Обмен веществ и преобразование энергии в клетке
Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой. В клетках непрерывно идут процессы биологического синтеза, или биосинтеза. С помощью катализаторов химических реакций - ферментов - из простых низкомолекулярных веществ образуются сложные высокомолекулярные соединения: из аминокислот синтезируются белки, из моносахаридов - сложные углеводы, из азотистых оснований - нуклеиновые кислоты. Разнообразные жиры и масла возникают путем химических превращений сравнительно простых веществ, источником которых служит остаток уксусной кислоты - ацетат. При этом биосинтетические реакции отличаются видовой и индивидуальной специфичностью. Клетки наружных покровов членистоногих синтезируют хитин - сложный полисахарид, у наземных позвоночных - рептилий, птиц, млекопитающих - роговое вещество, основой которого является белок кератин. В конечном счете, структура синтезируемых крупных органических молекул определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК, т.е. генотипом. Синтезированные вещества используются в процессе роста для построения клеток и их органоидов и для замены израсходованных или разрушенных молекул. Все реакции биосинтеза идут с поглощением энергии.
Пластический обмен.
Совокупность реакций биологического синтеза называется пластическим обменом или ассимиляцией. Название этого вида обмена отражает его сущность: из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки.
Рассмотрим одну из важнейших форм пластического обмена - биосинтез белков. Как уже отмечала, все многообразие их свойств определяется, в конечном счете, первичной структурой, т.е. последовательностью аминокислот. Огромное количество отобранных эволюцией уникальных сочетаний аминокислот воспроизводится путем синтеза нуклеиновых кислот с такой последовательностью азотистых оснований, которая соответствует последовательности аминокислот в белках. Каждой аминокислоте в полипептидной цепочке соответствует комбинация из трех нуклеотидов (триплет). Так, аминокислоте цистеину соответствует триплет АЦА, валину ЦАА, лизину - ТТТ и т.д.
Таким образом, определенные сочетания нуклеотидов и последовательность их расположения в молекуле ДНК являются кодом, несущим информацию о структуре белка.
Код включает все возможные сочетания трех (из четырех) азотистых оснований. Таких сочетаний может быть 43=64, в то время как кодируется только 20 аминокислот. В результате некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами. Эта избыточность кода имеет большое значение для повышения надежности передачи генетической информации. Например, аминокислоте аргинину могут соответствовать триплеты ГЦА, ГЦГ, ГЦТ, ГЦЦ и др. Понятно, что случайная замена третьего нуклеотида в этих триплетах никак не отразится на структуре синтезируемого белка. В длинной молекуле ДНК, состоящей из миллионов нуклеотидных пар, записана информация о последовательности аминокислот в сотнях различных белков.
Этапы энергетического обмена.
Энергетический обмен обычно делят на 3 этапа. Первый этап - подготовительный. На этом этапе молекулы ди- и полисахаридов, жиров, белков распадаются на мелкие молекулы - глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, крупные молекулы нуклеиновых кислот - на азотистые основания - нуклеотиды. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепловой энергии.
Второй этап - бескислородный, или неполный. Он называется также анаэробным дыханием или брожением. Термин "брожение" обычно применяют по отношению к процессам, протекающим в клетке микроорганизмов или растений. Образующиеся на этом этапе вещества при участии ферментов вступают на путь дальнейшего расщепления. В мышцах, например, в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на 2 молекулы молочной кислоты (гликолиз). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ. В суммарном виде гликолиз выглядит так: