№ 5. Пластичний обмін.

Біосинтез білків. Генетичний код. Етапи біосинтезу білків. Біосинтез нуклеїнових кислот. Розвязок задач.

11 Б 19.02.2020

12/16 10.02.2020

13/19 .01.2020

17 Д-2 3.02.2020

18 А-2 20.01.2020

Пластичний обмін.

1. Характеристика пластичного обміну.

2. Біосинтез білків. Генетичний код.

3. Етапи біосинтезу білків.

4. Біосинтез нуклеїнових кислот.

5. Розвязок задач.

Актуалізація опорних знань та мотивація навчально-пізнавальної діяльності

Основні етапи обміну речовин у дітей з моменту народження до формування дорослого організму має ряд своїх особливостей.

Анаболічні процеси різко активізуються у плода в останні тижні вагітності. Відразу після народження відбувається активна адаптація метаболізму до переходу на дихання атмосферним киснем. У грудної дитини і в перші роки життя спостерігається максимальна інтенсивність обміну речовин і енергії, а потім відзначається деяке зниження показників основного обміну.

Основний обмін речовин у дітей змінюється в залежності від віку дитини і типу живлення. У порівнянні з першими днями життя, до півтора років обмін речовин збільшується більш ніж удвічі.

З другого тижня життя дитини білковий обмін характеризується позитивним азотистим балансом і підвищеною потребою в білку. Дитині потрібно в 4-7 разів більше амінокислот, ніж дорослому. У дитини також є велика потреба у вуглеводах. Жир становить 1/8 частини тіла дитини і є носієм енергії, сприяє засвоєнню жиророзчинних вітамінів, захищає організм від охолодження, є структурною частиною багатьох тканин.

В дітей є фізіологічна тенденція до кетозу, у виникненні якого можуть грати роль незначні запаси глікогену. Вміст води в тканинах дитини висока і становить у грудних дітей 3/4 ваги і з віком зменшується.

До періоду статевого дозрівання витрата енергії на основний обмін зменшується на 300 ккал/куб.м. При цьому у хлопчиків енергетичні витрати на основний обмін в перерахунку на один кілограм ваги вище, ніж у дівчаток. З зростання збільшуються витрати енергії на м'язову діяльність.

Вивчення нового матеріалу

1. Характеристика пластичного обміну

Пластичним обміном, або асиміляцією, або анаболізмом називається сукупність реакцій біологічного синтезу, при якому з речовин, що надійшли в клітину, утворюються речовини, специфічні для даної клітини. До пластичного обміну відноситься біосинтез білків, фотосинтез, синтез нуклеїнових кислот, жирів і вуглеводів.

Назва цього виду обміну відображає його сутність: з речовин, що поступають у клітину ззовні, утворюються речовини, подібні речовинам клітини. Процеси розкладу сполук не завжди врівноважені процесами їхнього синтезу. Так, під час росту клітини чи організму процеси синтезу переважають над процесами розкладу. Завдяки цьому забезпечується накопичення необхідних сполук і ріст організмів.

Під час інтенсивної фізичної роботи, у разі нестачі поживних речовин або старіння, навпаки, процеси розкладу переважають над процесами синтезу. Якщо втрати біомаси та енергії не будуть компенсовані харчуванням, то організм поступово виснажуватиметься, що врешті-решт призведе до загибелі.

2. Біосинтез білків. Генетичний код

Розглянемо одну з найважливіших форм пластичного обміну — біосинтез білків. Як вже наголошувалося, все різноманіття властивостей білків кінець кінцем визначається їх первинною структурою, тобто послідовністю амінокислот.

Величезна кількість відібраних у процесі еволюції унікальних поєднань амінокислот відтворюється шляхом синтезу нуклеїнових кислот з такою послідовністю азотних основ, яка відповідає послідовності у білках.

Кожній амінокислоті в поліпептидному ланцюжку відповідає комбінація з трьох нуклеотидів — триплет. Так, амінокислоті цистеїну відповідає триплет АЦА, валіну — ЦАА, лізину — ТТТ тощо.

Таким чином, певні поєднання нуклеотидів і послідовність їх розташування в молекулі ДНК є кодом, який несе інформацію про структуру білка, або генетичним кодом.

Генетичний код різних організмів має деякі загальні властивості.

1. Надмірність. Код включає всілякі поєднання трьох (з чотирьох) азотних основ. Таких поєднань може бути 43 = 64, тоді як кодуються тільки 20 амінокислот. У результаті деякі амінокислоти кодуються декількома триплетами.

Наприклад, амінокислоті аргініну можуть відповідати триплети ГЦА, ГЦГ, ГЦТ, ГЦЦ тощо. Ця надмірність коду має велике значення для підвищення надійності передачі генетичної інформації. Таким чином випадкова заміна третього нуклеотида в цих триплетах ніяк не відобразиться на структурі білка, що синтезується.

2. Специфічність. Немає випадків, коли один і той же триплет відповідав би більше ніж одній амінокислоті.

3. Універсальність. Код універсальний для всіх живих організмів — від бактерій до ссавців.

4. Дискретність. Кодові триплети ніколи не перекриваються, тобто транслюються завжди цілком. При зчитуванні інформації з молекули ДНК неможливе використання азотної основи одного триплету в комбінації з основами іншого триплету.

5. В довгій молекулі ДНК, що складається з мільйонів нуклеотидних пар, записана інформація про послідовність амінокислот в сотнях різних білків. Зрозуміло, що інформація про первинну структуру індивідуальних білків — повинна якось розмежовуватися. Дійсно, існують триплети, функцією яких є ініціація синтезу полінуклеотидного ланцюжка і-РНК: ініціатори і триплети, які припиняють синтез, — термінатори. Отже, вказані триплети служать «розділовими знаками» генетичного коду.

3. Етапи біосинтезу білків

Перший етап біосинтезу білків пов'язаний із синтезом молекули іРНК на молекулі ДНК однієї із хромосом. При цьому особливий фермент (РНК-полімераза) роз'єднує подвійну спіраль ДНК.

Потім на одному з її ланцюгів за участі цього ферменту за принци­пом комплементарності синтезуєть­ся молекула іРНК. Таким чином, молекула іРНК є точною копією цієї ділянки ДНК. Ці процеси називають транскрипцією.

Потім молекула іРНК з ядра надхо­дить у цитоплазму клітини.

На наступному етапі — трансляцїі — послідовність нуклеотидів у молекулі іРНК переводиться в послідовність амінокислотних залишків молекули білка, що синтезується. Спочатку в цитоплазмі котрась із 20 амінокислот приєднується до відповідної молекули тРНК.

Цей процес називають активацією амінокислот. У свою чергу іРНК зв'язується з рибосомою, а згодом — і з амінокислотним залишком, приєднаним до певної молекули тРНК. Такий комплекс готовий до початку синтезу молекули білка.

На наступних етапах біосинтезу білка поліпептидний ланцюг подовжується завдяки тому, що амінокислотні залишки послідовно зв'язуються між собою за допомогою особливих міцних ковалентних (пептидних) зв'язків.

Як ви пам'ятаєте, один з кінців молекули тРНК утворює петлю. Там розміщений триплет нуклеотидів, що визначає, яку саме амінокислоту вона транспортує (антикодон). Він має утворювати комплементарну пару з відповідним триплетом ІРНК (кодоном). Амінокислотний залишок при цьому приєднаний до протилежної частини молекули тРНК.

Під час синтезу білкової молекули ниткоподібна молекула ІРНК опиняється між двома субодиницями рибосоми. Зчитується генетична інформація та приєднуються амінокислотні залишки до молекули білка, що синтезується, в особливій ділянці рибосоми — функціональному центрі. Його розміри відповідають довжині двох триплетів, тому в ньому водночас перебувають два сусідні триплети ІРНК. В одній частині функціонального центру антикодон тРНК впізнає кодон ІРНК, а в іншій — амінокислота звільняється від тРНК.

Рибосома робить крок, що дорівнює одному триплету. До ділянки функціонального центру рибосоми, яка звільнилася, надходить третя молекула тРНК (3). Відбувається ще один крок рибосоми. У цей час антикодон третьої молекули тРНК (УУУ) взаємодіє з кодоном AAA. Молекула білка, що синтезується, складається вже з трьох залишків амінокислот (5). Зверніть увагу: у другій ділянці функціонального центру рибосоми молекула тРНК відсутня. Це пов'язано з тим, що там перебуває триплет іРНК УГА, який дає сигнал про припинення синтезу білкової молекули. Завершується процес біосинтезу молекули білка (III), коли велика та мала субодиниці рибосом роз'єднуються та залишають молекулу іРНК. Водночас звільняються й молекули тРНК (3) та синтезована молекула білка (5).

Коли рибосома просувається вперед уздовж молекули іРНК, її місце заступає друга, згодом — третя, четверта тощо і біосинтез нових білкових молекул триває. Кількість рибосом, які одночасно можуть бути розташо­вані на молекулі іРНК, визначається її довжиною. Комплекс рибосом, об'єднаних молекулою іРНК, називають полірибосомою, або скорочено — полісомою. Таким чином, на одній полісомі водночас відбува­ється синтез багатьох молекул певного білка.

На завершальному етапі синтезований білок набуває своєї природної конформації. У цей час за участі відповідних ферментів відщеплюються зайві амінокислотні залишки, до складу молекули можуть приєднуватися небілкові складові (ортофосфатні, карбоксильні та інші групи, вуглеводи, ліпіди тощо). Лише після цих процесів молекула білка стає функціональ­но активною. Процеси синтезу білкових молекул потребують витрат енергії, яка звільняється при розщепленні молекул АТФ.

4. Біосинтез нуклеїнових кислот

Майже всі живі організми здатні синтезувати нуклеотиди в результаті послідовних ферментативних реакцій. Попередниками нуклеотидів, які входять до складу нуклеїнових кислот, є амінокислоти. Також під час розщеплення нуклеїнових кислот значна частина нітратних основ не розщеплюється, а використовується знову для синтезу нових нуклеотидів.

Різні види нуклеїнових кислот утворюються по-різному. Біосинтез ДНК ґрунтується на здатності молекул ДНК до самоподвоєння — реплікації, унаслідок чого дочірні молекули ДНК стають точною копією материнської.

Усі види РНК (іРНК, тРНК, рРНК) синтезуються за принципом комплементарності на молекулах ДНК. Ці реакції забезпечуються відповідними ферментами. Спочатку синтезуються попередники РНК, які згодом перетворюються на функціонально активні молекули.

Біологічним системам притаманний особливий тип біохімічних реакцій, коли молекула однієї сполуки слугує основою для синтезу молекули іншої. Так, молекула ДНК слугує основою для синтезу інших молекул ДНК, різних типів молекул РНК, молекула іРНК — білкових молекул. Такі процеси дістали назву реакцій матричного синтезу, бо нагадують промислові методи, коли за допомогою однієї форми-матриці або шаблону виготовляють багато деталей.

Наприклад, за допомогою однієї матриці можна надрукувати багато купюр або відкарбувати багато монет. Так само і під час реакцій матричного синтезу нові молекули утворюються згідно з планом будови молекули-матриці: мономери молекули, що синтезується, розташовуються у точній відповідності до розміщення мономерів молекули-матриці.

Узагальнення та систематизація знань

1. Що таке пластичний обмін?

2. Що таке генетичний код і які його властивості?

3. Які основні етапи процесу біосинтезу білків?

4. Яку роль відіграють рибосоми в процесі біосинтезу білків?

5. Як генетична інформація, закодована в молекулі ДНК, реалізується під час синтезу білкової молекули?

6. Чому більшість амінокислот, які входять до складу білків, закодовані не одним, а декількома триплетами?

7. Чим відрізняються процеси біосинтезу ДНК і РНК?

8. Які реакції відносять до реакцій матричного синтезу?

9. Чому ДНК самоподвоюється лише під час інтерфази?

10. Яке біологічне значення того, що на молекулі іРНК одночасно перебуває не одна, а декілька (до 20) рибосом?