Гормоны, витамины, ферменты, ферментативный катализ

Большинство реакций ассимиляции (синтез сложных органических веществ с поглощением энергии) и диссимиляции (распад сложных органических веществ с выделением энергии) в организме идут при участии ферментов - белков, являющихся биологическими катали­заторами. Все ферменты - простые или сложные белки. Сложные ферменты состоят из белка и кофермента. Коферменты - различные физиологически активные вещества или их производные (нуклеотиды, флавины).

Ферменты отличаются чрезвычайно высокой актив­ностью, зависящей от рН (кислотности) среды. Для них наиболее характерна специфичность: каждый фермент способен регулировать лишь строго определенный тип реакции.

Таким образом, ферменты выполняют функцию уско­рителей и регуляторов почти всех биохимических процессов в клетке и в организме.

Гормоны - секреты желез внутренней секреции. Обес­печивают в клетке синтез определенных ферментов, активизируют или тормозят их работу. Они ускоряют рост организма и деление клеток, усиливают работу мышц, ре­гулируют всасывание и выделение воды и солей. Гормо­нальная система вместе с нервной системой обеспечивает деятельность организма как единого целого через специ­альное действие гормонов (нейрогуморальная регуляция).

Витамины - органические вещества, образующиеся в животном организме или поступающие с пищей в очень незначительных количествах, абсолютно необходимые для нормального обмена веществ. Недостаток витаминов при­водит к заболеваниям, гипо- и авитаминозам. В насто­ящее время известно более 20 витаминов. Биологическая роль: при их отсутствии или недостатке нарушаются работа определенных ферментов, биохимические реакции и нормальная деятельность клеток.

Ферментативный катализ. Субстрат - вещество, кото­рое вступило в реакцию, - вместе с ферментом образуют ферменто-субстратный комплекс, где фермент лишь ускоряет процесс, а сам не расходуется. Сущность любой ферментативной реакции:

субстрат + фермент - ферменто-субстратный комп­лекс - фермент + продукт реакции.

Генетический код и его свойства

Информация о структуре полипептидной цепи белка содержится вДНК. Отрезок ДНК, несущий инфор­мацию о полипептидной цепи, - ген. Последовательность нукле-отидов ДНК определяет аминокислотную последо­вательность полипептидной цепи. Зависимость между основаниями и аминокислотами есть генетический код. Молекула ДН К построена из нуклеотидов 4 типов, в состав которых входит одно из 4 оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц). Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь. С помощью этого четырехбуквенного алфавита записаны инструкции для синтеза потенциально бесконечного числа белковых молекул. Генетический код, -состоящий из троек оснований (триплетный код), обес­печивает включение в полипептидную цепь всех 20 ами­нокислот. В такой код входят 64 разных триплета. Главные черты генетического кода:

1) кодом, определяющим включение аминокислоты в полипептидную цепь, служит триплет оснований в поли­ пептидной цепи ДНК;

2) код универсален: одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у разных микроорганизмов;

3) код вырожден: данная аминокислота может коди­роваться более чем одним триплетом. Пример: аминокис­лота лейцин кодируется триплетами ГАА, ГАГ, ГАТ, ГАЦ;

4) код перекрывающийся. Пример: последователь­ность нуклеотидов АААЦААТТА считывается только как ААА/ЦАА/ТТА.

Существуют триплеты, не кодирующие аминокис­лоту. Функция некоторых таких триплетов установлена. Это стартовые кодоны, сбросовые кодоны и пр. Функции других требуют расшифровки.

Этапы биосинтеза белка.

Регуляция транскрипции и трансляции (синтеза белков) у бактерий и высших организмов

Процесс биосинтеза белка состоит из 2 взаимо­связанных стадий: транскрипции и трансляции. Транс­крипция - процесс «переписывания» последовательности оснований в одном гене, несущей информацию о поли­пептидной цепи, в комплиментарную ей последователь­ность оснований информационной или матричной РНК (и-РНК). Молекула и-РНК образуется в результате свя­зывания друг с другом свободных рибонуклеотидов под действием РНК-полимеразы в соответствии с принципом комплементарности оснований (А-У, Г-Ц, Т-А, Ц-Г). Син­тезированные молекулы и-РНК, несущие генетическую информацию, выходят из ядра и направляются к рибосо­мам. Здесь происходит трансляция - последовательность триплетов оснований в молекуле и-РНК переводится в специфическую последовательность аминокислот в поли­пептидной цепи.

Каждая клетка содержит полный набор молекул ДНК с информацией о строении всех полипептидных цепей, которые могут быть синтезированы в данном организме. Однако в определенной клетке реализуется только часть этой информации.

В настоящее время известны отдельные механизмы синтеза белков. Большинство белков-ферментов образу­ется только в присутствии веществ-субстратов, на которые они действуют. Строение белка-фермента закодировано в соответствующем гене (структурном гене). Рядом со структурным геном находится другой - ген-оператор. В клетке присутствует особое вещество - репрессор, способное взаимодействовать как с геном-оператором, так и с веществом-субстратом. Синтез репрессора регули­руется геном-регулятором. Присоединившись к гену-оператору, репрессор препятствует нормальному функци­онированию соседнего с ним структурного гена. Однако, соединившись с субстратом, репрессор утрачивает способ­ность соединяться с геном-оператором и препятствовать синтезу и-РНК. Образованием самих репрессоров управ­ляют особые гены-регуляторы, функционирование кото­рых управляется репрессорами второго порядка.

Процесс биосинтеза белка.

Биосинтез белка непосредственно связан с мо­лекулой ДНК. Транскрипция - перенос генетической информации от молекулы ДНК на молекулу РНК. Протекает в три стадии. Инициация: Фермент РНК - зависимая -ДНК - полимераза прикрепляется на молекулу ДНК. Элонгация - «раскрытие» двойной спирали, наращивание молекулы РНК по принципу комплиментарности основа­ний. Терминация - завершение списывания генетической информации. Трансляция - перевод генетической инфор­мации в последовательность аминокислот синтезируемой цепи. Проходит на рибосомах. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц - малой и большой; несколько рибосом, образуют полисому. Инициация - присоединение (и-РНК) к поверхности малой субъединицы в присутствии ионов магния. При этом два ее первых транслируемых кодона оказываются обращенными к большой субъединице рибо­сомы. Элонгация: первый кодон связывает молекулу транс­портной РНК (т-РНК), содержащую комплементарный ему антикодон и несущую первую аминокислоту синте­зируемого полипептида. Затем второй антикодон присо­единяет комплекс аминокислота-т-РНК, содержащий антикодон, комплементарный этому кодону. Как только новая аминокислота присоединилась к растущей полипеп­тидной цепи, рибосома перемещается по нити и-РНК, с тем, чтобы поставить на надлежащее место следующий кодон. Терминация - завершение синтеза, происходит, когда в синтетическом участке рибосомы оказывается один из стоп-кодонов: УАА, УАГ или УГА. Функция рибо­сомы: удержание в нужном положении и-РНК, т-РНК и белковых факторов, участвующих в процессе трансля­ции, до тех пор, пока между соседними аминокислотами не образуется пептидная связь.

После того как полипептидные цепи отделились от рибосомы, они могут приобретать свойственную им вто­ричную, третичную или четвертичную структуры.

Процесс синтеза белка в клетке идет с участием фермен­тов. Они обеспечивают синтез и-РНК, «захват» аминокис­лот т-РНК, соединение аминокислот в полипептидную цепь, формирование вторичной, третичной, четвертичной структур. Для обеспечения всех стадий используется энер­гия АТФ.