Биохимия клетки: вещества, АТФ, синтез белка и фотосинтез

Около 98% массы клетки приходится на O, C, H, N; к макроэлементам относятся и K, Na, Ca, Mg, S, P, Cl, Fe. Микроэлементов (Zn, Cu, I, F, Mn, Co) очень мало, но они входят в состав ферментов и гормонов.

Вода составляет в среднем 70–80% массы клетки. Полярность молекулы делает воду хорошим растворителем, высокая теплоёмкость сохраняет температуру постоянной; вода участвует в гидролизе и фотосинтезе, придаёт клетке упругость.

Минеральные соли находятся в виде ионов: $\mathrm{K^+}$ и $\mathrm{Na^+}$ создают мембранный потенциал и обеспечивают нервный импульс, $\mathrm{Ca^{2+}}$ — свёртывание крови и сокращение мышц; Mg входит в хлорофилл, Fe — в гемоглобин, I — в тироксин. Фосфатные и карбонатные ионы поддерживают постоянство pH (буферные свойства).

Белки — биополимеры из 20 видов аминокислот. В аминокислоте есть аминогруппа $\mathrm{-NH_2}$, карбоксильная группа $\mathrm{-COOH}$ и радикал; аминокислоты соединяются пептидной связью $\mathrm{-CO-NH-}$. Уровни структуры: первичная (последовательность аминокислот), вторичная (спираль), третичная (глобула), четвертичная (несколько цепей, например гемоглобин). Разрушение структуры (нагревание, кислоты, щёлочи) — денатурация; при сохранённой первичной структуре белок может восстановиться. Функции: ферментативная, структурная (коллаген, кератин), транспортная (гемоглобин), двигательная (актин, миозин), защитная (антитела), регуляторная (инсулин), энергетическая (17,6 кДж/г).

Углеводы: моносахариды (глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза), дисахариды (сахароза, лактоза), полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин). Главный источник энергии (17,6 кДж/г); целлюлоза образует оболочку растительной клетки, крахмал — запасное вещество растений, гликоген — животных и грибов.

Липиды нерастворимы в воде: фосфолипиды составляют основу мембран, жиры — запас энергии (38,9 кДж/г) и теплоизоляция, некоторые гормоны тоже липиды.

Нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У).

• ДНК — двойная спираль (Уотсон и Крик, 1953), основания А, Т, Г, Ц, сахар дезоксирибоза. Есть в ядре, митохондриях и пластидах; хранит наследственную информацию и передаёт её путём репликации (самоудвоения).
• РНК одноцепочечная, вместо Т содержит У, сахар рибоза. и-РНК переносит информацию к рибосоме, т-РНК доставляет аминокислоты, р-РНК входит в состав рибосом.

Комплементарность: А–Т (две водородные связи), Г–Ц (три связи); при синтезе РНК напротив А встаёт У. Поэтому в ДНК А = Т, Г = Ц. Расстояние между соседними нуклеотидами 0,34 нм.

Пластический обмен (ассимиляция) — синтез веществ с затратой энергии (фотосинтез, биосинтез белка), энергетический обмен (диссимиляция) — расщепление веществ с выделением энергии.

АТФ состоит из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты и имеет две макроэргические связи. При расщеплении 1 моль АТФ до АДФ выделяется около 40 кДж.

Этапы:

1. Подготовительный: полимеры расщепляются до мономеров (в пищеварительной системе, лизосомах), энергия рассеивается теплом.
2. Гликолиз (бескислородный): в цитоплазме глюкоза расщепляется до 2 молекул пировиноградной кислоты, образуется 2 АТФ. При недостатке кислорода в мышцах образуется молочная кислота, у дрожжей — этиловый спирт и $\mathrm{CO_2}$.
3. Кислородный: в митохондриях пировиноградная кислота окисляется до $\mathrm{CO_2}$ и воды, образуется 36 АТФ. АТФ синтезирует фермент АТФ-синтетаза на кристах.

Всего из глюкозы — 38 АТФ. У растений АТФ образуется не только в митохондриях, но и в хлоропластах (световая фаза).

Ген — участок ДНК, несущий информацию о строении одной полипептидной цепи. Генетический код триплетен (одну аминокислоту кодируют три нуклеотида), однозначен, вырожден (аминокислоту могут кодировать несколько триплетов), универсален и неперекрываем. Из 64 триплетов 61 кодирует аминокислоты, 3 означают конец синтеза.

Реакции матричного синтеза — репликация, транскрипция и трансляция. Транскрипция идёт в ядре: РНК-полимераза строит комплементарную и-РНК на одной из цепей ДНК. Трансляция идёт на рибосомах: антикодон т-РНК соединяется с кодоном и-РНК, аминокислоты присоединяются к цепи пептидной связью. Присоединение аминокислот к т-РНК и образование пептидных связей катализируют ферменты, энергию даёт АТФ.

Фотосинтез идёт в хлоропластах. Световая фаза — на мембранах тилакоидов: хлорофилл поглощает свет, происходит фотолиз воды, выделяется $\mathrm{O_2}$, образуются АТФ и $\text{НАДФ}\cdot\text{Н}_2$. Темновая фаза — в строме: за их счёт $\mathrm{CO_2}$ превращается в глюкозу. Фотосинтез даёт всем организмам органические вещества и кислород, его продуктивность зависит от света, концентрации $\mathrm{CO_2}$, температуры, воды и минерального питания.

Хемосинтез открыл С. Н. Виноградский в 1887 году: нитрифицирующие бактерии, железобактерии и серобактерии синтезируют органику, используя энергию окисления неорганических веществ.