Белки и их роль в живом организме. Механизмы биосинтеза белка
Основные свойства живых организмов. Разнообразие и функции биологических макромолекул.
· Единство химического состава. 98% живых организмов состоит из четырех элементов – углерода, кислорода, азота и водорода
· Обмен веществ. Наиболее важны процессы синтеза и распада. Пластический обмен (анаболизм) - сложные превращения вещества из окружающей среды для строительства тела. Например, синтез целлюлозы из воды и углекислого газа. Энергетический обмен (катаболизм) – распад сложных веществ на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.
· Самовоспроизведение (репродукция) – воспроизведение себе подобных
· Наследственность – передача признаков из поколения в поколение
· Изменчивость. Противоположна и одновременно тесно связана с наследственностью.
· Рост и развитие. В процессе развития возникает специфическая структура индивида.
· Раздражимость – способность избирательно реагировать на внешние воздействия. У многоклеточных животных – рефлекс
· Дискретность. Отдельный организм или любая другая биологическая система состоит из отдельных изолированных, т.е. обособленных или отграниченных в пространстве, но тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство.
· Саморегуляция – способность организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов.
· Ритмичность – обусловлена космическими и планетарными причинами.
· Энергозависимость – живые тела доступны энергии и материи извне.
Типы биологических макромолекул:
- Нуклеиновые кислоты (ДНК – хранение информации о структуре белков, РНК – перенос информации);
- Белки (катализаторы химических реакций или структурные компоненты клеток);
- Сахара и полисахариды (источники энергии и структурные компоненты);
- Липиды (источники энергии и структурные компоненты).
Почти у всех форм живых организмов сходны последовательности биохимических превращений: редупликация транскрипция нуклеиновых кислот, биосинтез белков, жирных кислот. Расщепление глюкозы и др.
Белки – сложные органические соединения (биополимеры), состоящие из углерода, водорода, кислорода и азота (иногда серы), мономерами которых являются аминокислоты. Молекулы белков имеют вид длинных цепей, которые состоят из 50-1500 аминокислот, соединенных прочной ковалентной азот-углеродной связью, называемой пептидной связью (- СО – NH -). Такая структура (полипептидная цепочка) называется первичной структурой белка. Структура молекулы белка, имеющая вид закрученной в спираль цепочки, называется вторичной. В результате дальнейшей укладки спирали возникает третичная структура. В живой клетке полипептидные цепочки приобретают вторичную и третичную структуру. При объединении нескольких белковых молекул, имеющих третичную структуру, возникает четвертичная структура белка.
Белки вместе с нуклеиновыми кислотами создают материальную основу всего видового многообразия животного мира. На их долю приходится 50-80% сухой массы клетки.
Функции белков в организме:
· с т р у к т у р н а я (строительная) функция : белки входят в состав клеточных мембран и органелл клетки, из белков состоят стенки кровеносных сосудов, хрящи, сухожилия высших животных.
· д в и г а т е л ь н а я функция – присуща особым сократительным белкам, которые обусловливают сокращение мускулатуры, перемещение хромосом при делении клетки, движение органов растений и т.д.
· т р а н с п о р т в е щ е с т в – белки связывают и переносят с током крови многие химические соединения (гемоглобин, переносящий кислород в крови, миоглобин – в мышцах и др.)
· з а щ и т н а я функция – при проникновении в клетку чужеродных тел вырабатываются особые белки – иммуноглобулины (антитела), которые нейтрализуют чужеродные тела и осуществляют иммунологическую защиту организма
· с и г н а л ь н а я функция – в поверхностную мембрану клетки встроены белки, способные изменять третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды – прием сигналов из внешней среды и передача команд в клетку
· р е г у л я т о р н а я функция – свойственна белкам-гормонам, оказывающим влияние на обмен веществ: поддержание постоянных концентраций веществ в крови (например, инсулин снижает содержание сахара), рост, размножение и т.д.
· к а т а л и т и ч е с к а я функция – регулирование биохимических процессов белками-ферментами
· э н е р г е т и ч е с к а я функция – белки являются энергетическим материалом: при их расщеплении выделяется определенное количество энергии.
Биосинтез белка:
Синтезированная в ядре клетки иРНК отделяется от ДНК и через поры ядерной оболочки поступает в цитоплазму, где прикрепляется к малой субъединице рибосомы (рибосома состоит из двух нуклеопротеидных субъединиц). В процессе синтеза рибосома защищает иРНК от разрушающего действия клеточных ферментов. Число рибосом, размещающихся на одной молекуле иРНК определяется длиной иРНК. Комплекс из иРНК и рибосом называется полисомой.
Синтез белка (трансляция) начинается со стартового кодона (триплета) АУГ. Отсюда каждая рибосома прерывисто, триплет за триплетом, движется вдоль молекулы иРНК, что сопровождается ростом полипептидной цепочки. Число аминокислот равно числу триплетов иРНК.
Выстраивание аминокислот в соответствии с кодонами иРНК осуществляется на рибосомах при помощи транспортных РНК – главных агентов в процессе синтеза белка. Каждая тРНК имеет акцепторный конец, к которому присоединяется активированная аминокислота. Активацию аминокислот осуществляют специфические ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы. Тройной комплекс фермента, аминокислоты и АТФ, с молекулой которой взаимодействует фермент, называется активированной аминокислотой. Она способна спонтанно образовывать пептидную связь.
В противоположной части молекулы тРНК располагается триплет антикодон, ответственный за прикрепление по принципу комплементарности к определенному триплету (кодону) иРНК.
Таким образом, именно комплексы аминоацил-тРНК считывают информацию, закодированную в иРНК. Комплекс аминоацил-тРНК с помощью антикодона присоединяется к кодону иРНК на малой субъединице рибосомы. Затем к той же рибосоме прикрепляется второй комплекс в соответствии со следующим кодоном. Две аминокислоты расположены так, что между ними образуется пептидная связь. Первая тРНК, освободившись от аминокислоты, покидает рибосому. Потом к дипептиду присоединяется третья аминокислота, принесенная в рибосому своей тРНК и т.д., пока рибосома не дойдет до одного из трех терминирующих кодонов: УАА, УАГ или УГА. После этого синтез белка продолжается.
В полисоме возможен синтез нескольких одинаковых молекул: иРНК последовательно присоединяется к рибосомам и служит матрицей для синтеза белков.
Синтезированные белки поступают в каналы эндоплазматического ретикулума, по которым транспортируются к определенным участкам клетки. Синтез белков происходит непрерывно и с большой скоростью. За человеческую жизнь весь белок организма обновляется около 200 раз.