Клітина-елементарна структурна і функціональна одиниця живого

В результаті процесів катаболізму  вивільняється енергія. Істотна її частина запасається у вигляді високоенергетичних хімічних зв'язків АТФ. Запаси АТФ дозволяють організму швидко й ефективно забезпечувати різні процеси життєдіяльності.

Молекули білків функціонують в організмі від кількох годин  до декількох днів. За цей період у них накопичуються порушення, і білки стають непридатними для виконання своїх функцій. Вони розщеплюються і замінюються на знову синтезуються. Вимагають постійного оновлення і самі клітинні структури.

14. Енергетичний  обмін  і його  сутність

Пластичний та енергетичний обміни нерозривно взаємозв'язані. Процеси  розщеплення здійснюють енергетичне  забезпечення процесів синтезу, а також  постачають необхідні для синтезу  будівельні речовини. Правильний обмін  речовин підтримує сталість хімічного  складу біологічних систем, їх внутрішнього середовища. Здатність організмів зберігати внутрішні параметри незмінними носить назву гомеостазу. Процеси метаболізму відбуваються згідно з генетичною програмою клітини, реалізуючи її спадкову інформацію.

У кожній живій клітині здійснюється величезна кількість хімічних реакцій. Всі вони відбуваються організовано і упорядковано. Кожна реакція відбувається у конкретно визначеному місці і за участю ферментів – каталізаторів, які розміщені на мембранах мітохондрій та ЕПС.

 Розрізняють 2 типи  реакцій у клітині: 

І-ший тип – реакції  синтезу білків, жирів, вуглеводів, нуклеїнових кислот, тобто асиміляція.

ІІ-ий тип: - реакція розщеплення  складних органічних речовин до менш складних сполук (СО2 і Н2О), які супроводжуються  виділенням енергії – дисиміляція.

Сукупність реакцій  біосинтезу називають пластичним обміном.

 Сукупність реакцій  розщеплення, що забезпечують  клітину енергією, називають енергетичним  обміном (табл. 5).

Оскільки енергетичний та пластичний обміни тісно пов’язані між собою та зовнішнім середовищем і в єдності становлять обмін речовин і енергії в кожній клітині і в організмі в цілому.

Процеси асиміляції не завжди врівноважені з процесами дисиміляції. Так, в організмах, що розвиваються, переважає асиміляція (накопичуються речовини і росте організм).

Для живих організмів Землі основним джерелом енергії є сонячне світло. Організми, здатні утворювати органічні сполуки з неорганічних називаються автотрофами. Організми, що використовують для утворення органічних сполук з неорганічних енергію світла називають фототрофами (зелені рослини, ціанобактерії). Організми, що використовують для утворення органічних речовин із неорганічних енергію хімічних реакцій називають хемотрофами. (сіркобактерії, залізобактерії).  Організми, що використовують для утворення своїх органічних речовин органічні речовини, утворені іншими організмами (живі організми, їх рештки, продукти життєдіяльності), які вони одержують з їжею, називають гетеротрофами.

Таблиця 5

 Енергетичний обмін  організмів здійснюється у три послідовних етапи:

№	Етапи	Місце дії	Процеси енергетичного обміну	Звільнення і використання енергії
1.	Підготовчий етап	у цитоплазмі клітин усіх організмів (у шлунково-кишковому  тракті)	Крупні молекули б, ж. при участі ферментів розпадаються на дрібні молекули (мономери) білки ® до амінокислот, жири ® гліцерину і жири кислот, вуглеводи ® моносахарид??? н.кислоти ® до нуклеотидів ® до вільних азотистих основ, пентоз і фосфорної кислоти.	Енергія розсіюється у вигляді  теплоти.
2.	Безкисневий (анаеробний) гліколіз етап неповне розщеплення	в клітинах	Амінокислоти, глюкоза та інші речовини, що утворюються на підготовчому етапі, розщеплюються далі.	Розпад однієї молекули глюкози  дає енергію, що забезпечує синтез 2х  молекул АТФ (виділяється 200 КДж енергії).
3.	Кисневий (аеробний) етап	мітохондріамні мембрани.	Дві молекули молочної кислоти розщеплюються  за участю АДФ і фосфорної кислоти.	Енергія від розпаду 2х молекул  молочної кислоти використовується для синтезу 36 молекул АТФ

 

 Найважливішим на безкисневому етапі енергетичного обміну є розщеплення в клітинах молекул глюкози шляхом гліколізу на дві молекули піровиноградної (С3Н4О3) або молочної кислоти (С3Н6О3) у м’язових клітинах.

15. Значення АТФ в енергетичному   обміні

Основним акумулятором і переносником енергії, що використовуються при синтетичних процесах, є аденозинтрифосфорна кислота (АТФ). У складі

молекули АТФ є азотиста основа (аденін), цукор (рибоза) і фосфорна

кислота (три залишки  фосфорної кислоти).

Нуклеотиди у клітині зустрічаються не тільки як структурні елементи нуклеїнових кислот, але і як самостійні функціональні речовини. Найбільше значення в життєдіяльності клітини мають аденілові нуклеотиди - моно-, ди- і трифосфорні ефіри аденозина, які містять аденін, рибозу і один (аденозинмонофосфорна, АМФ), два (аденозиндифосфорна, АДФ) або три (аденозинтрифосфорна, АТФ) залишки фосфорної кислоти. Ці сполуки містяться у всіх живих організмах і відіграють велику роль в енергетичному обміні і обміні речовин. Приєднання фосфатних залишків до АМФ супроводжується акумуляцією енергії, а їх гідролітичне відщеплення - виділенням її. Енергія, яка вивільнилась, використовується в процесі життєдіяльності клітин. 

АТФ є універсальною  макроергічною сполукою, в якій із трьох залишків фосфорної кислоти два - високоенергетичні (макроергічні). Один із них або два легко відщеплюються під впливом ферментів, що супроводжується виділенням енергії, яка використовується для різноманітних процесів клітини. Відщеплення однієї грам-молекули фосфорної кислоти супроводжується виділенням приблизно 42 кДж енергії.

Тобто, під впливом фермента АТФ-ази в молекулі АТФ розриваються зв'язки між фосфором і киснем і приєднується одна (а інколи дві) молекули води. Це супроводжується відщепленням одної (а інколи і двох) молекули фосфорної кислоти. Відщеплення кожної із двох кінцевих фосфатних груп у молекулі АТФ відбувається з виділенням великої кількості енергії. Внаслідок цього два кінцеві фосфатні зв'язки в молекулі АТФ дістали назву багатих на

енергію зв'язків, або макроергічних. Завдяки макроергічним фосфатним

зв'язкам жива клітина  має зручну форму зберігання енергії; а у разі

потреби ця енергія швидко вивільняється і використовується для

життєдіяльності організму.

Ці процеси відбуваються в клітинах постійно, в результаті чого АТФ швидко оновлюється. Так, наприклад, у людини кожна молекула АТФ розщеплюється і знову утворюється приблизно 2400 раз за добу.

16. Біосинтез  білків

Біосинтез (або  просто синтез) білків — процес, за допомогою якого клітини будують білки. Термін іноді використовується для посилання виключно на процес трансляції, але частіше означає багатокроковий процес, що включає біосинтез амінокислот, транскрипцію, процесинг (включаючи сплайсинг), трансляцію та посттрансляційну модифікацію білків. Біосинтез білків, хоча й дуже подібний, дещо відрізняється між представниками трьох доменів життя — еукаріотами, археями та бактеріями.

Під час транскрипції відбувається зчитування генетичної інформації, зашифрованої в молекулах ДНК, і  запис цієї інформації в молекули мРНК. Під час ряду послідовних  стадій процесингу з мРНК видаляються  деякі фрагменти, непотрібні в подальших  стадіях (сплайсинг), і відбувається редагування нуклеотидних послідовностей. Після транспортування зрілої молекули мРНК з ядра до рибосом відбувається власне синтез білкових молекул шляхом приєднання окремих амінокислотних залишків до поліпептидного ланцюжка, що росте. На останній стадії посттрансляційної модифікації відбуваються зміни новосинтезованого білка додаванням небілкових молекул до білка та ковалентними модифікаціями його амінокислот.

Транскрипцією називається  процес зчитування генетичного коду з молекули ДНК. При цьому на одному з ланцюжків ДНК синтезується одноланцюжкова молекула інформаційної або матричної РНК (мРНК) згідно принципу комплементарності. Послідовність з трьох нуклеотидів в мРНК, відповідна послідовності ДНК, що кодує визначену амінокислоту, називається кодоном. Основну роль в транскрипції грає фермент РНК-полімераза.

Між транскрипцією і  трансляцією молекула мРНК зазнає ряд  послідовних редагувань, які забезпечують дозрівання функціонуючої матриці  для синтезу поліпротеїнового ланцюжка. З появою процесингу в еукаріотичній клітині стало можливо комбінування екзонів та вилучення інтронів гену для отримання більшої різноманітності білків, що кодуються єдиною послідовністю ДНК.

При кепуванні відбувається приєднання до транскрипту 7-метилгуанозину через трифосфатний місток, що сполучає їх в незвичайній позиції 5'-5', а також метилювання рибоз двох перших нуклеотидів. Процес кепування починається ще до закінчення транскрипції молекули пре-мРНК. Функції кеп-групи складаються в регулюванні експорту мРНК з ядра, захисту 5'-кінця транскрипту від екзонуклеаз та зв'язування мРНК з рибосомою в процесі ініціації трансляції.

Поліаденілювання полягає  в приєднанні до 3'-кінця транскрипту  від 100 до 200 залишків аденілової кислоти, що здійснюється спеціальним ферментом  полі(A)-полімеразою.

Після поліаденілювання мРНК піддається видаленню інтронів. Процес каталізується сплайсосомою і називається сплайсингом.

Тоді як у прокаріотів (бактерій та архей) синтез та процесинг  мРНК відбувається в цитоплазмі, у  еукаріотів від відбувається в клітинному ядрі, після чого зріла мРНК повинна транспортуватися до цитоплазми, де знаходяться рибосоми. Цей процес відбувається за допомогою приєднання до мРНК допоміжніх білків, експортинів, які проходять через чдерні пори та вивільняють мРНК в цитоплазмі.

Трансляція полягає  в синтезі поліпептідного ланцюжка відповідно до інформації, закодованої  в матричній РНК. Амінокислотна  послідовність шифрується за допомогою  транспортних РНК (тРНК), які утворюють  з амінокислотами комплекси —  аміноацил-тРНК. Кожній амінокислоті відповідає своя тРНК, що має відповідний антокодон, «відповідний» до кодону мРНК. Під час трансляції рибосома рухається уподовж мРНК, у міру цього нарощується поліпептидний ланцюжок. Енергією біосинотез білка забезпечується за рахунок АТФ.

Готова білкова молекула потім відщеплюється від рибосоми і транспортується в потрібне місце клітини. Тоді як цитоплазматичні  білки рухаються за допомогою  дифузії та молекулярних моторів, мембранні  білки, білки органел та білки  позначені для секреції синтезуються на мембранах клітини (у випадку еукаріотів на мембранах ендоплазматичного ретикулума), одразу проходять встроюються мембрану та направляються до відповідної органели або секретуються відповідно до сигнальнох послідовності у складі білка (яка зазвичай видаляється після цього за допомогою протеолітичних ферментів).

Для досягнення свого  активного стану деякі білки  вимагають додаткової посттрансляційної  модифікації. Ці модифікації здатні значно розширити різноманітність  можливих білків, надаючи їм нові властивості. Прикладами пост-трансляційних модифікацій служить приєднання різних функціональних груп, приєднання ліпідів і вуглеводнів, зміна стандартних амінокислот на нестандартні (наприклад, утворення цитруліну), структурні змін (наприклад, утворення дісульфідних містків між цистеїнами), видалення частини білка як на початку (сигнальна послідовність, старт-кодон), так і в окремих випадках в середині.

17. Процеси  анаболізму. Взаємозв’язок   процесів катаболізму  та  анаболізму

Процеси обміну речовин, або метаболізм, добре погоджені один з одним, відбуваються у певній послідовності. Сукупність реакцій біологічного

синтезу, які потребують затрат енергії, називають анаболізмом. До

анаболічних процесів належить біологічний синтез білків, жирів,

ліпоїдів, нуклеїнових кислот. Внаслідок цих реакцій порівняно прості

речовини, надходячи в  клітини, за участю ферментів перетворюються в

речовини самого організму. Анаболізм створює основу для  безперервного

оновлення структур, які  зносилися.

Енергія для анаболічних  процесів постачається реакціями катаболізму, при яких відбувається розщеплення молекул складних органічних речовин із

вивільненням енергії. Кінцеві продукти катаболізму —  вода, вуглекислий

газ, аміак, сечовина, сечова кислота та ін.— не придатні для  дальшого

біологічного окислення  в клітині і видаляються із організму.

Катаболічні процеси постачають для анаболізму енергію і вихідні речовини; анаболічні процеси приводять до побудови структур, які йдуть на відновлення відмираючих клітин, формування нових тканин у зв'язку з процесами росту організму, для синтезу гормонів, ферментів та інших сполук, необхідних  для життєдіяльності клітини, а також постачають для реакцій катаболізму  макромолекули, які підлягають розщепленню.

Всі процеси метаболізму  каталізуються і регулюються ферментами —

речовинами білкової природи. Ферменти — це ті біологічні каталізатори,

які «запускають» реакції в клітинах організму.

18. Віруси - неклітинні форми життя

Основними формами життя  на Землі є організми клітинної  будови. Цей тип організації характерний для всіх видів живих істот, за винятком вірусів, які розглядають як неклітинні форми життя.

Віруси настільки малі, що лише в кілька разів перевищують  розміри великих молекул білків. Віруси мають розміри 10—275 нм. їх можна  побачити лише під електронним мікроскопом. Вони легко проходять крізь пори спеціальних фільтрів, що затримують усі бактерії і клітини багатоклітинних організмів.

Під електронним мікроскопом  різні види вірусів мають форму  паличок або кульок. Окрема вірусна  часточка складається з молекули нуклеїнової кислоти (ДНК або РНК), скрученої в клубок, і молекул білка, розміщених у вигляді своєрідної оболонки навколо молекули кислоти (капсид).

Віруси не здатні самостійно синтезувати нуклеїнові кислоти  і білки, з яких вони складаються. Розмноження вірусів можливе лише в разі використання ферментних систем клітин. Потрапивши у клітину, віруси змінюють і перебудовують обмін речовин у ній, внаслідок чого клітина починає синтезувати молекули нових вірусних часточок. Поза клітинами віруси переходять у кристалічний стан, що сприяє їх збереженню.