Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Например, в условиях быстрою роста необходимо большое количество предшественников белков и нуклеиновых кислот, а при отсутствии роста их нужно гораздо меньше. Ключевые ферменты всех метаболнчсских путей регулируются таким образом, чтобы каждый тип молекул-предшественников синтезировался в необходимом в данный момент количестве. Рассмотрим метаболический путь синтеза аминокислоты изолейципа в клетках Е. сой. Этот метаболичсский путь имеет пять стадий, которые катализируют пять различных ферментов (интсрмедиаты процесса обозначены буквами от А до Е): С ГЭ К Р Изоясйцин Если клетка начинает производить изолейцина больше, чем нужно для синтеза белка, то неиспользованные молекулы изолейцина накапливаются и интибируют каталитическую активность первого фермента данною метаболического пути, что немедленно приводит к снижению уровня синтеза изолейцина.
Такая регуляция по принципу обратной связи поддерживает баланс между образованием и расходом метаболитов. (По всей книге символом ® обозначено ингибированис ферментативной реакции.) Концепция дискретных метаболичсских путей важна для нашего понимания метаболизма, но она очень сильно упрощает реальную ситуацию. В кчетке присутствуют тысячи метаболитов, многие из которых задействованы лалеко нс в одном метаболическом пути. Метаболизм правильнее представгить как ссгь взаимосвязанных и взаимозависимых путей. Изменение концентрации липп олного мстаболита может сказаться на других метаболических путях и привести к переходу на другие пути преобразования веществ.
Кажется невозможным понять и количественно описать столь сложный комплекс Г50] П Основы биахнмнн взаимосвязей между метаболитами и метаболическими путями, однако существуют новые подходы к решению этой проблемы (гл. 15), которые уже вносят важный вклад в понимание системы общей регуляции метаболизма Кроме того, клетки регулируют синтез своих собственных катализаторов— ферментов — в ответ на возрастание или снижение потребности в том или ином продукте метаболизма; этот вопрос рассматривается в гл. 28. Экспрессия генов (перевод информации, содержащейся в ДИК, в кзеточные белки) и синтез ферментов являются дополнительными уровнями контроля клеточного метаболизма„которые также необходимо учитывать при описании полной системы регуляции метаГюлизма в клетке.
Краткое содержание раздела 1.3 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОХИМИИ ° Живые клетки — это открытые системы, которые обмениваются с окружающей средой веществом и энергией и используют энергия> для полдсржапия внутри себя динамического стационарного состояния, лалского от равновесия с окружающей средой. Клетки добывают энергия> из солнечного света или топливных молекул и превращают ее из потока электронов в химические связи в молекуле АТР ° Способность химической реакции приходить к равновесию можно выразить с помощью изменения своболной энергии Гиббса (Ь6), которая имеет две составляющие: изменение энтальпии (ЬН) и изменение энтропии (Ь5). Эти перемснные связаны между собой уравнением: Ь6 = ЬН вЂ” ТЬэ. ° Если Ь6 реакции — отрицательная величина, такая реакция называется экзсргопической и протекает до образования конечных продуктов; если Ь6 — положительная величина, реакция называется эндергоннчсской и протекает в обратном направлении.
Ь6 суммарного процесса есть сумма величин Ь6 всех реакций. ° Превращение АТР в Р; и АОР или в РР, и АМР является экзергоническим процессом (большое отрицательное значение Ь6), поэто- му многие эндергонические реакции могут протекать благодаря сопряжению с этим вы- сокоэкзергоиическим процессом. ° Станлартное изменение свободной энергии реакции (Ь6') — термодинамический параметр, связанный с константой равновесия: Ь6 = — КтЬК . ° Большинство экзсргоцичсских реакций в клетке протекают со значительными скоростями только благодаря катализу фсрмеитами. Ферменты стабилизируют переходное состояние, снижшот знерппо активации Ь6' и тем самым повышают скорость реакции па порядки величин. Каталитическая активность ферментов в клетке регулируется. ° Метаболизм предо гавляст собой совокупность многочисленных взаимосвязанных реакций, в которых происхолит последовательное превращение клеточных мстаболитов.
Каждая последовательность реакций регулируется таким образом, чтобы обеспечивать клетку всем необходимым в данный момент времени с паименыпими затратами энергии. 1.4. Генетические основы биохимии Возможно, самым замечательным свойством живых клеток и организмов является их способность воспроизводить себе подобных в бесчисленных поколениях с почти идеальной точностью. Эта непрерывность передачи наслелствеппых черт па протяжении миллионов лет предполагает постоянство структуры молекул, несущих генетическую информацию. Лишь немногие следы цивилизации, лаже выгравированные на мели или вырезанные в камне (рис. 1-29), пережили более тысячи лет.
Однако существуют доказательства гого, что генетические инструкции, заложенныс в живых организмах, остаются практически неизменными на протяжении несравнимо более длительного периола. Многие бактерии имеют ту же формх размер и внутреншою структуру и содержат те же виды простых молекул и ферментов, что и бактерии, жившие около четырех миллиарлов лет назад. Эта общность структуры и состава — результат общности структуры генетического материаяа. Рмс. 1-29. Два древних манускрипта. а) Призма Сеннахериба датированная 7П в.
до н. з. На призме на ассирийском языке изложены некоторые исторические события, происходившие во времена правления царя Сеннахермба. Призма содержит около 20 000 знаков, имеет вес около 50 кг и сохранилась почти в неизменном виде на пратвкенмм 2700 лет. б) Единственная молекула ДНК бактерии Е.
со!С вытекшая из поврежденной клетки. Молекула ДНК по размерам в сотни раз превосходит саму клетку и содержит всю необходимую информацию, определяющую особенности клеточной структуры и функций. Бактермальная ДНК содержит около 4,6 млн знаков (нуялеотидов), весит менее 10-ю г и почти не подверглась изменениям за несколько миллионов лет.(Желтые пятна и черные точки на данной окрашенной электронной микрофотографии являются артефактамм приготовпения образца.) К важнейшим открытиям в биологии ХХ в. относится установление химической природы и трехмерной структуры генетического вещества— дезоксирибонуклеиновой кислоты, ДНК. Последовательность мо номе рных звеньев (нукл сот илов или, точнее говоря, дезоксирибонуклеотидов) в атом линейном полимере кодирует инструкции, необходимые для синтеза всех других компонентов клетки, и является матрицсй для создания таких жс молекул ДН К, передаваемых потомству при делении клетки.
Непрерывность существования биологического вида требует сохранения сго генетической информации в устойчивой форме, точной зкспрессии и воспроизведения с минимальным количеством ошибок. Эффективное хранение, экспрессия и воспроизведение генетической информации определяют индивидуальность вила, его отличия от других и обеспечивают существование вида в последующих поколениях.
1.4 Генетические основы биохимии 151] Генетическая наследственность заключена в молекулах ДНК ДНК представляет собой длинную тонкук> молекулу органического полимера. Это одна из редких молекул, которая в одном измерении (в ширину) имеет атомные размеры, а в другом измеряется по привычной человеку шкале (длина молекулы ДНК может достигать нескольких сантиметров). Человеческий сперматозоид нли яйцсклетка, цссущис наследствснну>о информацию, накопленную за миллиарды лет эволюции, передают ее в виде молекул ДНК, в которых генетическая информация закодирована в линейной последовательности ковалентно связанных нуклеотидпых звеньев.
Обычно когда мы описываем свойства химических веществ, мы имесл> в виду усредненные характеристики огромного числа идентичных молекул. Трудно предсказать поведение одпойединствепной молекулы из набора молекул, скажем, содержащего 1 пмоль вещества (- 6 10п молекул), зато усредненные характеристики вполне предсказуемы, поскольку при усреднении оперируют с большим числом молекул. Искзюченисм является клеточная ДНК. Весь генетический материал Е.сей заключен в одлои-единг>поенной молекулеДПК, содержащей 4,64 млн нуклеотидов.
Если клетка Е. соД должна дать идентичное потомство путем клеточного деления, то эта единственная молекула ДНК обязана воспроизвести себя с точностью до мельчайших деталей, здесь нет возможности для усреднений! Все вышесказанное справедливо для всех тиг>ов клеток. Человеческий сперматозоид приносит в оплодотворяемую им яйцеклетку всего лишь по одной молек)>лс ДНК в каждой из 23 различных хромосом, которые комбинируются лишь с одной молекулой ДНК в каждой соотвстствуюп>ей хромосоме яйцеклетки.
Результат этого соединения абсолютно предсказуем — образуется зарольпп со всеми его -25 000 генов, состоян>их из 3 млрд нукчсотидов. Поразительный химический феномен! ~ Пример 1-1 ТОЧНОСТЬ РЕПЛИКАЦИИ ДНК Какое количество раз на сегодняшний лень ре- плицировалась ДНК бактерии Е. со6, если самая первая клетка этого вида появилась 3,5 млрд лет [52) 1. Основы биохимии назад? Для простоты примите, что на протяжении этого времени деление клетки Е. сой происходило олин раз каждые 12 часов (это слишком большое время лля современных бактерий, но, возможно, слишком малое для их древних предшественников).
Решение. (1 деление/12 ч) (24 ч/суг.) (365 сут./год) (35 ' 10" лег) = 2,6 ' 1О" гюколений. На одной странице данной книги содержится почти 5000 знаков, следовательно. во всей книге их около 5 млн. Хромосома Е. сой также содержит около 5 млн знаков (пар оснований). Допустим, что вы переписынаетс эту книгу от руки, а затем вашу копию переписывает ваш одногруппник, затем его копию переписывает третий одногруппник и т. д. Насколько сильно каждая дальнейшая копия будет отличаться от оригинала? А теперь представьте себе учебник, который получился бы при переписывании книги 10" раз! Структура ДНК позволяет осуществлять репликацию и репарацию с почти абсолютной точностью Способность живых клеток сохранять свой генетический материал и удваивать его для передачи следующему поколению является результатом комплементарности двух цепей, составляющих молекулу ДНК (рис.
1-30). Основная единица ДНК представляет собой линейный полимер, построенный из четырех различных мономерных звеньев — дезоксирибонуклеотидов, организованных в строго определенной линейной последовательности. Именно в атой линейной последовательности закодирована генетическая информация. Две такие полимерные нити обвивают друг лруга, образуя двойную спираль ДНК„ в которой кажлый дезоксирибонуклеотид одной нити образует специфическую пару с комплементарным лезоксирибонуклеотидом из другой нити. Г!еред тем как клетка начинает делиться, две нити ДНК расходятся, и каждая служит матрицей для синтеза новой комплементарной нити, в результате чего образуются две идентичные двуспиральные молекулы — по одной для каждой из Цепь 1 ' А'.;:а"..т..
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
