В настоящее время основными фотосинтезирующими организмами являются растения, у которых этот процесс протекает в специализированных органоидах — хлоропластах. Основываясь на данных биохимического анализа, полагают, что хлоропласты — это «потомки» древних цианобактерий, которые попали в эукариотические клетки и перешли к симбиозу с ними.

Хлоропласты — это двумембранные полуавтономные органоиды клетки. Их размеры составляют около 3–10 мкм, в среднем 5 мкм, поэтому они хорошо видны в световой микроскоп. Форма хлоропластов высших растений продолговатая, двояковыпуклая, но у водорослей она может быть разнообразной: чашевидная — у хламидомонады, спиралевидная — у спирогиры, полукольцевая — у улотрикса.

Снаружи хлоропласты окружены двойной мембраной (рис. 8). Внутренняя часть их заполнена стромой — полужидким содержимым, в котором растворены различные вещества и структуры: кольцевая молекула ДНК, РНК, рибосомы, многочисленные ферменты, крахмальные зерна, капельки масла, белки. Наличие ДНК, РНК, рибосом свидетельствует о том, что хлоропласты способны к автономному синтезу белков и самостоятельному делению.

Рис. 8. Строение хлоропластов. А — объемная схема; Б — плоская схема строения: 1 — наружная мембрана; 2 — внутренняя мембрана; 3 — строма; 4 — граны; 5 — тилакоид; 6 — ламелла; 7 — ДНК; 8 — рибосомы

В строму погружены мембранные компоненты — тилакоиды. Тилакоиды — это дисковидные мешочки, окруженные мембраной. Они образуют внутренние структуры хлоропластов. Тилакоиды уложены в виде стопок и образуют граны. Каждая грана похожа на стопку монет. Граны соединены между собой одиночными тилакоидами — ламеллами. Ламеллы имеют вид пластин. На мембранах тилакоидов идут реакции световой фазы, а в строме — тем новой фазы фотосинтеза.

Хлоропласты окрашены в зеленый цвет благодаря пигменту хлорофиллу; располагающемуся на мембранных структурах. С этим пигментом непосредственно связан процесс фотосинтеза. Хлорофилл способен поглощать кванты света, что приводит к возбуждению его электронов. Чем меньше длина волны, тем выше энергия света, тем больше возможность перехода электронов в возбужденное состояние.

В хлоропластах встречается несколько видов хлорофилла, из которых наиболее распространены хлорофиллы а и b (рис. 9). Хлорофилл а имеется у всех растений в большом количестве и играет центральную роль в фотосинтезе. Он имеет желто-зеленую окраску и наиболее интенсивно поглощает свет в красном и ультрафиолетовом спектрах. Существует несколько форм этого пигмента, которые отличаются друг от друга положением максимума поглощения в красном спектре: хлорофиллы 670, 690, 700 нм и др.

Рис. 9. Спектры поглощения и интенсивность фотосинтеза у разных видов хлорофилла

Хлорофилл b сине-зеленого цвета, более интенсивно поглощает энергию в фиолетовом спектре, но значительно меньше в красном спектре. Он также встречается у высших растений и зеленых водорослей. У бурых и некоторых одноклеточных водорослей встречается хлорофилл с, имеющий зеленую окраску. У красных водорослей имеется еще одна разновидность хлорофилла — d, также зеленого цвета. У сине-зеленых бактерий (цианей) имеется иная разновидность фотосинтетического пигмента бледно-синего цвета.

Кроме хлорофилла в хлоропластах всех фотосинтезирующих растений имеется еще оранжевый пигмент — каротин, который также принимает участие в фотосинтезе и функционирует как дополнительный пигмент.

Фазы фотосинтеза

При анализе общего уравнения фотосинтеза возникает целый ряд вопросов. Как образуется кислород? Какое из двух веществ — вода или углекислый газ — является его поставщиком? Как влияет свет на химические реакции? Какова его роль в этом процессе? Как происходит связывание и восстановление углекислого газа?

Эти вопросы долгое время оставались нерешенными. В 40-х гг. XX в., используя метод меченых атомов, удалось установить, что кислород образуется не из углекислого газа, как предполагалось долгое время, а из воды.

В молекулу воды был введен радиоактивный изотоп кислорода ¹⁸0. Такую воду использовали для полива растений, чтобы она участвовала в фотосинтезе. Анализ продуктов реакции показал, что весь радиоактивный кислород находится в выделенном кислороде:

CO₂+ H₂¹⁸O  C₆H₁₂O₆ + ¹⁸O₂

Дальнейшие исследования позволили установить, что фотосинтез протекает в две фазы: световую и темновую (рис. 10).

Рис. 10. Общая схема фотосинтеза

Все многообразие реакций, протекающих при этом, можно разделить на две группы:

1) разложение воды под действием энергии света, сопровождающееся образованием водорода и выделением свободного кислорода, и одновременное накопление энергии в результате синтеза АТФ и связывание водорода с переносчиком;

2) фиксация углекислого газа, его восстановление водородом и синтез глюкозы за счет энергии АТФ.

Световая фаза

Первая фаза фотосинтеза носит название световой, так как она протекает только под действием солнечной энергии. Реакции световой фазы происходят на мембранах тилакоидов, где располагается фотосинтезирующий пигмент — хлорофилл (рис. 11).

Рис. 11. Общая схема процессов световой фазы фотосинтеза, протекающих в тилакоиде: 1 — хлорофилл; 2 — мембрана тилакоида; 3 — внутренняя часть тилакоида; 4 — цепь электрон-переносящих ферментов; 5 — канал с ферментом АТФ-синтетазой

В световую фазу происходит несколько процессов:

1) возбуждение хлорофилла квантами света и перемещение возбужденных электронов;

2) фотолиз воды под действием света, образование кислорода и протонов водорода;

3) синтез молекул АТФ за счет энергии возбужденных электронов;

4) соединение водорода с переносчиком НАДФ⁺ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) и образование НАДФ · 2Н.

Рассмотрим подробно каждый из этих процессов.

Под действием света происходит разложение молекулы воды — фотолиз. Образуется два протона и свободный кислород, который в качестве побочного продукта выделяется в атмосферу. Иначе световую фазу еще называют стадией фотолиза воды:

₊ 2H₂O  2H⁺ + 2OH^-

2OH^-  H₂O + ¹/₂ O₂ + 2ē

________________________

H₂O  2H⁺ + ¹/₂ O₂ + 2ē.   (1)

Фотолиз воды идет на внутренней поверхности мембраны тилакоида, которая непроницаема для ионов водорода. Они скапливаются в тилакоидном пространстве, в так называемом Н⁺-резервуаре.

Одновременно кванты света, попав на хлорофилл, расположенный на мембране тилакоида, переводят его в возбужденное состояние, и он становится донором электронов:

хлорофиллсвет (hv)  хлорофилл⁺² + 2ē^[1].   (2)

Известны два типа фотосинтетических систем, содержащих хлорофилл. Фотосинтетическаясистема I (ФС I) состоит из разновидности хлорофилла 700, а фотосинтетическая система II (ФС II) — из разновидности хлорофилла 690. Каждая из фотосистем способна поглощать кванты света и испускать возбужденные электроны, которые попадают на электронно-транспортную цепь ферментов, расположенных на мембране тилакоидов. Эти процессы протекают синхронно (рис. 12).

Рис. 12. Схема переноса электронов хлорофилла в процессе синтеза АТФ (фосфорилирования). При нециклическом фосфорилировании за счет энергии ФС II идет синтез АТФ, а за счет ФС I идет синтез НАДФ · 2Н. При циклическом фосфорилировании работает только ФС I и происходит синтез АТФ

Под действием света происходит возбуждение молекул хлорофилла ФС I и ФС II, которые, поглощая кванты света, испускают возбужденные электроны. За счет энергии электронов, летящих по цепи ферментов от ФС II к ФС I, происходит синтез молекул АТФ. Этот процесс называется фосфорилированием и происходит в присутствии фермента АТФ-синтетазы.

АДФ + Ф_н АТФ

где Ф_н — неорганический фосфат H₃PO₄.

Электроны ФС II, потерявшие энергию, попадают на ФС I, которая является их конечным акцептором.

Электроны, покидающие хлорофилл фотосистемы ФС I при поглощении света, также попадают на электроннотранспортную цепь. Но за счет их энергии идет соединение протонов Н⁺ с переносчиком НАДФ⁺.

Электроны, которые теряет ФС I, восполняются электронами ФС II, а электроны, отданные молекулой воды при фотолизе, восполняют электроны, потерянные хлорофиллом ФС II, и он также восстанавливается:

хлорофилл⁺² + 2ē  хлорофилл.

На мембране имеются специальные протонные каналы, по которым в определенный момент ионы водорода могут переходить из Н⁺-резервуара тилакоида в строму хлоропласта. Каналы связаны с ферментом АТФ-синтетазой. Когда возбужденные электроны ФС I, двигаясь по мембране, достигают протонного канала, он открывается и в него устремляются ионы водорода. Этот процесс сопряжен с синтезом АТФ и происходит синхронно.

С наружной стороны мембраны тилакоида, т. е. в строме хлоропласта, скапливаются молекулы переносчика водорода НАДФ⁺ в окисленном состоянии. Они принимают электроны от ФС I, за счет чего происходит их соединение с ионами водорода Н+ и образование НАДФ · 2H:

НАДФ⁺ + 2H⁺ + 2ē  НАДФ · 2Н. (4)

Синтез АТФ и НАДФ · 2Н протекает на мембранах тилакоидов и сопряжен с переносом возбужденных электронов по электронно-транспортной цепи. Таким образом, энергия солнца преобразуется в энергию возбужденных электронов, а далее запасается в процессе синтеза в молекулах АТФ и НАДФ · 2Н.

Суммарное уравнение реакций световой фазы:

H₂O + НАДФ⁺ + 2АДФ + 2Ф_н НАДФ · 2Н + 2АТФ + ¹/₂O₂.

Темновая фаза

Глюкоза непосредственно синтезируется в темновую фазу фотосинтеза. Для этих реакций наличие света необязательно. Эту фазу иначе еще называют фиксацией углекислого газа, так как здесь происходит усвоение углекислого газа и его восстановление.

Реакции темновой фазы (рис. 13) протекают в строме хлоропластов, куда поступают молекулы НАДФ · 2Н и АТФ, синтезированные в световую фазу, и углекислый газ из атмосферы. Последовательность циклических реакций этой фазы была описана американским ученым-биохимиком Мэлвином Кальвином и получила название цикла Кальвина. Здесь происходит связывание молекул CO₂, активирование соединений за счет АТФ (фосфорилирование), восстановление углерода водородом из НАДФ · 2Н и синтез глюкозы. Источником энергии являются синтезированные на первой стадии молекулы АТФ.

Рис. 13. Общая схема темновых реакций фотосинтеза. Цикл Кальвина

В строме хлоропласта постоянно присутствует пятиуглеродный углевод (пентоза), связанный с двумя остатками фосфорной кислоты — рибулозодифосфат.

Это вещество как бы начинает цикл. Первая реакция связана с соединением молекул углекислого газа с рибулозодифосфатом. Происходит фиксация неорганического углерода.

Образующееся шестиуглеродное соединение неустойчиво и сразу же распадается на два триозофосфата.

Далее происходит активирование этих веществ молекулами АТФ. Энергия АТФ расходуется на синтез триозодифосфатов, которые становятся активными (рис. 14):

С₅-углевод-2Ф + CO₂  С₆-углевод-2Ф  2С₃-Ф

2С₃Ф + 2АТФ  2АДФ + 2С₃~2Ф.

Рис. 14. Фиксация углерода, его фосфорилирование и восстановление

После этого происходит восстановление триозодифосфатов молекулами НАДФ · 2Н:

2С₃~2Ф + 2НАДФ · 2Н  2С₃ + 2НАДФ⁺ + 2Ф.

Две молекулы триозы соединяются между собой, и образуется глюкоза, которая может в дальнейшем превращаться в сахарозу, крахмал и другие полисахариды:

2С₃  С₆Н₁₂O₆.

Часть молекул триоз может использоваться для синтеза аминокислот, глицерина, высших жирных кислот.

Частично триозы продолжают участвовать в циклических реакциях и превращаются вновь в пентозу, которая замыкает цикл.

В реакции участвуют одновременно шесть молекул каждого вещества. Таким образом, для синтеза одной полностью новой молекулы глюкозы цикл должен повториться шесть раз, т. е. должно усвоиться шесть молекул CO₂.

Освобожденные молекулы АТФ и НАДФ⁺ вновь возвращаются к мембранам тилакоидов для участия в световых реакциях.

Влияние на скорость фотосинтеза различных факторов

Интенсивность фотосинтеза зависит от целого ряда факторов. Во-первых, это длина световой волны.

Наиболее интенсивен процесс в ультрафиолетовой и красной части спектра. Кроме того, скорость фотосинтеза зависит от степени освещенности, и до определенной величины она возрастает пропорционально освещенности, но далее уже не зависит от нее (рис. 15).

Рис. 15. Влияние различных факторов на скорость фотосинтеза

Другим фактором является концентрация углекислого газа. Чем выше количество углекислого газа, тем интенсивнее идет процесс фотосинтеза. В обычных условиях недостаток углекислого газа является главным лимитирующим фактором, так как в атмосферном воздухе содержится небольшой его процент. Однако в условиях теплиц можно устранить этот дефицит, что благоприятно влияет на интенсивность роста и развития растений.

Немаловажным фактором является температура.

Все реакции фотосинтеза катализируются ферментами, для которых оптимальной температурой является интервал 25–30 °C. При низких температурах скорость действия ферментов резко снижается.

Вода является также важным фактором, влияющим на фотосинтез. Однако оценить количественно этот фактор невозможно, так как она участвует во многих других обменных процессах.

Значение фотосинтеза

Жизнь на Земле зависит от фотосинтеза. Предполагают, что первые древние организмы располагали избыточным количеством органических соединений, образовавшихся в результате геохимических процессов. Однако большая часть этих веществ была использована на заре развития жизни на Земле. С тех пор почти все органические вещества, необходимые для функционирования живых систем, образуются в процессе фотосинтеза. Первичный синтез органических веществ обеспечивает процессы ассимиляции и диссимиляции у всех живых организмов.

Человечество своим существованием обязано фотосинтезу.

Все запасы горючего на Земле и пищи — это продукты фотосинтеза. Используя топливо, мы получаем энергию, которая была запасена в органических веществах при фотосинтезе. Продукты фотосинтеза — органические вещества, которые используются живыми организмами для построения клеток; в качестве источника энергии и питательных веществ во всех процессах жизнедеятельности.

Человек использует продукты фотосинтеза для продуктов питания; в качестве источника энергии для всех отраслей промышленности (уголь, нефть, природный газ, торф, древесина — все эти вещества являются продуктами фотосинтеза); в качестве строительного материала для постройки жилища, в производстве мебели, в кораблестроении и т. д.

Одновременно с синтезом органических веществ в атмосферу выделяется кислород, который необходим для дыхания. Без кислорода невозможно представить себе жизнь на Земле. Его запасы постоянно расходуются в процессе дыхания практически всех живых организмов, а также на процессы горения и окисления, происходящие в неживой природе. По подсчетам ученых, без фотосинтеза весь запас кислорода был бы израсходован в течение 3000 лет. Следовательно, фотосинтез имеет величайшее значение для жизни на Земле.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. В каких органоидах идет процесс фотосинтеза? Как они устроены?

2. Какова роль хлорофилла в реакциях фотосинтеза?

3. Как происходит фотолиз воды? Объясните роль Н⁺-резервуара. Как происходит восстановление потерянных хлорофиллом электронов?

4. Как используется энергия возбужденных электронов?

Какова роль каналов АТФ-азы?

5. Какое вещество связывает протоны? Как происходит этот процесс?

6. Назовите основные реакции, вызываемые светом.

7. В какой части хлоропластов протекают реакции темновой фазы? Назовите основные реакции этой фазы.

8. За счет какой энергии осуществляются циклические реакции в темновой фазе?

9. Каково значение фотосинтеза? В чем заключается космическая роль зеленых растений?

4. Хемосинтез

Фотосинтез не единственный способ автотрофного питания. Существует еще один способ синтеза органических веществ из неорганических, для которого не нужна световая энергия. На Земле существуют организмы, которые извлекают энергию путем окисления различных неорганических веществ и используют ее для восстановления углекислого газа в органические вещества. Процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии окисления неорганических веществ называется хемосинтезом. Он относится к хемоавтотрофному питанию.

Хемосинтезирующие организмы были открыты русским микробиологом С. Н. Виноградским в 1887 г. Это бактерии, которые для синтеза органических веществ используют энергию химических реакций, выделяющуюся при окислении неорганических веществ.

В зависимости от того, окисление какого вещества сопровождается выделением энергии, различают азот-фиксирующие бактерии, нитрифицирующие бактерии, железо-, серобактерии и т. д. Так как это прокариотные организмы, то в их клетках отсутствуют специализированные органеллы, в которых могут происходить окислительно-восстановительные реакции. Процессы хемосинтеза у них протекают на выростах плазматической мембраны — мезосомах. Источником водорода в этих реакциях является не только вода, но и неорганические соединения: сероводород H₂S, водород H₂.

Рассмотрим химические процессы, которые протекают в клетках некоторых хемосинтезирующих бактерий.

1. У железобактерий происходит окисление двухвалентного железа в трехвалентное, которое сопровождается выделением энергии:

Fe²⁺  Fe³⁺ + Е;

4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O  4Fe(OH)₃ + 4СO₂ + Е.

2. У бесцветных серобактерий происходит окисление серы или сероводорода.

2H₂S + O₂  2Н₂O + 2S + Е;

2S + 3O₂ + 2Н₂O  2H₂SO₄ + Е.

Большое количество серобактерий обитает в Черном море, воды которого насыщены сероводородом.

3. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты:

2NH₃ + 3O₂  2HNO, + 2Н₂O + Е;

2HNO₂ + O₂  2HNO₃ + Е.

Все перечисленные бактерии являются аэробными, и окисление неорганических веществ у них происходит в присутствии кислорода. Высвобождающаяся при этом энергия запасается в молекулах АТФ, которые потом используются для образования органических веществ:

АДФ + Ф_м  АТФ.

Анаэробные хемосинтетики также участвуют в процессах окисления, но без использования кислорода. В анаэробных условиях некоторые сульфатные бактерии восстанавливают сульфаты и извлекают из них водород. К анаэробам относятся и денитрифицирующие бактерии, восстанавливающие свободный азот.

Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в биосфере. Они обеспечивают круговорот элементов в природе. Большинство хемосинтезирующих бактерий находятся в почве. С их деятельностью связано плодородие почвы, очистка воды в природе. Примером нитрифицирующих бактерий являются клубеньковые бактерии, располагающиеся на корнях бобовых растений.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какой еще способ синтеза органических веществ, кроме фотосинтеза, существует на Земле?

2. Чем хемосинтезирующие бактерии отличаются от фотосинтезирующих организмов?

3. Как вы думаете, почему в процессе эволюции фотосинтезирующие организмы получили приоритетное развитие по сравнению с хемосинтетиками?

5. Энергетический обмен

Для жизнедеятельности организма необходима энергия. Растения аккумулируют солнечную энергию в органических веществах при фотосинтезе. В процессе энергетического обмена органические вещества расщепляются и энергия химических связей освобождается. Частично она рассеивается в виде тепла, а частично запасается в молекулах АТФ. У животных энергетический обмен протекает в три этапа.

Первый этап — подготовительный

Пища поступает в организм животных и человека в виде сложных высокомолекулярных соединений. Прежде чем поступить в клетки и ткани, эти вещества должны разрушиться до низкомолекулярных, более доступных для клеточного усвоения веществ.

На первом этапе происходит гидролитическое расщепление органических веществ, идущее при участии воды. Оно протекает под действием ферментов в пищеварительном тракте многоклеточных животных, в пищеварительных вакуолях одноклеточных, а на клеточном уровне — в лизосомах.

Реакции подготовительного этапа:

белки + H₂O  аминокислоты + Q;

жиры + H₂O  глицерин + высшие жирные кислоты + Q;

полисахариды  глюкоза + Q.

У млекопитающих и человека белки расщепляются до аминокислот в желудке и в двенадцатиперстной кишке под действием ферментов — пептидгидролаз (пепсина, трипсина, хемотрипсина). Расщепление полисахаридов начинается в ротовой полости под действием фермента птиалина, а далее продолжается в двенадцатиперстной кишке под действием амилазы. Там же расщепляются и жиры под действием липазы. Вся энергия, выделяющаяся при этом, рассеивается в виде тепла.

Образующиеся низкомолекулярные вещества поступают в кровь и доставляются ко всем органам и клеткам. В клетках они поступают в лизосому или непосредственно в цитоплазму. Если расщепление происходит на клеточном уровне в лизосомах, то вещество сразу же поступает в цитоплазму. На этом этапе происходит подготовка веществ к внутриклеточному расщеплению.

Второй этап — бескислородное окисление

Второй этап осуществляется на клеточном уровне при отсутствии кислорода. Он протекает в цитоплазме клетки. Рассмотрим расщепление глюкозы, как одного из ключевых веществ обмена в клетке. Все остальные органические вещества (жирные кислоты, глицерин, аминокислоты) на разных этапах втягиваются в процессы ее превращения.

Бескислородное расщепление глюкозы называется гликолизом. Глюкоза претерпевает ряд последовательных превращений (рис. 16).

Рис. 16. Схема процесса гликолиза

Вначале она преобразуется во фруктозу, фосфорилируется — активируется двумя молекулами АТФ и превращается во фруктозо-дифосфат. Далее молекула шестиатомного углевода распадается на два трехуглеродных соединения — две молекулы глицерофосфата (триозы). После ряда реакций они окисляются, теряя по два атома водорода, и превращаются в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). В результате этих реакций синтезируются четыре молекулы АТФ. Так как первоначально на активацию глюкозы было затрачено две молекулы АТФ, то общий итог составляет 2АТФ. Таким образом, выделяющаяся при расщеплении глюкозы энергия частично запасается в двух молекулах АТФ, а частично расходуется в виде тепла. Четыре атома водорода, которые были сняты при окислении глицерофосфата, соединяются с переносчиком водорода НАД⁺ (никотинамид-динуклеотидфосфат). Это такой же переносчик водорода, как и НАДФ⁺, но участвует в реакциях энергетического обмена.

Обобщенная схема реакций гликолиза:

С₆Н₁₂O₆ + 2НАД⁺  2С₃Н₄O₃ + 2НАД · 2Н

2АДФ  2АТФ

Восстановленные молекулы НАД · 2Н поступают в митохондрии, где окисляются, отдавая водород.

В зависимости от типа клеток, ткани или организмов пировиноградная кислота в бескислородной среде может превращаться далее в молочную кислоту, этиловый спирт, масляную кислоту или другие органические вещества. У анаэробных организмов эти процессы называются брожением.

Молочнокислое брожение:

С₆Н₁₂O_{6 (глюкоза)} + 2НАД⁺  2С₃Н₄O_{3 (ПВК)} + 2НАД · 2Н  2С₃Н₆O_{3 (молочная кислота)} + 2НАД⁺

Спиртовое брожение:

C₆H₁₂O_{6 (глюкоза)} + 2НАД⁺  2С₃Н₄O_{3 (ПВК)} + 2НАД · 2Н  2С₂Н₅OH _{(этиловый спирт)} + 2СO₂ + 2НАД⁺

Третий этап — биологическое окисление, или дыхание

Этот этап протекает только в присутствии кислорода и иначе называется кислородным. Он протекает в митохондриях.

Пировиноградная кислота из цитоплазмы поступает в митохондрии, где теряет молекулу углекислого газа и превращается в уксусную кислоту, соединяясь с активатором и переносчиком коэнзимом-А (рис. 17). Образующийся ацетил-КоА далее вступает в серию циклических реакций. Продукты бескислородного расщепления — молочная кислота, этиловый спирт — также далее претерпевают изменения и подвергаются окислению кислородом. В пировиноградную кислоту превращается молочная кислота, если она образовалась при недостатке кислорода в тканях животных. Этиловый спирт окисляется до уксусной кислоты и связывается с КоА.

Рис. 17. Схема биологического окисления пировиноградной кислоты в митохондриях

Циклические реакции, в которых происходит преобразование уксусной кислоты, носят название цикла ди- и трикарбоновых кислот, или цикла Кребса, по имени ученого, впервые описавшего эти реакции. В результате ряда последовательных реакций происходит декарбоксилирование — отщепление углекислого газа и окисление — снятие водорода с образующихся веществ. Углекислый газ, образующийся при декарбоксилировании ПВК и в цикле Кребса, выделяется из митохондрий, а далее из клетки и организма в процессе дыхания. Таким образом, углекислый газ образуется непосредственно в процессе декарбоксилирования органических веществ. Весь водород, который снимается с промежуточных веществ, соединяется с переносчиком НАД⁺, и образуется НАД · 2Н. При фотосинтезе углекислый газ соединяется с промежуточными веществами и восстанавливается водородом. Здесь идет обратный процесс.

Общее уравнение декарбоксилирования и окисления ПВК:

2С₃Н₄O₃ + 6Н₂O + 10НАД⁺  6СO₂ + 10НАД · 2Н.

Проследим теперь путь молекул НАД · 2Н. Они поступают на кристы митохондрий, где расположена дыхательная цепь ферментов. На этой цепи происходит отщепление водорода от переносчика с одновременным снятием электронов. Каждая молекула восстановленного НАД · 2Н отдает два водорода и два электрона. Энергия снятых электронов очень велика. Они поступают на дыхательную цепь ферментов, которая состоит из белков — цитохромов. Перемещаясь по этой системе каскадно, электрон теряет энергию. За счет этой энергии в присутствии фермента АТФ-азы синтезируются молекулы АТФ. Одновременно с этими процессами происходит перекачивание ионов водорода через мембрану на наружную ее сторону. В процессе окисления 12 молекул НАД · 2Н, которые образовались при гликолизе (2 молекулы) и в результате реакций в цикле Кребса (10 молекул), синтезируются 36 молекул АТФ. Синтез молекул АТФ, сопряженный с процессом окисления водорода, называется окислительным фосфорилированием. Этот процесс был впервые описан русским ученым В. А. Энгельгардтом в 1931 г.

Рис. 18. Окислительное фосфорилирование. Схема работы дыхательной цепи ферментов

Конечным акцептором электронов является молекула кислорода, поступающая в митохондрии при дыхании. Атомы кислорода на наружной стороне мембраны принимают электроны и заряжаются отрицательно. Положительные ионы водорода соединяются с отрицательно заряженным кислородом, и образуются молекулы воды. Вспомним, что кислород атмосферы образуется в результате фотосинтеза при фотолизе молекул воды, а водород идет на восстановление углекислого газа. В процессе энергетического обмена водород и кислород вновь соединяются и превращаются в воду.

Обобщенная реакция кислородного этапа окисления:

2С₃Н₄O₃ + 4Н + 6O₂  6СO₂ + 6Н₂O;

36АДФ  36АТФ.

Итак, выход молекул АТФ при кислородном окислении в 18 раз больше, чем при бескислородном.

Суммарное уравнение окисления глюкозы на двух этапах:

С₆Н₁₂O₆ + 6O₂  6СO₂ + 6Н₂O + E

Таким образом, при расщеплении глюкозы на двух этапах образуется суммарно 38 молекул АТФ, причем основная часть — 36 молекул — при кислородном окислении. Такой выигрыш энергии обеспечил преимущественное развитие аэробных организмов по сравнению с анаэробными.

Эффективность энергетического обмена

Общее количество энергии, выделившееся в процессе энергетического обмена, составляет 2880 кДж/моль. Из них часть рассеивается в виде тепла, а часть запасается в 38 молекулах АТФ. Энергия, запасенная в 1 моль АТФ, составляет 30,6 кДж/моль. В 38 молекулах АТФ запасается 38 30,6 = 1162,8 кДж/моль. Эффективность процесса дыхания составляет:

(1162,8: 2880) · 100 % = 40,37 %.

Таким образом, при аэробном окислении глюкозы запасается в виде АТФ 40,37 % энергии.

При анаэробном окислении образуются лишь две молекулы АТФ. Рассчитаем эффективность этого процесса. Общее количество энергии спиртового брожения составляет 210 кДж/моль. Эффективность спиртового брожения:

(2 — 30,6: 210) · 100 % = 29,14 %.

Общее количество энергии при молочнокислом брожении (гликолиз в мышцах) составляет 150 кДж/моль. Эффективность молочнокислого брожения:

(2 — 30,6: 150) · 100 % = 40,8 %.

Сравним эти данные с КПД различных двигателей. В лучших турбинах КПД использования энергии составляет 20–25 %. В двигателях внутреннего сгорания — 35 %. Эффективность окисления органических веществ в живых организмах не вызывает сомнения.

Процессы дыхания, или биологического окисления, и горения схожи по конечному результату, но не по сберегаемости энергии. При горении вся энергия переходит в световую и тепловую, ничего при этом не запасается. В процессе дыхания часть энергии сберегается в молекулах АТФ, которые впоследствии используются в реакциях пластического обмена при синтезе органических веществ.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. АТФ — постоянный источник энергии для клетки. Его роль можно сравнить с ролью аккумулятора. Объясните, в чем заключается это сходство.

2. Что общего в реакциях превращения белков, жиров и углеводов в пищеварительном тракте человека? Как называются такие реакции? В каких органеллах клетки могут происходить аналогичные процессы расщепления?

3. Как используется организмом энергия, освобождающаяся на подготовительном этапе обмена?

4. Как продукты расщепления белков, жиров, углеводов доставляются к тканям и клеткам? Объясните механизм их транспорта через клеточную мембрану.

5. Сравните и оцените энергетическую эффективность двух типов брожения глюкозы. Сделайте вывод об эффективности анаэробного пути обмена веществ.

6. Опишите последовательность превращения пировиноградной кислоты в процессе биологического окисления. В результате каких реакций образуется углекислый газ? В каких органеллах клетки идут эти процессы?

7. Где и как используется кислород, поступающий в организм при дыхании? Где происходит образование молекул воды?

8. Как идет преобразование энергии, выделяющейся в процессе реакций кислородного этапа? Сравните количество образующихся молекул АТФ в результате циклических реакций и на дыхательной цепи. Объясните этот факт.

9. Как используется энергия электронов в процессе окислительного фосфорилирования? Почему этот процесс называется окислительным фосфорилированием? Назовите структуры митохондрий, в которых идут циклические реакции и окислительное фосфорилирование. Какие из этих реакций будут идти с большей скоростью? Ответ поясните.

10. АТФ синтезируется в митохондриях и хлоропластах. Объясните, в чем сходство и различие процессов, приводящих к синтезу этих молекул в органеллах.

6. Генетический код остановилась

Гены и ДНК

Способность клеток поддерживать высокую степень упорядоченности своей организации связана с генетической информацией.

Гены — наследственные факторы, представляющие собой определенный набор последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, в которых хранится информация о строении и свойствах каждой клетки и организма в целом. Носителями наследственной информации являются хромосомы, состоящие из молекул ДНК.

Долгое время ученые считали, что передача генетической информации осуществляется белками, так как это единственные вещества, обладающие структурным разнообразием. Многочисленные исследования бактерий и вирусов показывали несостоятельность этой теории.

Открытая Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком двойная спираль молекулы ДНК привлекла к себе пристальное внимание ученых. Были высказаны предположения, что две цепи ДНК способны раскручиваться и служить матрицей для синтеза новых молекул. Модель Уотсона и Крика помогла сформулировать общие принципы процесса передачи генетической информации от клетки к клетке, от организма к организму.

Генетический код

Специфичность каждой клетки определяется набором белков. Они составляют половину всей массы клетки, выполняют разнообразные и многочисленные функции, обеспечивают рост, развитие, дифференциацию клеток, поддержание их структуры и функций.

Вся многочисленная наследственная информация записана на ДНК в виде линейной последовательности четырех типов нуклеотидов — аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г), цитозина (Ц). Генетическая информация записана четырехбуквенным алфавитом. Последовательность нуклеотидов на ДНК определяет соответствующее информационное содержание. Число различных последовательностей в молекуле ДНК составляет 4ⁿ, где п — это число нуклеотидов в одной цепи молекулы ДНК. Величина п очень велика. Так, например, ДНК в клетке животного обычно содержит 3 · 10⁹ нуклеотидов. Как же клетка осуществляет перевод последовательности нуклеотидов ДНК в последовательность аминокислот белка?

Правила перевода последовательности нуклеотидов в нуклеиновой кислоте в аминокислотную последовательность белка называются генетическим кодом. Он был расшифрован в 60-х гг. XX в.

В результате ряда экспериментов и математических расчетов было определено, что одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. Всего в молекуле ДНК встречаются 4 типа нуклеотидов. Если бы аминокислоте соответствовал один нуклеотид, то закодировать можно было бы только 4 аминокислоты. Но этого мало, так как в клетке имеется 20 аминокислот. Если предположить, что одна аминокислота кодируется сочетанием из двух нуклеотидов, то 4² = 16, т. е. можно закодировать 16 аминокислот. Тогда 4 аминокислоты не имеют шансов попасть в белок. Следовательно, одну аминокислоту кодируют три нуклеотида: 4³ = 64.

64 кодов с избытком хватает для 20 аминокислот. В этом случае каждая аминокислота кодируется не одним, а, возможно, несколькими кодами. Экспериментальная проверка подтвердила высказанные предположения. В результате многочисленных исследований были установлены следующие свойства генетического кода.

1. Код триплетен — каждой аминокислоте соответствует сочетание из трех нуклеотидов. Всего таких сочетаний — кодонов 64. Из них 61 кодон смысловой, т. е. соответствует 20 аминокислотам, а 3 кодона — бессмысленные стоп-коды, которые не соответствуют аминокислотам, а заполняют промежутки между генами.

2. Код однозначен — каждый триплет соответствует только одной аминокислоте.

3. Код вырожден — каждая аминокислота имеет более чем один кодон. Например, аминокислота глицин имеет 4 кодона: ЦЦА, ЦЦГ, ЦЦТ, ЦЦЦ. Чаще аминокислоты имеют 2 кодона.

4. Код универсален — все живые организмы имеют один и тот же генетический код аминокислот.

5. Код непрерывен — между кодами нет промежутков.

6. Код неперекрываем — конечный нуклеотид одного кодона не может служить началом другого.

Таблица генетического кода

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Объясните последовательность передачи генетической информации: ген — белок — признак.

2. Вспомните, какая структура белка определяет его строение и свойства. Как закодирована эта структура в молекуле ДНК?

3. Что представляет собой генетический код?

4. Охарактеризуйте свойства генетического кода.

7. Реакции матричного синтеза. Транскрипция

Информация о белке записана в виде нуклеотидной последовательности в ДНК и находится в ядре. Собственно синтез белка происходит в цитоплазме на рибосомах. Следовательно, для синтеза белка необходима структура, которая переносила бы информацию от ДНК к месту синтеза белка. Таким посредником является информационная, или матричная, РНК, которая передает информацию с определенного гена молекулы ДНК к месту синтеза белка на рибосомы.

Кроме переносчика информации необходимы вещества, которые обеспечивали бы доставку аминокислот к месту синтеза и определение их места в полипептидной цепи. Такими веществами являются транспортные РНК, которые обеспечивают кодирование и доставку аминокислот к месту синтеза. Синтез белка протекает на рибосомах, тело которых построено из рибосомальных РНК. Значит, необходим еще один вид РНК — рибосомальные.

Генетическая информация реализуется в трех типах реакций: синтезе РНК, синтезе белка, репликации ДНК. В каждом из них информация, заключенная в линейной последовательности нуклеотидов, используется для создания другой линейной последовательности: либо нуклеотидов (в молекулах РНК или ДНК), либо аминокислот (в молекулах белка). Экспериментально было доказано, что именно ДНК служит матрицей для синтеза всех нуклеиновых кислот. Эти реакции биосинтеза носят название матричного синтеза. Достаточная простота матричных реакций и их одномерность позволили подробно изучить и понять их механизм, в отличие от других процессов, протекающих в клетке.

Транскрипция

Процесс биосинтеза РНК на ДНК называется транскрипцией. Этот процесс протекает в ядре. На матрице ДНК синтезируются все виды РНК — информационная, транспортная и рибосомальная, которые впоследствии участвуют в синтезе белка. Генетический код на ДНК в процессе транскрипции переписывается на информационную РНК. В основе реакции лежит принцип комплементарности.

Синтез РНК имеет ряд особенностей. Молекула РНК значительно короче и является копией только небольшого участка ДНК. Поэтому матрицей служит только определенный участок ДНК, где находится информация о данной нуклеиновой кислоте. Вновь синтезированная РНК никогда не остается связанной с исходной ДНК-матрицей, а освобождается после окончания реакции. Процесс транскрипции протекает в три этапа.

Первый этап — инициация — начало процесса. Синтез РНК-копий начинается с определенной зоны на ДНК, которая называется промотором. Эта зона содержит определенный набор нуклеотидов, которые являются старт-сигналами. Процесс катализируется ферментами РНК-полимеразами. Фермент РНК-полимераза соединяется с промотором, раскручивает двойную спираль и разрушает водородные связи между двумя цепями ДНК. Но только одна из них служит матрицей для синтеза РНК.

Второй этап — элонгация. В эту стадию происходит основной процесс. На одной цепи ДНК, как на матрице, по принципу комплементарности выстраиваются нуклеотиды (рис. 19). Фермент РНК-полимераза, шаг за шагом продвигаясь по цепи ДНК, соединяет нуклеотиды между собой, одновременно постоянно раскручивая дальше двойную спираль ДНК. В результате такого движения синтезируется РНК-копия.

Третий этап — терминация. Это завершающая стадия. Синтез РНК продолжается до стоп-сигнала — определенной последовательности нуклеотидов, которая прекращает движение фермента и синтез РНК. Полимераза отделяется от ДНК и синтезированной РНК-копии. Одновременно с матрицы снимается и молекула РНК. ДНК восстанавливает двойную спираль. Синтез завершен. В зависимости от участка ДНК таким способом синтезируются рибосомальные, транспортные, информационные РНК.

Матрицей для транскрипции молекулы РНК служит только одна из цепей ДНК. Однако матрицей двух соседних генов могут служить разные цепи ДНК. Какая из двух цепей будет использоваться для синтеза, определяется промотором, который направляет фермент РНК-полимеразу в том или ином направлении.

После транскрипции молекула информационной РНК эукариотических клеток подвергается перестройке. В ней вырезаются нуклеотидные последовательности, которые не несут информацию о данном белке. Этот процесс называется сплайсингом. В зависимости от типа клетки и стадии развития могут быть убраны разные участки молекулы РНК. Следовательно, на одном участке ДНК синтезируются разные РНК, которые несут информацию о различных белках. Это обеспечивает передачу значительной генетической информации с одного гена, а также облегчает генетическую рекомбинацию.

Рис. 19. Синтез информационной РНК. 1 — цепь ДНК; 2 — синтезируемая РНК

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какие реакции относятся к реакциям матричного синтеза?

2. Что является исходной матрицей для всех реакций матричного синтеза?

3. Как называется процесс биосинтеза иРНК?

4. Какие виды РНК синтезируются на ДНК?

5. Установите последовательность фрагмента иРНК, если соответствующий фрагмент на ДНК имеет последовательность: ААГЦТЦТГАТТЦТГАТЦГГАЦЦТААТГА.

8. Биосинтез белка

Белки являются необходимыми компонентами всех клеток, поэтому наиболее важным процессом пластического обмена является биосинтез белка. Он протекает во всех клетках организмов. Это единственные компоненты клетки (кроме нуклеиновых кислот), синтез которых осуществляется под прямым контролем генетического материала клетки. Весь генетический аппарат клетки — ДНК и разные виды РНК — настроен на синтез белков.

Ген — это участок молекулы ДНК, ответственный за синтез одной молекулы белка. Для синтеза белка необходимо, чтобы определенный ген с ДНК был скопирован в виде молекулы информационной РНК. Этот процесс был рассмотрен ранее. Синтез белка представляет собой сложный многоэтапный процесс и зависит от деятельности различных видов РНК. Для непосредственного биосинтеза белка необходимы следующие компоненты:

1. Информационная РНК — переносчик информации от ДНК к месту синтеза. Молекулы иРНК синтезируются в процессе транскрипции.

2. Рибосомы — органоиды, где происходит синтез белка.

3. Набор необходимых аминокислот в цитоплазме.

4. Транспортные РНК, кодирующие аминокислоты и переносящие их к месту синтеза на рибосомы.

5. АТФ — вещество, обеспечивающее энергией процессы кодирования аминокислот и синтеза полипептидной цепи.

Строение транспортной РНК и кодирование аминокислот

Транспортные РНК (тРНК) представляют собой небольшие молекулы с количеством нуклеотидов от 70 до 90. На долю тРНК приходится примерно 15 % всех РНК клетки. Функция тРНК зависит от ее строения. Изучение структуры молекул тРНК показало, что они свернуты определенным образом и имеют вид клеверного листа (рис. 20). В молекуле выделяются петли и двойные участки, соединенные за счет взаимодействия комплементарных оснований. Наиболее важной является центральная петля, в которой находится антикодон — нуклеотидный триплет, соответствующий коду определенной аминокислоты. Своим антикодоном тРНК способна соединяться с соответствующим кодоном на иРНК по принципу комплементарности.

Рис. 20. Строение молекулы тРНК: 1 — антикодон; 2 — место присоединения аминокислоты

Каждая тРНК может переносить только одну из 20 аминокислот. Значит, для каждой аминокислоты имеется по меньшей мере одна тРНК. Так как аминокислота может иметь несколько триплетов, то и количество видов тРНК равно числу триплетов аминокислоты. Таким образом, общее число видов тРНК соответствует числу кодонов и равно 61. Трем стоп-кодам не соответствует ни одна тРНК.

На одном конце молекулы тРНК всегда находится нуклеотид гуанин (5'-конец), а на другом (3'-конце) всегда три нуклеотида ЦЦА. Именно к этому концу идет присоединение аминокислоты (рис. 21). Каждая аминокислота присоединяется к своей специфической тРНК с соответствующим антикодоном. Механизм этого присоединения связан с работой специфических ферментов — аминоацил-тРНК-синтетазами, которые присоединяют каждую аминокислоту к соответствующей тРНК. Для каждой аминокислоты имеется своя синтетаза. Соединение аминокислоты с тРНК осуществляется за счет энергии АТФ, при этом макроэргическая связь переходит в связь между тРНК и аминокислотой. Так происходит активирование и кодирование аминокислот.

Этапы биосинтеза белка. Процесс синтеза полипептидной цепи, осуществляемый на рибосоме, называется трансляцией. Информационная РНК (иРНК) является посредником в передаче информации о первичной структуре белка, тРНК переносит закодированные аминокислоты к месту синтеза и обеспечивает последовательность их соединений. В рибосомах осуществляется сборка полипептидной цепи.

Рис. 21. Активирование и кодирование аминокислоты: 1 — тРНК; 2 — аминокислота

В рибосоме имеются три центра, с которыми связываются молекулы РНК: один центр для иPHК и два — для тРНК. Одна тРНК с аминокислотой удерживается в аминоацильном центре, а другая — в пептидном центре, где идет рост полипептидной цепи.

Первый этап — инициация. Синтезированная в процессе транскрипции иPHК выходит из ядра и направляется в цитоплазму к месту синтеза белка — рибосоме. За счет различных белковых факторов и энергии АТФ происходит соединение иPHК и двух субъединиц рибосом, которые до этого момента находились в диссоциированном состоянии. Прежде чем рибосома начнет синтез полипептидной цепи, к иРНК должна присоединиться особая молекула — инициаторная тРНК с аминокислотой. С нее всегда начинается синтез белка. По принципу комплементарности тРНК своим антикодоном соединяется с кодоном на иРНК и входит в рибосому. Этот кодон на иPHК называется старт-кодоном.

В результате взаимодействия всех компонентов образуется комплекс: рибосома — иРНК — тРНК-инициатор — аминокислота.

Вторая стадия — элонгация. Это стадия роста полипептидной цепи. Далее начинается сборка полипептидной цепи. Следующая тРНК с аминокислотой по принципу комплементарности антикодона с кодоном соединяется с иPHК и входит в рибосому. Первая тРНК закрепляется в пептидном центре, а вторая тРНК— с аминокислотой в аминоацильном центре. Аминокислоты сближаются друг с другом, между ними возникает пептидная связь, и образуется дипептид. При этом первая тРНК освобождается и, покидая рибосому, тянет за собой иPHК, которая продвигается на один триплет.

Вторая тРНК с дипептидом перемещается в пептидный центр, а в рибосому входит третья тРНК с аминокислотой (рис. 22). Весь процесс далее вновь и вновь повторяется. иРНК, последовательно продвигаясь через рибосому, каждый раз вносит новую тРНК с аминокислотой и выносит освободившуюся тРНК. Постепенно идет наращивание полипептидной цепи. Весь процесс обеспечивается деятельностью ферментов и энергией макроэргических соединений (АТФ и др.).

Рис. 22. Схема биосинтеза полипептидной цепи. Стрелкой показано направление движения иPHК

Последний этап — терминация. Как только в аминоацильный центр попадает стоп-кодон, синтез прекращается. Место тРНК занимает в этом случае специфический белок-фермент, который осуществляет гидролиз связи между последней тРНК и синтезированным белком. Рибосома снимается с иPHК и распадается на две субъединицы, последняя тРНК также освобождается и попадает вновь в цитоплазму. Синтезированная молекула белка поступает в ЭПС или цитоплазму, где претерпевает изменения и приобретает соответствующие структуры.

Процесс трансляции обычно осуществляется многократно. Одна иPHК может соединяться с несколькими рибосомами, образуя поли рибосому.; или полисому, на которой идет одновременно синтез многих молекул одного белка (рис. 23).

Рис. 23. Полисома: 1 — иPHК; 2 — малая субъединица рибосомы; 3 — большая субъединица рибосомы; 4 — синтезируемая полипептидная цепь

Если синтез происходит на гранулярной эндоплазматической сети, то поли пептидная цепь поступает в канальца эндоплазматической сети. Здесь она приобретает свою окончательную структуру и превращается в молекулу белка. Далее белок поступает в аппарат Гольджи и выносится из клетки. Если синтез происходит на рибосомах в цитоплазме, то синтезированные молекулы остаются и используются клеткой.

Весь процесс синтеза одного белка длится от 20 до 500 с и зависит от длины полипептида. Например, в рибосоме кишечной палочки белок из 300 аминокислот синтезируется приблизительно за 20 с.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какое строение имеет молекула тРНК? Назовите ее ключевые участки.

2. За счет каких связей поддерживается конфигурация молекулы тРНК?

3. Сколько видов тРНК имеется в клетке? Чем они отличаются друг от друга? Почему их такое количество?

4. Назовите процесс синтеза полипептидной цепи. В каких органеллах клетки он происходит?

5. Используя таблицу кодов ДНК, определите аминокислотный состав фрагмента полипептидной цепи, если участок гена на ДНК имеет следующую нуклеотидную последовательность:

ГАТГАТЦАГГАТГЦЦТГТЦТГТТЦААГГГАЦТЦАТТ.

6. Каким образом синтезируются одновременно несколько молекул одного и того же белка?

9. Матричный синтез ДНК

Репликация ДНК

Процесс самоудвоения молекулы ДНК, обеспечивающий точное копирование генетической информации, называется репликацией или удвоением молекул ДНК.

Открытию механизма репликации предшествовали многочисленные эксперименты по синтезу ДНК. Модель молекулы ДНК, предложенная Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком, породила целую серию экспериментов по выяснению механизма ее репликации. Наиболее убедительные данные были представлены в 1958 г. учеными М. Мезелсоном и Ф. Сталем. В процессе эксперимента были выдвинуты три гипотезы.

1. Консервативная репликация. Двухцепочечная молекула ДНК служит матрицей для синтеза полностью новой молекулы ДНК, т. е. новая ДНК является полной копией исходной.

2. Полуконсервативная репликация. На каждой цепи исходной молекулы ДНК синтезируется вторая недостающая цепь по принципу комплементарности. Каждая новая ДНК состоит из одной исходной и одной новой цепи ДНК.

3. Фрагментарная репликация. Молекула ДНК распадается на короткие фрагменты, которые используются в качестве матрицы для достройки недостающих фрагментов новых молекул ДНК.

В качестве объекта эксперимента была использована кишечная палочка, которая содержит в клетке всего одну молекулу ДНК. Для выяснения правильной версии бактерии выращивались на питательной среде, содержащей радиоактивный изотоп азота ¹⁵N. Через несколько поколений ДНК всех бактерий содержали изотоп ¹⁵N (рис. 24).

Puc. 24. Гипотезы процесса репликации ДНК: 1. А — консервативная; Б — полуконсервативная; В — фрагментарная. II. Результат центрифугирования молекулы ДНК бактерий

Методом центрифугирования эти ДНК были выделены из клеток в виде отдельной фракции, что доказывало, что ДНК всех бактерий имеют одинаковый изотопный состав. Далее бактерии, содержащие в ДНК только изотоп ¹⁵N, были перенесены на питательную среду с обычным изотопом азота ¹⁴N. Центрифугирование ДНК нового поколения бактерий показало, что эти молекулы содержали азот ¹⁴N и ¹⁵N, но их невозможно было разделить по массе на фракции. Следовательно, оба изотопа находились в одной молекуле ДНК. Первая версия о консервативном способе репликации ДНК была отвергнута, так как отсутствовали отдельные фракции ДНК с ¹⁴N и ДНК с ¹⁵N.

Для проверки двух оставшихся версий были исследованы ДНК третьего поколения бактерий. Их удалось четко разделить на две фракции: ДНК (¹⁴N) и ДНК (¹⁴N, ¹⁵N). Таким образом, отпала третья версия о фрагментарной репликации ДНК. Эксперимент позволил установить, что ДНК синтезируется полуконсервативным способом.

В основе репликации ДНК лежат следующие принципы.

Комплементарность. Каждая цепь молекулы ДНК содержит последовательность нуклеотидов, в точности комплементарную последовательности нуклеотидов на другой цепи. Следовательно, новые молекулы несут одну и ту же генетическую информацию: цепь А является шаблоном для синтеза цепи А', а цепь А' — шаблоном для синтеза цепи А.

Полуконсервативный синтез. Если разделить цепи А и А' одной молекулы ДНК, то каждая из них будет служить матрицей для синтеза соответствующей недостающей цепи. Новые молекулы ДНК будут содержать одну новую и одну исходную материнскую цепь ДНК. Две дочерние молекулы ДНК полностью идентичны исходной материнской.

Антипараллельность. Две цепи в молекуле ДНК антипараллельны. Это значит, что у нуклеотида в начале одной цепи находится остаток дезоксирибозы со свободной гидроксогруппой (-OH) у 3'-атома углерода, а у комплементарного ему нуклеотида в начале другой цепи находится остаток фосфорной кислоты, соединенный с 5'-атомом углерода дезоксирибозы. Соответственно, первая цепь заканчивается нуклеотидом с 5'-концом, а вторая цепь — нуклеотидом с 3'-концом.

Челночный синтез. Фермент ДНК-полимераза, обеспечивающий синтез новой цепи ДНК на матрице исходной цепи, соединяет нуклеотиды только в направлении от 5'-нуклеотида к 3'-нуклеотиду. Поэтому синтез идет на одной цепи вперед в направлении 5'—3' непрерывно, а затем по другой цепи назад к 5'-концу фрагментами. Отдельные фрагменты соединяются позже.

Процесс репликации протекает в три стадии.

Стадия I — инициация. Репликация молекулы ДНК начинается с разъединения двойной спирали с одного конца, причем процесс идет не на всем участке молекулы, а частями, фрагментарно. Эта реакция проводится в присутствии нескольких белковых факторов. Две цепи в молекуле ДНК связаны достаточно прочно, поэтому для их разъединения необходимы специальные белки. Белки первого типа, перемещаясь по молекуле ДНК, раскручивают спираль и разрушают водородные связи между комплементарными основаниями, расплетая двойную спираль. Белки второго типа предотвращают повторное соединение двух цепей и обеспечивают эффективность действия белков первого типа. Кроме того, они выпрямляют одиночные цепи ДНК и обеспечивают продвижение фермента ДНК-полимеразы, который катализирует синтез новых цепей. В результате действия всех белковых факторов образуется репликационная вилка (рис. 25).

Рис. 25. Репликация ДНК: I — строение репликационной вилки: 1 — ДНК-расплетающий белок; 2 — ДНК-связывающий белок; 3 — ДНК-полимераза; II — синтез ДНК на ведущей и отстающей цепи (стрелками показано направление синтеза и перемещение ДНК-полимеразы)

Стадия II — элонгация. На этой стадии происходит собственно синтез ДНК. По принципу комплементарности на каждой из цепей ДНК выстраиваются нуклеотиды. Самокопирующий фермент ДНК-полимераза, передвигаясь по репликационной вилке, соединяет между собой нуклеотиды в направлении от 5'- к 3'-концу. Движение фермента идет только в одном направлении. Так как цепи ДНК антипараллельны, то по другой цепи ДНК-полимераза движется в обратном направлении и синтезирует фрагмент от начала репликационной вилки к концу цепи.

На первой цепи фермент, дойдя до начала репликационной вилки, как бы стимулирует движение связывающего белка. Он передвигается выше, расплетая молекулу ДНК дальше. Фермент вновь передвигается по первой цепи, продолжая прерванный синтез с последнего нуклеотида. На другой же цепи фермент синтезирует второй фрагмент ДНК в обратном направлении.

Репликационная вилка оказывается несимметричной. Одна из дочерних цепей ДНК (ведущая) строится непрерывно, а другая (отстающая) — синтезируется прерывисто, в виде отдельных фрагментов. Фрагменты соединяются друг с другом позже, только после синтеза следующих фрагментов.

Последняя III стадия называется терминацией. С вновь синтезированных молекул ДНК снимаются все белковые факторы, ферменты. Две дочерние молекулы ДНК расходятся, спирализуются и приобретают соответствующую структуру. Процесс синтеза ДНК заканчивается.

Копирование ДНК происходит с высокой точностью. В среднем на каждые 1 · 10⁹ комплементарных пар нуклеотидов, образующихся в ходе репликации, приходится одна ошибка. Эти ошибки устраняются особой корректирующей системой белков, распознающих и удаляющих неправильные нуклеотидные остатки.

Точность копирования обеспечивает правильность передачи наследственной информации. Весь процесс репликации происходит за счет энергии АТФ.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какие гипотезы были выдвинуты при изучении процесса репликации ДНК? Каким методом удалось доказать полуконсервативный принцип репликации?

2. Объясните процесс репликации ДН К. Почему синтез молекулы ДНК идет фрагментарно, а не целиком по всей длине?

3. Какой фермент участвует в синтезе дочерних цепей ДНК?

4. Определите последовательность второй цепи ДНК, если первая цепь имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦТТААЦАЦЦГГГЦАТТЦЦГГГААТТГ.

10. Регуляция обменных процессов в клетке Клеточный гомеостаз

Клетка работает как единый, слаженный механизм, с высокой степенью точности, согласованности и целесообразности. Регуляция химической активности клетки происходит в значительной степени автоматически и связана с белками. Именно они являются основой всех процессов жизнедеятельности клетки. Белки-ферменты обеспечивают все реакции обмена веществ, строительные белки определяют специфические особенности клетки, ее форму, регуляторные белки стимулируют или тормозят работу ткани, органа, клетки в целом, наконец, реализацию информации в ДНК. В сущности, все особенности организма определяются теми белками, которые синтезируются в его клетках.

В ДНК любой клетки организма закодирована информация обо всех белках, которые входят в их состав. В клетках бактерий находится несколько миллионов генов, а у человека их около трех миллиардов. Это количество генов содержится во всех клетках организма, тем не менее клетки у многоклеточного организма весьма разнообразны по структуре и по функциям, в них синтезируются и накапливаются различные молекулы РНК и белков. Исследования ученых показали, что это связано не с потерей части генов в ДНК при дифференцировке клеток, а с изменением их активности. Доказательством служит возможность вырастить из одной клетки организма новый организм, полностью идентичный исходному. Так, например, из клетки образовательной ткани растений, культивируемых на искусственной питательной среде, можно получить взрослое растение. По каким же правилам различные наборы генов активизируются в определенной клетке? Каков механизм регуляции их активности?

Впервые на этот вопрос попытались ответить в 1961 г. ученые Франсуа Жакоб и Жак-Люсьен Моно. Проведя ряд экспериментов на бактериях с пересаживанием их на разные искусственные среды, они обнаружили, что синтез некоторых ферментов у бактерий может как подавляться, так и активизироваться в зависимости от среды.

Ф. Жакоб и Ж.-Л. Моно предположили существование механизмов, включающих (активирующих) и выключающих (репрессирующих) гены. Такими регуляторами могли быть только белки. Согласно гипотезе Жакоба и Моно, на ДНК существует два вида генов: структурные гены, которые определяют структуру ферментов или других белков с различной функцией, и регуляторные гены, которые ответственны за синтез специальных регуляторных белков. Регуляторные белки связываются непосредственно с ДНК и определяют активность того или иного участка.

Ген-регулятор содержит генетическую информацию для синтеза белка-регулятора, который воздействует на определенный участок молекулы ДНК — оператор. За оператором находится зона структурного гена, но для функционирования последнего необходимо связывание белка-регулятора с оператором или, наоборот, освобождение оператора от белка-регулятора (рис. 26, А). Участок на ДНК, состоящий из зоны оператора и структурного гена, называется опероном. Таким образом, белок-регулятор руководит работой всего оперона.

Рис. 26. А — схема оперонной регуляции активности генов (схема Жакоба и Моно); Б — механизм двойной регуляции клеточного метаболизма (сплошной линией показана прямая регуляция, пунктиром — обратная связь)

В настоящее время имеются данные о том, что на ДНК существует специальная зона рядом с оператором, где связывается фермент РНК-полимераза, обеспечивающий процесс транскрипции. Эта же зона определяет, на какой из цепей ДНК будет происходить синтез РНК.

Белки-регуляторы включают и выключают активность структурных генов, причем иногда для включения одного структурного гена необходимо несколько белков-регуляторов. Возможно, в клетке существует разветвленная система взаимодействия белков, согласно которой одни регуляторные гены действуют на другие и т. д. Комбинация нескольких регуляторных белков осуществляет активацию или торможение структурных генов. Однако не все регуляторные белки равны по значимости. Имеются такие регуляторы, которые координируют работу целой системы генов-регуляторов органа и организма. Например, отсутствие одного-единственного регулятора мужского полового гормона тестостерона приводит к тому, что эмбрион с мужским типом наследственной информации развивается по женскому типу.

Биосинтез белка состоит из целого ряда реакций, поэтому на пути от ДНК к белку контроль может осуществляться на любом этапе. Первичный контроль синтеза белков осуществляется на уровне транскрипции при участии регуляторных белков. Кроме того, он может осуществляться на этапе созревания иPHК (процессинга), транспорта РНК из ядра в цитоплазму, в процессе трансляции и, наконец, после синтеза белка при его модификации.

Кроме прямой регуляции, идущей от белка-регулятора к структурному гену, в клетке осуществляется и обратная регуляция — от структурного белка или продукта, синтез которого катализирует данный белок, к регуляторному белку (рис. 26, Б). Так, при возрастании концентрации конечного синтезируемого продукта это вещество может связываться с регуляторным белком, который, в свою очередь, заблокирует синтез иPHК, а следовательно, и синтез белка. В этом случае происходит ингибирование по типу обратной связи.

Процесс регуляции довольно сложен и, несомненно, находится под контролем генетического аппарата клетки. Механизм двойной регуляции активности генов обеспечивает взаимодействие содержимого цитоплазмы, ядра и внешней среды, весь клеточный метаболизм. При повышении концентрации в клетке какого-либо продукта за счет обратной связи происходит блокирование дальнейшего синтеза, при понижении концентрации синтез вновь может возобновиться.

Рассмотрим еще один пример, связанный с изменением количества АТФ в клетке. Концентрация АТФ поддерживается в клетке на определенном уровне. Ее понижение служит сигналом для ферментов, расщепляющих глюкозу. Структура ферментов изменяется, они активизируются. Начинается активный распад глюкозы, сопровождающийся синтезом АТФ. Пока клетка использует активно АТФ, ее синтез продолжается. Как только активность клеточных процессов понижается или прекращается, концентрация АТФ возрастает до уровня нормы и блокирует деятельность ферментов, расщепляющих глюкозу.

Клетка сохраняет свою стабильность и устойчивость за счет динамического равновесия между ядром и цитоплазмой, клеткой в целом и внешней средой. Это свойство живой системы носит название гомеостаза. Гомеостатические механизмы в клетке разнообразны. Это буферные системы клетки, обеспечивающие постоянство pH среды, оперонная регуляция процессов синтеза веществ, изменение концентрации веществ в клетке, а также и другие механизмы. На клеточном уровне происходит саморегуляция и оптимальное функционирование живой системы.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какие два типа белков по характеру деятельности синтезируются в клетке? В чем их основное различие?

2. Как происходит регуляция деятельности клетки на уровне ДНК?

3. В чем смысл регуляции обменных процессов в клетке?

4. Какие системы, поддерживающие клеточный гомеостаз, вам известны? В чем их особенность?

Заключение

Основой жизнедеятельности клетки является обмен веществ и превращение энергии — метаболизм. Метаболизм клетки представляет собой сложный многоэтапный процесс, состоящий из ассимиляции (реакций синтеза) и диссимиляции (реакций распада). Эти процессы взаимосвязаны и обеспечиваются ферментативными системами клетки.

Первичный синтез органического вещества — фотосинтез осуществляется из неорганических веществ под действием энергии солнечного света. Он обеспечивает аккумуляцию этой энергии в энергию химических связей органических веществ.

Все остальные процессы метаболизма, протекающие в клетке, используют энергию химических связей, запасенную в первичносинтезированных органических веществах. Превращение энергии в клетке осуществляется универсальным источником энергии — АТФ.

Реализация наследственной программы осуществляется в результате реакций матричного синтеза. В ДНК закодирована информация о структуре РНК и белков. Их синтез осуществляется в процессе матричных реакций. Специфичность структуры белков связана с генетическим кодом и генами, представленными в молекулах ДНК в виде последовательности нуклеотидов. В клетке имеются регуляторные и структурные гены. Активность структурных генов регулируется путем воздействия белков-регуляторов, осуществляющих контроль.

Регуляторные гены обеспечивают реализацию специфической генетической информации в каждой конкретной клетке. Клетка сохраняет свою стабильность и устойчивость за счет динамического равновесия между ядром и цитоплазмой. На клеточном уровне происходит саморегуляция и оптимальное функционирование живой системы.

На уровне клетки реализуются все основные свойства живого: питание, дыхание, выделение, рост, размножение, обмен веществ и энергии с окружающей средой.

Примечания

1

Возбуждение, избыток энергии.

(обратно)

Оглавление

Предисловие

1. Обмен веществ и превращение энергии как основное свойство живого

  Понятие об обмене веществ и превращении энергии

  Значение АТФ в обмене веществ

  Типы обмена веществ

  Взаимосвязь реакций обмена веществ у автотрофных и гетеротрофных организмов

  Вопросы и задания для самоконтроля

2. Ферментативный характер реакций обмена веществ

  Свойства ферментов

  Строение ферментов

  Механизм действия фермента

  Вопросы и задания для самоконтроля

3. Первичный синтез органических веществ. Фотосинтез

  История изучения процесса фотосинтеза

  Хлоропласты

  Фазы фотосинтеза

  Световая фаза

  Темновая фаза

  Влияние на скорость фотосинтеза различных факторов

  Значение фотосинтеза

  Вопросы и задания для самоконтроля

4. Хемосинтез

  Вопросы и задания для самоконтроля

5. Энергетический обмен

  Первый этап — подготовительный

  Второй этап — бескислородное окисление

  Третий этап — биологическое окисление, или дыхание

  Эффективность энергетического обмена

  Вопросы и задания для самоконтроля

6. Генетический код остановилась

  Гены и ДНК

  Генетический код

  Вопросы и задания для самоконтроля

7. Реакции матричного синтеза. Транскрипция

  Транскрипция

  Вопросы и задания для самоконтроля

8. Биосинтез белка

  Строение транспортной РНК и кодирование аминокислот

  Вопросы и задания для самоконтроля

9. Матричный синтез ДНК

  Репликация ДНК

  Вопросы и задания для самоконтроля

10. Регуляция обменных процессов в клетке Клеточный гомеостаз

  Вопросы и задания для самоконтроля

Заключение

*** Примечания ***