Клітка як цілісна система - студопедія

Загальна характеристика обміну речовин

Існування живих організмів можливе лише завдяки поступ-лення в них поживних речовин з навколишнього середовища, їх Перетворюва-нию і виведенню з організму продуктів життєдіяльності. Сукупність-ність цих процесів називається обміном речовин або метаболізмом. Існують дві різні сторони обміну речовин - асиміляція і Діссен-міляція.

Асиміляція - це переробка і використання організмом речовин, які надходять в нього з окружа-нього середовища. Іншими словами - організм будує своє тіло за рахунок зовн-ній середовища, синтезуючи з її «матеріалів» всі необхідні для нього віщо-ства. В процесі еволюції виникли дві групи організмів, отлічающеся-еся один від одного за способом харчування: автотрофи і гетеротрофи. У автотрофніорганізмів при асиміляції складні органічні речовини синтезуються з неорганічних, наприклад, при фотосинтезі зелені рослини синтезують вуглеводи з вуглекислого газу і води.

Гетеротрофних називають організми, які не здатні синтези-ровать органічні речовини з неорганічних. Вони харчуються готовими органічними речовинами рослинного і тваринного походження, при цьому уподібнюючи їх собі. Наприклад, з амінокислот рослинних і живіт-них білків клітини людського організму будують суто специфічні, властиві тільки їм самим білки.

Дисиміляція - це процес рас-пада органічних речовин в клітині. Кінцевими продуктами розпаду орга-нічних речовин у всіх організмів є вуглекислий газ, вода і ам-Міаком. Дисиміляція сприяє безперервному оновленню організму, оскільки «відпрацьовані» молекули органічних сполук, що входять до його складу, руйнуються, а на зміну їм приходять нові, які утворили-ся в результаті асиміляції.

Обмін речовин забезпечує клітини не тільки «будівельним матері-червоному», а й енергією, якої потребує будь-який прояв їх жізнеде-ності (рух, синтез білка, клітинний розподіл і т. Д.).

Для свого енергозабезпечення клітини використовують енергію хімічних зв'язків органічних сполук, які руйнуються в результаті дис-сіміляціі. Це можуть бути поживні речовини, що надійшли в клітини із зовнішнього середовища, «відслужили свій термін» молекули, що входили до її складу, або запасні поживні речовини, що зберігалися в клітці. Освоєння-бодівшаяся при розриві хімічних зв'язків цих речовин енергія не рас-ходуется кліткою безпосередньо. За рахунок цієї енергії клітина спочатку будує молекули АТФ і вже потім, у міру необхідності, користується ними як джерелом енергії. Сукупність реакцій розщеплення органі-чеських сполук, які супроводжуються виділенням енергії, називаються ваютенергетіческім обміном, а сукупність реакцій синтезу -пла-стіческій обміном.

Незважаючи на те, що асиміляція і дисиміляція - це два протидії положную процесу, вони тісно пов'язані між собою: енергія, що виділяється в результаті дисиміляції, витрачається для забезпечення процесів ассі-міляціі.

Протягом всього свого життя клітина отримує з навколишнього сере-ди необхідні для неї поживні речовини, воду, кисень, одночасним-аме позбавляючись від продуктів життєдіяльності, наприклад, таких як вуглекислий газ. При цьому клітина має механізмами, що дозволяють їй пропускати через мембрану всередину тільки ті речовини і в тих кількостях, які їй необхідні на даному етапі життєдіяльності, і одновремен-но звільнятися від непотрібних продуктів обміну. Це забезпечує сталість хімічного складу внутрішнього середовища клітини - її гомеостаз. Клітка не може довести свій хімічний склад до якогось досконалості, а потім відокремитися від середовища, ізолювати себе від неї, оскільки одним з головних умов її життя є обмін речовин, це робить клітину відкритою системою.

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ОБМІН (Дисиміляція)

Клітинам постійно потрібна енергія для здійснення самих різно-образних процесів - синтезу білків, активного транспорту речовин, м'язового скорочення, клітинного ділення і т. Д. Енергозабезпечення клітини відбувається в процесі енергетичного обмена.Енергетіческій обмін - це сукупність реакцій розщеплення органічних речовин, що супроводжуються виділенням енергії . Частина цієї енергії розсіюється у вигляді тепла, а частина запасається клітиною у вигляді макроергічних зв'язків молекул АТФ. АТФ міститься в усіх живих клітинах і є універ-сальним носієм енергії. Коли клітина потребує енергії, єдність-ве, що потрібно для її отримання, - це гідроліз АТФ.

Енергетичний обмін характеризується трьома послідовними етапами - підготовчий, безкисневого і кисневого розщеп-лення. Підготовчий етап у більшості багатоклітинних тварин, в тому числі і у людини, здійснюється в шлунково-кишковому тракті, де великі органічні молекули, наприклад, такі як полісахариди, розщеплюються на мономери (в даному випадку на моносахариди) під дей-наслідком травних ферментів. Ці процеси характеризуються освоєння-бождение невеликої кількості енергії, яка розсіюється у вигляді тепла. Наступні два етапи енергетичного обміну (бескислородное і кисневе розчіплювання) здійснюються безпосередньо в кліть-ках, куди малі органічні молекули, що утворилися в результаті під-готовітельного етапу, транспортуються кров'ю. У клітинах ці органічні-кі з'єднання (субстрати) в ході безкисневого і кисневого етапів енергетичного обміну окислюються до кінцевих продуктів (С02 і Н2 0), а енергія, що звільняється в ході цього окислення, витрачається на побудувати-ение молекул АТФ. Процес окислення субстратів в клітці, сопровожда-ющийся освітою АТФ, називаетсяклеточним диханням. Субстра-те для клітинного дихання служать найчастіше вуглеводи. Клітини головного мозку, наприклад, взагалі не здатні використовувати для нку-ня нічого, крім глюкози. Жири становлять «перший резерв» і пускають-ся в справу головним чином тоді, коли запас вуглеводів в клітці вичерпаний. Білки виконують в клітці цілий ряд найважливіших функцій, тому вони як джерело енергії використовуються лише після того, як будуть через витрачені всі запаси вуглеводів і жирів, наприклад, при тривалому го-лоданіі. Тому механізми етапів безкисневого і кисневого рас-щеплений ми розглянемо на прикладі глюкози.

Етапбескіслородного розщеплення глюкози здійснюється в ци-топлазме клітини і називається гликолизом. Він являє собою послідовно-вательность реакцій, в результаті яких одна молекула глюкози розщеп-ляется на дві молекули піровиноградної кислоти. Для цих реакцій не потрібен кисень, тому цей етап енергетичного обміну називається біс-кисневим.

Сумарну реакцію гліколізу можна записати так:

глюкоза піровіно- (чистий вихід)

При розщепленні однієї молекули глюкози виділяється 200 кДж енергії, 60% якої розсіюється у вигляді тепла, а 40% йде на освіту двох молекул АТФ. В цілому процес гліколізу вважається малоефективним, тому що його підсумком є ​​утворення всього лише двох молекул АТФ. Це пояснюється тим, що кінцевий продукт гліколізу (піровиноградна кислота) все ще містить в собі багато зв'язаної енергії. Чи не-зважаючи на низьку ефективність гліколізу, він все ж має велике біо-логічне значення. Завдяки йому деякі організми здатні доби-вать енергію в умовах дефіциту кисню або його повної відсутності. Це характерно для анаеробних бактерій, таких як маслянокислі бакте-рії, а також для тварин, що мешкають в морському мулі, глибинних шарах грунту, або для тварин, що живуть на дні глибоких водойм (деякі види малощетінкових черв'яків, молюсків, паразитичних інфузорій, круглих і плоских черв'яків і ін.).

Після завершення гліколізу настає третій етап енергетичного обміну -кіслородное розщеплення або аеробне дихання. Орга-них умовою для здійснення аеробного дихання є нали-чие в клітці кисню, який постійно транспортується сюди кров'ю з органів дихання. Клітинне дихання не слід плутати з процесами поглинання організмом кисню із зовнішнього середовища і виділення углекис-лого газу в середу. У сукупності ці два процеси називаються зовнішнім диханням або (краще) газообменом. Кисень в клітці витрачається на окислення піровиноградної кислоти, отриманої в результаті гліколізу до кінцевих продуктів - С02 і Н2 0. Цей процес здійснюється в мито-Хондрит клітини і пов'язаний з виділенням великої кількості енергії. На-чинается аеробне дихання в матриксі мітохондрій процесом, який називається циклом Кребса (його ще називають циклом трикарбонових киць-лот). Таку назву він отримав на честь англійського біохіміка Ганса Креб-са, який відкрив цей процес в 1937 році і удостоєного за це відкриття Нобелівську премію. Цикл Кребса-це циклічний процес, представ-ний цілою низкою складних окислювально-відновних реакцій, в ході яких пировиноградная кислота (продукт гліколізу) поетапно пре-обертається в інші органічні кислоти. В ході цих перетворень обра-ся атоми водню і вуглекислий газ, який, будучи побічним про-продуктом цих реакцій, залишає мітохондрії і, врешті-решт, виходить з клітки. Подальший хід процесу аеробного дихання пов'язаний з преобразо-ням енергії, укладеної в атомах водню, в енергію молекул АТФ. Цей процес здійснюється на внутрішніх мембранах мітохондрій, ко-торие, на відміну від зовнішніх мембран цих органел, менш проникні для атомів, іонів, електронів. Проходити через внутрішню мембрану мітохондрії вони можуть тільки за допомогою молекул-переносників, вбудо-енних в мембрану і представляють собою в сукупності так називає-мую дихальний ланцюг. Молекули-переносники дихального ланцюга подібно човників снують через мембрану мітохондрії, транспортуючи на її поза-шнюю сторону атоми водню, які утворюються в ході циклу Кребса, каж-дий раз повертаючись назад (в матрикс мітохондрії) за їх новою порцією. Потрапивши на зовнішню сторону мембрани, атоми водню окислюються (від-дають свої електрони) до позитивно заряджених іонів Н +. які, накопичуючись тут, утворюють так званий Н + -резервуар. На внутрішній стороні мембрани теж накопичуються іони Н +. тільки їх джерелом яв-ляется вода, достатня кількість якої завжди є тут в дис-соціірованном стані: Н2 Про → Н + + ОН -. Однак позитивний потенціал з внутрішньої сторони мембрани завжди виявляється меншим, ніж в Н + - резервуарі, так як іони Н +. утворюються в результаті дисоціації води, постійно зв'язуються. Настає в такий спосіб раз-ність електричних потенціалів по обидві сторони внутрішньої мембрани мітохондрії є обов'язковою умовою для перетворення енергії іонів Н + -резервуара в енергію АТФ. Коли різниця потенціалів достига-ет своєї критичної величини, іони Н + силою електричного поля про- талківаются з Н + -резервуара всередину мітохондрії. Причому, як вам вже через вестно, внутрішня мембрана мітохондрії, будучи мало проникною, пропустити ці іони може тільки в суворо визначених місцях - там, де в неї вмонтовані молекули білків-ферментів АТФ-аз. каталізують реакції синтезу АТФ з АДФ і фосфорної кислоти, що є тут в достатній кількості. Просторова структура цих білків припускає-лага наявність особливих каналів, по яких і проходять через мембарну іони Н +. В процесі цього руху іони Н + віддають свою енергію, кото-раю відразу ж витрачається на синтез АТФ. Електрони, що раніше входили до складу атомів водню, за допомогою молекул-переносників електронів теж переміщаються із зовнішнього боку мембрани всередину мітохондрії, втрачаючи свою енергію (її вистачає для побудови невеликої кількості АТФ). Опинившись в матриксі мітохондрії, вони приєднуються до молі-кулам кисню, який, пов'язуючи при цьому ще й іони Н +. знаходять-ся на внутрішній стороні мембрани, утворює воду - один з кінцевих продуктів клітинного дихання: О2 + 4е - + 4Н + → Н2 О.

Слід звернути увагу на те, що роль кисню в аеробному ди-Ханії і полягає в тому, щоб бути акцептором (приймачем) електронів.

Для правильного функціонування мітохондріальних мембран ог-ромное значення має їх цілісність. Відомі речовини, наприклад, Дінітрофенол, що підвищують їх проникність, як би перфоріруя їх. Якщо мембрана перфорована, то хоча в процесі дихання і раніше обра-ся іони Н +. частина цих іонів «вислизає» з Н + -резервуара, минаючи канали білків-ферментів, де їх енергія використовується для синтезу АТФ. Клітка, отримуючи всі необхідні їй поживні речовини, може, тим не менше, буквально померти від голоду, так як в ній не буде синтезувати-ся достатня кількість АТФ, необхідної для забезпечення її життє-діяльності. Дінітрофенол - речовини жовтого кольору, які у свій час намагалися додавати до різних борошняних виробів, щоб надати їм більш «здобний» вид, заборонені медиками для застосування в харчовій промисловості. Подібне роз'єднання перенесення іонів Н + і синтезу АТФ іноді має місце у тварин і в нормі. Зокрема, у тих з них, кото-які впадають в зимову сплячку, в клітинах бурої жирової тканини велика частина енергії, що вивільняється при перенесенні іонів Н +. витрачається не на синтез АТФ, а на виробництво тепла.

Рівняння кисневого етапу:

Всього при розщепленні двох молекул піровиноградної кислоти утворюється 2600 кДж енергії.

36АТФ = 40 # 8729; 36 = 1440 кДж - це 55% всіх енергії накопичується у вигляді АТФ в клітці

Біологічна сутність кисневого етапу - повне розщеплення речовин до кінцевих продуктів розпаду і накопичення енергії за рахунок синтезу АТФ, а інша енергія (45%) розсіюється у вигляді тепла.

Сумарне рівняння енергетичного обміну (дисиміляції):

Загальний енергетичний ефект 2800 кДж енергії. При цьому 1520 кДж накопичується у вигляді 38 молекул АТФ, що становить близько 55% всієї утворилася енергії.

При розщепленні однієї молекули глюкози в процесі анаеробного і аеробного дихання в сумі утворюється 38 молекул АТФ, причому 36 з них будуються саме за рахунок аеробного (кисневого) подиху. Ось чому аеробне дихання є більш продуктивним у порівнянні з анаероб-ним (гликолизом).

Аеробне дихання часто порівнюють з процесом горіння, при якому також йде руйнування органічних речовин (наприклад, речовин, входячи-щих до складу деревини, нафти і т. П.), Також використовується кисень, і про-дуктами цього процесу також є вода і вуглекислий газ. Крім того, при горінні виділяється велика кількість енергії у вигляді світла і тепла. Однак в той час, як при горінні вона виділяється відразу, при диханні енер-гія виділяється поступово, маленькими порціями, протягом процесу, що складається з цілого ряду регульованих етапів. Це дозволяє клітці утримати частину виділилася енергії і зберегти її у вигляді АТФ, що було б, зрозуміло, неможливим, якби виділення енергії відбувається із-діло бурхливо, як при горінні або вибуху.