Какви процеси осигуряват на клетката необходимата енергия. Лекция. Осигуряване на клетките с енергия. Какви са характеристиките на мъховите растения

Жизненият цикъл на клетката ясно показва, че животът на клетката се разделя на период на интеркинеза и митоза. По време на интеркинезата всички жизненоважни процеси се извършват активно, с изключение на разделянето. Нека първо се съсредоточим върху тях. Основният жизнен процес на клетката е метаболизмът.

Въз основа на него възникват образуването на специфични вещества, растежът, клетъчната диференциация, както и възбудимостта, движението и самовъзпроизвеждането на клетките. В многоклетъчния организъм клетката е част от цялото. Следователно морфологичните особености и природата на всички жизнени процеси на клетката се формират под въздействието на организма и външната среда. Тялото оказва влияние върху клетките главно чрез нервната система, както и чрез действието на хормоните на жлезите с вътрешна секреция.

Метаболизмът е определен ред на трансформация на веществата, водещ до запазване и самообновяване на клетката. В процеса на метаболизма, от една страна, в клетката влизат вещества, които се преработват и са част от клетъчното тяло, а от друга страна, веществата, които са продукти на разпадане, се отстраняват от клетката, т.е. околната среда обменя вещества. Химически метаболизмът се изразява в химични реакции, следващи една след друга в определен ред. Строг ред в хода на трансформацията на веществата се осигурява от протеинови вещества - ензими, които играят ролята на катализатори. Ензимите са специфични, тоест действат по определен начин само на определени вещества. Под въздействието на ензими дадено вещество от всички възможни трансформации се променя многократно по-бързо само в една посока. Образуваните в резултат на този процес нови вещества се променят допълнително под въздействието на други, също толкова специфични ензими и т.н.

Движещият принцип на метаболизма е законът за единството и борбата на противоположностите. Действително метаболизмът се определя от два противоречиви и същевременно общи процеса - асимилация и дисимилация. Веществата, получени от външната среда, се обработват от клетката и се превръщат в вещества, характерни за тази клетка (асимилация). По този начин се актуализира съставът на неговата цитоплазма, органелите на ядрото, образуват се трофични включвания, произвеждат се секрети, хормони. Процесите на асимилация са синтетични, те протичат с усвояването на енергия. Източникът на тази енергия са процесите на дисимилация. В резултат на това техните предварително образувани органични вещества се разрушават и се освобождава енергия и се образуват продукти, някои от които се синтезират в нови клетъчни вещества, а други се отделят от клетката (екскрети). Енергията, освободена в резултат на дисимилацията, се използва при асимилацията. По този начин асимилацията и дисимилацията са два, макар и различни, но тясно свързани аспекта на метаболизма.

Естеството на метаболизма е различно не само при различните животни, но дори и в рамките на един и същи организъм в различни органи и тъкани. Тази специфика се проявява във факта, че клетките на всеки орган са в състояние да усвояват само определени вещества, да изграждат от тях специфични вещества на тялото си и да отделят определени вещества във външната среда. Заедно с метаболизма се извършва и енергиен обмен, тоест клетката абсорбира енергия от външната среда под формата на топлина, светлина и от своя страна отделя лъчиста и други видове енергия.

Метаболизмът се състои от редица частни процеси. Основните са:

1) проникване на вещества в клетката;

2) тяхната "преработка" с помощта на процеси на хранене и дишане (аеробни и анаеробни);

3) използването на продукти на "преработка" за различни синтетични процеси, пример за които може да бъде синтезът на протеини и образуването на тайна;

4) отстраняване на отпадъчните продукти от клетката.

Плазмалемата играе важна роля в проникването на вещества, както и в отстраняването на веществата от клетката. И двата процеса могат да се разглеждат от физикохимична и морфологична гледна точка. Пропускливостта се дължи на пасивен и активен трансфер. Първият възниква поради явленията дифузия и осмоза. Въпреки това, веществата могат да навлязат в клетката противно на тези закони, което показва активността на самата клетка и нейната селективност. Известно е например, че натриевите йони се изпомпват от клетката, дори ако тяхната концентрация във външната среда е по-висока, отколкото в клетката, докато калиевите йони, напротив, се изпомпват в клетката. Това явление се описва под името "натриево-калиева помпа" и е съпроводено с разход на енергия. Способността за проникване в клетката намалява, тъй като броят на хидроксилните групи (ОН) в молекулата се увеличава, когато аминогрупа (NH2) се въведе в молекулата. Органичните киселини проникват по-лесно от неорганичните киселини. Амонякът прониква особено бързо от алкали. За пропускливостта е важен и размерът на молекулата. Пропускливостта на клетката се променя в зависимост от реакцията, температурата, осветеността, възрастта и физиологичното състояние на самата клетка и тези причини могат да увеличат пропускливостта на някои вещества и в същото време да отслабят пропускливостта на други.

Морфологична картина на пропускливостта на веществата от околен святдобре проследени и проведени чрез фагоцитоза фагеин - поглъщам) и пиноцитоза (пинеин - пия). Механизмите и на двете изглеждат подобни и се различават само количествено. С помощта на фагоцитозата се улавят по-големите частици, а с помощта на пиноцитозата - по-малките и по-малко плътни. Първо, веществата се адсорбират от повърхността на плазмалемата, покрита с мукополизахариди, след което заедно с нея те потъват дълбоко и се образува мехур, който след това се отделя от плазмалемата (фиг. 19). Обработката на инфилтрираните вещества се извършва в хода на процеси, наподобяващи храносмилането и завършващи с образуването на относително прости вещества. Вътреклетъчното храносмилане започва с факта, че фагоцитни или пиноцитни везикули се сливат с първични лизозоми, които съдържат храносмилателни ензими, и се образува вторична лизозома или храносмилателна вакуола. В тях с помощта на ензими се извършва разграждането на веществата в по-прости. Този процес включва не само лизозоми, но и други компоненти на клетката. По този начин митохондриите осигуряват енергийната страна на процеса; каналите на цитоплазмения ретикулум могат да се използват за транспортиране на обработени вещества.

Вътреклетъчното храносмилане завършва с образуването, от една страна, на относително прости продукти, от които те отново се синтезират. сложни вещества(протеини, мазнини, въглехидрати), които се използват за обновяване на клетъчните структури или образуване на секрети, и от друга страна, продукти, които трябва да бъдат изведени от клетката като екскрети. Примери за използване на преработени продукти са протеиновият синтез и образуването на секрети.

Ориз. 19. Схема на пиноцитоза:

L - образуване на пиноцитен канал (1) и пиноцитни везикули (2). Стрелките показват посоката на инвагинация на плазмалемата. B-Zh - последователни етапи на пиноцитоза; 3 - адсорбирани частици; 4 - частици, уловени от клетъчни израстъци; 5 - клетъчна плазмена мембрана; D, E, B - последователни етапи на образуване на пиноцитозна вакуола; G - хранителните частици се освобождават от обвивката на вакуолата.

Синтезът на протеини се извършва на рибозоми и условно протича на четири етапа.

Първата стъпка включва активирането на аминокиселините. Тяхното активиране става в цитоплазмения матрикс с участието на ензими (аминоацил - РНК синтетази). Известни са около 20 ензима, всеки от които е специфичен само за една аминокиселина. Активирането на аминокиселина се извършва, когато тя се комбинира с ензим и АТФ.

В резултат на взаимодействието пирофосфатът се отцепва от АТФ и енергията, която е във връзката между първата и втората фосфатни групи, се прехвърля напълно към аминокиселината. Така активираната аминокиселина (аминоациладенилат) става реактивоспособна и придобива способността да се свързва с други аминокиселини.

Вторият етап е свързването на активираната аминокиселина с пренасящата РНК (t-RNA). В този случай една молекула t-RNA свързва само една молекула от активираната аминокиселина. В тези реакции участва същият ензим, както в първия етап, и реакцията завършва с образуването на комплекс от t-RNA и активирана аминокиселина. Молекулата на tRNA се състои от двойна спирала, затворена в единия край. Затвореният (главен) край на тази спирала е представен от три нуклеотида (антикодон), които определят прикрепването на тази t-RNA към специфично място (кодон) на молекула на дълга информационна РНК (i-RNA). Към другия край на тРНК е прикрепена активирана аминокиселина (фиг. 20). Например, ако една tRNA молекула има UAA триплет в главния край, тогава само аминокиселината лизин може да бъде прикрепена към противоположния й край. Така всяка аминокиселина има своя специфична t-РНК. Ако трите крайни нуклеотида в различни тРНК са еднакви, тогава нейната специфичност се определя от последователността на нуклеотидите в друга част на тРНК. Енергията на активираната аминокиселина, прикрепена към тРНК, се използва за образуване на пептидни връзки в полипептидната молекула. Активираната аминокиселина се транспортира от тРНК през хиалоплазмата до рибозомите.

Третият етап е синтеза на полипептидни вериги. Информационната РНК, напускайки ядрото, се простира през малките субединици на няколко рибозоми на определена полирибозома и същите процеси на синтез се повтарят във всяка от тях. По време на протягането, полагането на тази бенка

Ориз. 20. Схема на полипептиден синтез върху рибозоми с помощта на i-RNA и t-RNA: /, 2 - рибозома; 3 - t-RNA, носеща антикодони в единия край: ACC, AUA. Ayv AGC, а в другия край съответно аминокиселини: триптофан, ролер, лизин, серин (5); 4-n-RNA, в която се намират кодовете: UGG (триптофан)» URU (валин). UAA (лизин), UCG (серин); 5 - синтезиран полипептид.

Кула t-RNA, чийто триплет съответства на кодовата дума на m-RNA. Тогава кодовата дума се измества наляво, а с нея и прикрепената към нея т-РНК. Аминокиселината, донесена от него, е свързана чрез пептидна връзка с предварително донесената аминокиселина на синтезиращия полипептид; t-RNA се отделя от i-RNA, настъпва транслация (отписване) на информация за i-RNA, тоест синтез на протеин. Очевидно две t-RNA молекули са прикрепени към рибозомите едновременно: едната на мястото, носещо синтезираната полипептидна верига, а другата на мястото, към което е прикрепена следващата аминокиселина, преди да попадне на мястото си във веригата.

Четвъртият етап е отстраняването на полипептидната верига от рибозомата и образуването на пространствена конфигурация, характерна за синтезирания протеин. Накрая протеиновата молекула, която е завършила своето образуване, става независима. tRNA може да се използва за повторен синтез, докато mRNA се унищожава. Продължителността на образуването на една протеинова молекула зависи от броя на аминокиселините в нея. Смята се, че добавянето на една аминокиселина продължава 0,5 секунди.

Процесът на синтез изисква разход на енергия, чийто източник е АТФ, който се образува главно в митохондриите и в малко количество в ядрото, а при повишена клетъчна активност и в хиалоплазмата. В ядрото в хиалоплазмата АТФ се образува не на базата на окислителен процес, както в митохондриите, а на базата на гликолиза, т.е. анаеробен процес. По този начин синтезът се осъществява благодарение на координираната работа на ядрото, хиалоплазмата, рибозомите, митохондриите и гранулирания цитоплазмен ретикулум на клетката.

Секреторната дейност на клетката също е пример за координираната работа на редица клетъчни структури. Секрецията е производството от клетка на специални продукти, които в многоклетъчния организъм най-често се използват в интерес на целия организъм. И така, слюнката, жлъчката, стомашният сок и други секрети служат за преработка на храната

Ориз. 21. Схема на един от възможните начини за синтез на секреция в клетката и нейното отделяне:

1 - тайна в ядрото; 2 - излизане на про-тайната от ядрото; 3 - натрупване на просекрет в цистерната на цитоплазмения ретикулум; 4 - отделяне на резервоара с тайна от цитоплазмения ретикулум; 5 - ламеларен комплекс; 6 - капка тайна в областта на ламеларния комплекс; 7- зряла секретна гранула; 8-9 - последователни етапи на секреция; 10 - тайна извън клетката; 11 - клетъчна плазмалема.

Храносмилателни органи. Секретите могат да се образуват или само от протеини (редица хормони, ензими), или да се състоят от гликопротеини (слуз), лигу-протеини, гликолипопротеини, по-рядко те са представени от липиди (мазнини от мляко и мастни жлези) или неорганични вещества (солна киселина на фундалните жлези).

В секреторните клетки обикновено могат да се разграничат два края: базален (с лице към перикапилярното пространство) и апикален (с лице към пространството, където се отделя секретът). В разположението на компонентите на секреторната клетка се наблюдава зониране, като от базалните до апикалните краища (полюси) те образуват следния ред: гранулиран цитоплазмен ретикулум, ядро, ламеларен комплекс, секреторни гранули (фиг. 21). Плазмалемата на базалния и апикалния полюс често носи микровили, в резултат на което повърхността за навлизане на вещества от кръвта и лимфата през базалния полюс и отстраняването на готовия секрет през апикалния полюс се увеличава.

С образуването на секрет от протеинова природа (панкреас), процесът започва със синтеза на протеини, специфични за секрета. Следователно ядрото на секреторните клетки е богато на хроматин, има добре дефиниран нуклеол, благодарение на който се образуват и трите вида РНК, които влизат в цитоплазмата и участват в синтеза на протеини. Понякога, очевидно, синтезът на секрета започва в ядрото и завършва в цитоплазмата, но най-често в хиалоплазмата и продължава в гранулирания цитоплазмен ретикулум. Тубулите на цитоплазмения ретикулум играят важна роля в натрупването на първични продукти и техния транспорт. В това отношение в секреторните клетки има много рибозоми и цитоплазменият ретикулум е добре развит. Участъци от цитоплазмения ретикулум с първичната тайна се откъсват и насочват към ламеларния комплекс, преминавайки в неговите вакуоли. Тук се образуват секреторни гранули.

В този случай около тайната се образува липопротеинова мембрана, а самата тайна узрява (губи вода), ставайки по-концентрирана. Готовият секрет под формата на гранули или вакуоли напуска ламеларния комплекс и се освобождава през апикалния полюс на клетките. Митохондриите осигуряват енергия за целия този процес. Секрети от непротеинова природа очевидно се синтезират в цитоплазмения ретикулум и в някои случаи дори в митохондриите (липидни секрети). Процесът на секреция се регулира от нервната система. В допълнение към конструктивните протеини и секрети, в резултат на метаболизма в клетката могат да се образуват вещества от трофичен характер (гликоген, мазнини, пигменти и др.) И се генерира енергия (лъчисти, термични и електрически биотокове).

Метаболизмът завършва с освобождаването във външната среда на редица вещества, които по правило не се използват от клетката и често се

Дори вредно за нея. Отстраняването на веществата от клетката се извършва, както и приемането, на базата на пасивни физични и химични процеси (дифузия, осмоза) и чрез активен трансфер. Морфологичната картина на екскрецията често има характер, противоположен на този на фагоцитозата. Отделените вещества са заобиколени от мембрана.

Получената везикула се приближава до клетъчната мембрана, влиза в контакт с нея, след това се пробива и съдържанието на везикула е извън клетката.

Метаболизмът, както вече казахме, определя и други жизненоважни прояви на клетката, като клетъчния растеж и диференциация, раздразнителността и способността на клетките да се възпроизвеждат.

Клетъчният растеж е външна проява на метаболизма, изразяваща се в увеличаване на размера на клетката. Растежът е възможен само ако асимилацията преобладава над дисимилацията в процеса на метаболизма и всяка клетка расте само до определена граница.

Клетъчната диференциация е серия от качествени промени, които протичат по различен начин в различните клетки и се определят от средата и активността на ДНК участъците, наречени гени. В резултат на това възникват клетки с различно качество от различни тъкани и в бъдеще клетките претърпяват свързани с възрастта промени, които са малко проучени. Известно е обаче, че клетките се изчерпват от вода, протеиновите частици стават по-големи, което води до намаляване на общата повърхност на дисперсната фаза на колоида и, като следствие, намаляване на интензивността на метаболизма. Поради това жизненият потенциал на клетката намалява, окислителните, редукционните и други реакции се забавят, посоката на някои процеси се променя, поради което в клетката се натрупват различни вещества.

Раздразнителността на клетката е нейната реакция към промените във външната среда, поради което се елиминират временните противоречия, възникващи между клетката и околната среда, и живата структура се адаптира към вече променената външна среда.

Във феномена на раздразнителност могат да се разграничат следните точки:

1) въздействието на агент на околната среда (например механичен, химичен, радиационен и др.)

2) преходът на клетката в активно, т.е. възбудимо състояние, което се проявява в промяна на биохимичните и биофизичните процеси вътре в клетката, а пропускливостта на клетката и усвояването на кислород може да се увеличи, колоидното състояние на нейната цитоплазма се променя, и електрически токоведействия и др.;

3) реакцията на клетката към влиянието на околната среда и в различни клеткиотговорът се проявява по различни начини. По този начин в съединителната тъкан настъпва локална промяна в метаболизма, в мускулната тъкан се появява свиване, в жлезистите тъкани се отделя секрет (слюнка, жлъчка и др.), В нервните клетки възниква нервен импулс, В жлезистите епител, мускулни и нервни тъкани, възбуждането, което възниква в една област, се разпространява в цялата тъкан. AT нервна клеткавъзбуждането може да се разпространи не само към други елементи на същата тъкан (в резултат на което се образуват сложни възбудими системи - рефлексни дъги), но и да се премести в други тъкани. В резултат на това той играе регулаторна роля. нервна система. Степента на сложност на тези реакции зависи от височината на организацията на животното.В зависимост от силата и естеството на дразнещия агент се разграничават три вида раздразнителност: нормална, паранекротична и некротична. Ако силата на стимула не надхвърля границите на обичайното, присъщо на средата, в която живее клетката или организмът като цяло, тогава процесите, които възникват в клетката, в крайна сметка премахват противоречието с външната среда и клетката се връща към нормалното си състояние. В този случай не се наблюдава нарушение на клетъчната структура, видимо под микроскоп. Ако силата на стимула е голяма или въздейства върху клетката продължително време, тогава промяната във вътреклетъчните процеси води до значително нарушаване на функцията, структурата и химията на клетката. В него се появяват включвания, образуват се структури под формата на нишки, бучки, мрежи и др. Реакцията на цитоплазмата се измества към киселинност, промяна в структурата и физични и химични свойстваклетка нарушава нормалното функциониране на клетката, поставя я на ръба на живота и смъртта. Това състояние Насонов и Александров наричат ​​паранекротично* То е обратимо и може да доведе до възстановяване на клетките, но може да доведе и до клетъчна смърт. И накрая, ако агентът действа с много голяма сила, процесите вътре в клетката са толкова силно нарушени, че възстановяването е невъзможно и клетката умира. След това настъпват редица структурни промени, тоест клетката влиза в състояние на некроза или некроза.

Трафик. Естеството на движението, присъщо на клетката, е много разнообразно. На първо място, има непрекъснато движение на цитоплазмата в клетката, което очевидно е свързано с осъществяването на метаболитни процеси. Освен това различни цитоплазмени образувания могат да се движат много активно в клетката, например реснички в ресничестия епител, митохондрии; прави движение и ядрото. В други случаи движението се изразява в промяна на дължината или обема на клетката, последвано от връщането й в първоначалното й положение. Такова движение се наблюдава в мускулните клетки, в мускулните влакна и в пигментните клетки. Движението в пространството също е широко разпространено. Може да се извърши с помощта на псевдоподи, като амеба. Така се движат левкоцитите и някои клетки на съединителната и други тъкани. Сперматозоидите имат специална форма на движение в пространството. тях прогресивно движениевъзниква поради комбинация от змиевидни завои на опашката и въртене на спермата около надлъжната ос. При сравнително просто организирани същества и в някои клетки на високоорганизирани многоклетъчни животни движението в пространството се предизвиква и насочва от различни агенти на външната среда и се нарича такси.

Има: хемотаксис, тигмотаксис и реотаксис. Хемотаксис - движение към или далеч от химикали. Такъв таксис се открива от кръвни левкоцити, които се движат като амебоиди към бактериите, попаднали в тялото, освобождавайки определени вещества, Тигмотаксис - движение към докоснатото твърдо тялоили от него. Например, леко докосване на частици храна върху амеба я кара да ги обгърне и след това да ги погълне. Силното механично дразнене може да предизвика движение в посока, обратна на дразнещото начало. Реотаксис - движение срещу потока на течност. Способността за реотаксис се притежава от сперматозоидите, които се движат в матката срещу течението на слуз към яйцеклетката.

Способността за самовъзпроизвеждане е най-важното свойство на живата материя, без което животът е невъзможен. Всяка жива система се характеризира с верига от необратими промени, които завършват със смърт. Ако тези системи не породиха нови системи, способни да започнат цикъла отначало, животът щеше да спре.

Функцията на самовъзпроизвеждане на клетката се осъществява чрез делене, което е следствие от развитието на клетката. В процеса на своя живот, поради преобладаването на асимилацията над дисимилацията, масата на клетките се увеличава, но обемът на клетката нараства по-бързо от нейната повърхност. При тези условия интензивността на метаболизма намалява, настъпват дълбоки физикохимични и морфологични преустройства на клетката и постепенно се инхибират процесите на асимилация, което е убедително доказано с помощта на белязани атоми. В резултат на това растежът на клетката първо спира, а след това по-нататъшното й съществуване става невъзможно и настъпва делене.

Преходът към разделяне е качествен скок или следствие от количествени промени в асимилацията и дисимилацията, механизъм за разрешаване на противоречията между тези процеси. След деленето на клетките, така да се каже, те се подмладяват, техният жизнен потенциал се увеличава, тъй като вече поради намаляване на размера, делът на активната повърхност се увеличава, метаболизмът като цяло и неговата фаза на асимилация се засилват в частност.

По този начин индивидуалният живот на клетката се състои от период на интерфаза, характеризиращ се с повишен метаболизъм, и период на делене.

Интерфазата е разделена с известна степен на условност:

1) за пресинтетичния период (Gj), когато интензивността на процесите на асимилация постепенно се увеличава, но редупликацията на ДНК все още не е започнала;

2) синтетичен (S), характеризиращ се с височината на синтеза, по време на която настъпва удвояване на ДНК, и

3) постсинтетичен (G2), когато процесите на синтез на ДНК спират.

Има следните основни видове разделяне:

1) индиректно делене (митоза или кариокинеза);

2) мейоза или редукционно делене и

3) амитоза или директно делене.

Когато се запознаете с фундаменталните трудове на човечеството, често се улавяте, че с развитието на науката има повече въпроси, отколкото отговори. През 80-те и 90-те години на миналия век молекулярната биология и генетиката разшириха нашето разбиране за клетките и клетъчните взаимодействия. Изолиран е цял клас клетъчни фактори, които регулират междуклетъчното взаимодействие. Това е от съществено значение за разбирането на функционирането на многоклетъчния човешки организъм и особено на клетките. имунна система. Но всяка година биолозите откриват все повече и повече от тези междуклетъчни фактори и става все по-трудно да се пресъздаде картина на цял организъм. Следователно има повече въпроси, отколкото отговори.

Неизчерпаемостта на човешкия организъм и ограничените възможности за неговото изследване водят до извода за необходимостта от непосредствени и последващи приоритети на изследването. Такъв приоритет днес е енергията на клетките на живия човешки организъм. Недостатъчните познания за производството на енергия и енергийния обмен на клетките в тялото се превръщат в пречка за сериозни научни изследвания.

Клетката е основната структурна единица на тялото: всички органи и тъкани са изградени от клетки. Трудно е да се разчита на успех на лекарства или нелекарствени методи, ако те са разработени без достатъчно познания за клетъчната енергия и междуклетъчното енергийно взаимодействие. Могат да се дадат достатъчно примери, когато широко използваните и препоръчвани средства са вредни за здравето.

Съдържателният подход е доминиращ в здравеопазването. Субстанцията си е субстанция. Логиката на лечението е изключително проста: осигурете на тялото необходимите вещества (вода, храна, витамини, микроелементи и, ако е необходимо, лекарства) и отстранете метаболитните продукти от тялото (изпражнения, излишни мазнини, соли, токсини и др. .). Експанзията на лекарствата продължава да триумфира. Нови поколения хора в много страни стават доброволни участници в мащабен експеримент. Лекарствената индустрия изисква нови пациенти. въпреки това, здрави хорастават все по-малки и по-малки.

Веднъж попитали създателя на популярен справочник за наркотици колко лекарства е трябвало да опита лично. Никаква, беше отговорът. Очевидно този интелигентен човек е имал блестящи познания за клетъчната биохимия и е успял да използва тези знания за добра употреба в живота.

Представете си миниатюрна частица жива материя, под формата на елипсоид, диск, топка, приблизително 8-15 микрона (µm) в диаметър, която същевременно е най-сложната саморегулираща се система. Обичайно жива клетканаречен диференциран, сякаш подчертавайки, че многото елементи, които съставляват неговия състав, са ясно разделени един спрямо друг. Концепцията за "недиференцирана клетка", като правило, принадлежи към модифицирана, например ракова клетка. Диференцираните клетки се различават не само по структура, вътрешен метаболизъм, но и по специализация, например клетки на бъбреците, черния дроб и сърцето.

Като цяло клетката се състои от три компонента: клетъчна мембрана, цитоплазма, ядро. Съставът на клетъчната мембрана, като правило, включва три-, четирислойна мембрана и външна обвивка. Двата слоя на мембраната са изградени от липиди (мазнини), основната част от които са ненаситени мазнини - фосфолипиди. Клетъчната мембрана има много сложна структураи множество функции. Потенциалната разлика от двете страни на мембраната може да бъде няколкостотин миливолта. Външната повърхност на мембраната съдържа отрицателен електрически заряд.

Обикновено една клетка има едно ядро. Въпреки че има клетки, които имат две или повече ядра. Функцията на ядрото е да съхранява и предава наследствена информация, например по време на клетъчното делене, както и да контролира всички физиологични процеси в клетката. Ядрото съдържа ДНК молекули, които носят генетичния код на клетката. Ядрото е затворено в двуслойна мембрана.

Цитоплазмата съставлява по-голямата част от клетката и представлява клетъчна течност с разположени в нея органели и включвания. Органелите са постоянни компоненти на цитоплазмата, които изпълняват специфични важни функции. От тях най-много се интересуваме от митохондриите, които понякога се наричат ​​електростанциите на клетката. Всяка митохондрия има две мембранни системи: външна и вътрешна. Външната мембрана е гладка, липидите и протеините са еднакво представени в нея. Вътрешната мембрана принадлежи към най-сложните типове мембранни системи в човешкото тяло. Съдържа много гънки, наречени миди (cristae), поради което повърхността на мембраната се увеличава значително. Тази мембрана може да бъде представена като набор от израстъци с форма на гъби, насочени във вътрешното пространство на митохондриите. Има от 10 до 4-10 до 5 такива израстъци на митохондрия.

Освен това във вътрешната митохондриална мембрана има още 50-60 ензима, общият брой на молекулите от различни видове достига 80. Всичко това е необходимо за химичното окисление и енергийния метаболизъм. Сред физичните свойства на тази мембрана трябва да се отбележи високото електрическо съпротивление, което е характерно за така наречените конюгиращи мембрани, които са способни да акумулират енергия като добър кондензатор. Потенциалната разлика от двете страни на вътрешната митохондриална мембрана е около 200-250 mV.

Човек може да си представи колко сложна е една клетка, ако например една хепатоцитна чернодробна клетка съдържа около 2000 митохондрии. Но в клетката има много други органели, стотици ензими, хормони и други сложни вещества. Всеки органел има свой собствен набор от вещества, в него се извършват определени физични, химични и биохимични процеси. Веществата в цитоплазменото пространство са в същото динамично състояние, те непрекъснато се обменят с органелите и с външната среда на клетката през нейната мембрана.

Извинявам се на читателя-неспециалист за техническите подробности, но е полезно да знае тези идеи за клетката за всеки човек, който иска да бъде здрав. Трябва да се възхищаваме на това чудо на природата и в същото време да се съобразяваме със слабостите на клетката, когато лекуваме. Наблюдавал съм, когато обикновеният аналгин е довел до оток на тъканите при млад здрав човек. Удивително е как, без да се замислят, с каква лекота другите поглъщат хапчета!

Разбирането на сложността на клетъчното функциониране няма да бъде пълно, ако не говорим за енергията на клетките. Енергията в клетката се изразходва за правене разнообразна работа: механични - движение на течности, движение на органели; химични - синтез на комплекс органична материя; електрически - създаване на разлика в електрическите потенциали на плазмени мембрани; осмотичен - транспортирането на вещества в клетката и обратно. Без да си поставяме задачата да изброим всички процеси, ние се ограничаваме до добре известното твърдение: без достатъчно енергийно снабдяване не може да се постигне пълноценно функциониране на клетката.

Откъде клетката получава енергията, от която се нуждае? Според научните теории химическата енергия на хранителните вещества (въглехидрати, мазнини, протеини) се преобразува в енергията на макроергичните (съдържащи много енергия) връзки на аденозин трифосфата (АТФ). Тези процеси се извършват в митохондриите на клетките главно в цикъла на трикарбоксилната киселина (цикъл на Кребс) и по време на окислителното фосфорилиране. Енергията, съхранявана в АТФ, се освобождава лесно, когато макроергичните връзки се разкъсат, в резултат на което се осигурява консумация на енергия в тялото.

Тези идеи обаче не позволяват обективна оценка на количествените и качествени характеристики на енергоснабдяването и енергийния обмен в тъканите, както и състоянието на клетъчната енергия и междуклетъчното взаимодействие. Трябва да се обърне внимание на най-важния въпрос (Г. Н. Петракович), на който традиционната теория не може да отговори: поради какви фактори се осъществява междуклетъчното взаимодействие? В края на краищата АТФ се образува и консумира, освобождавайки енергия, вътре в митохондриите.

Междувременно има достатъчно причини да се съмняваме в благосъстоянието на енергийното снабдяване на органи, тъкани, клетки. Може дори директно да се каже, че човек не е много съвършен в това отношение. Това се доказва от умората, която мнозина изпитват всеки ден и която започва да дразни човек от детството.

Изчисленията показват, че ако енергията в човешкото тяло се произвежда благодарение на тези процеси (цикъла на Кребс и окислителното фосфорилиране), то при ниско натоварване енергийният дефицит би бил 30-50%, а при високо натоварване - повече от 90%. Това се потвърждава от изследванията на американски учени, които стигнаха до извода, че митохондриите не функционират правилно по отношение на осигуряването на човек с енергия.

Въпросите за енергията на клетките и тъканите вероятно дълго време щяха да останат встрани от пътя, по който бавно се движат теоретичната и практическата медицина, ако не се бяха случили две събития. Това е заза новата хипотеза за дишането и откриването на ендогенното дишане.

Обилен растеж на тлъсти дървета,
които се коренят върху безплодния пясък
одобри своето, ясно заявява това
мазни листове мазна мазнина от въздуха
поглъщам...
М. В. Ломоносов

Как се съхранява енергията в една клетка? Какво е метаболизъм? Каква е същността на процесите на гликолиза, ферментация и клетъчно дишане? Какви процеси протичат в светлата и тъмната фаза на фотосинтезата? Как са свързани процесите на обмен на енергия и пластмаса? Какво е хемосинтеза?

Урок-лекция

Способността да се преобразува един вид енергия в друга (лъчиста енергия в енергия на химически връзки, химическа енергия в механична енергия и т.н.) е едно от основните свойства на живите същества. Тук ще разгледаме подробно как тези процеси се реализират в живите организми.

АТФ – ОСНОВНИЯТ НОСИТЕЛ НА ЕНЕРГИЯ В КЛЕТКАТА. За осъществяването на всякакви прояви на жизнената активност на клетките е необходима енергия. Автотрофните организми получават първоначална енергия от Слънцето по време на реакциите на фотосинтеза, докато хетеротрофните организми използват органични съединения от храната като източник на енергия. Енергията се съхранява от клетките в химичните връзки на молекулите АТФ (аденозин трифосфат), които представляват нуклеотид, състоящ се от три фосфатни групи, захарен остатък (рибоза) и азотен основен остатък (аденин) (фиг. 52).

Ориз. 52. Молекула АТФ

Връзката между фосфатните остатъци се нарича макроергична, тъй като когато се разкъса, се освобождава голямо количество енергия. Обикновено клетката извлича енергия от АТФ, като премахва само крайната фосфатна група. В този случай се образува ADP (аденозин дифосфат), фосфорна киселина и се отделят 40 kJ / mol:

Молекулите на АТФ играят ролята на универсалната енергийна разменна монета на клетката. Те се доставят до мястото, където протича енергоемък процес, независимо дали е ензимен синтез органични съединения, работата на протеините - молекулярни двигатели или мембранни транспортни протеини и др. Обратният синтез на молекулите на АТФ се осъществява чрез свързване на фосфатна група към ADP с абсорбция на енергия. Съхраняването на енергия под формата на АТФ от клетката се извършва по време на реакциите енергиен метаболизъм. Той е тясно свързан с обмен на пластмасапо време на който клетката произвежда органични съединения, необходими за нейното функциониране.

МЕТАБОЛИЗЪМ И ЕНЕРГИЯ В КЛЕТКАТА (МЕТАБОЛИЗЪМ). Метаболизъм - съвкупността от всички реакции на пластичния и енергийния метаболизъм, взаимосвързани. В клетките непрекъснато протича синтеза на въглехидрати, мазнини, протеини, нуклеинови киселини. Синтезът на съединенията винаги протича с изразходване на енергия, т.е. с незаменимото участие на АТФ. Източници на енергия за образуването на АТФ са ензимни реакции на окисление на протеини, мазнини и въглехидрати, влизащи в клетката. Този процес освобождава енергия, която се съхранява в АТФ. Окисляването на глюкозата играе специална роля в клетъчния енергиен метаболизъм. Молекулите на глюкозата претърпяват серия от последователни трансформации.

Първият етап, т.нар гликолиза, се провежда в цитоплазмата на клетките и не изисква кислород. В резултат на последователни реакции, включващи ензими, глюкозата се разпада на две молекули пирогроздена киселина. В този случай се изразходват две молекули АТФ, а енергията, освободена по време на окислението, е достатъчна за образуването на четири молекули АТФ. В резултат на това енергийният добив на гликолизата е малък и възлиза на две ATP молекули:

C 6 H1 2 0 6 → 2C 3 H 4 0 3 + 4H + + 2ATP

При анаеробни условия (при липса на кислород) по-нататъшни трансформации могат да бъдат свързани с различни видове ферментация.

Всички знаят млечнокисела ферментация(вкисване на млякото), което се дължи на активността на млечнокисели гъбички и бактерии. Тя е подобна по механизъм на гликолизата, само че крайният продукт тук е млечна киселина. Този тип окисление на глюкозата се случва в клетки с недостиг на кислород, като например в усилено работещите мускули. Близък по химичен състав до млечнокисела и алкохолна ферментация. Разликата е, че продуктите на алкохолната ферментация са етилов алкохол и въглероден диоксид.

Следващият етап, по време на който се окислява пирогроздена киселина, до въглероден двуокиси вода, получи името клетъчно дишане. Реакциите, свързани с дишането, протичат в митохондриите на растителните и животинските клетки и то само в присъствието на кислород. Това е поредица от химически трансформации преди образуването на крайния продукт - въглероден диоксид. На различни етапи от този процес се образуват междинни продукти от окисляването на изходното вещество с елиминиране на водородни атоми. В този случай се освобождава енергия, която се "запазва" в химичните връзки на АТФ и се образуват водни молекули. Става ясно, че точно за свързването на отцепените водородни атоми е необходим кислород. Тази поредица от химични трансформации е доста сложна и се осъществява с участието на вътрешните мембрани на митохондриите, ензими и протеини-носители.

Клетъчното дишане има много висока ефективност. Има синтез на 30 молекули АТФ, още две молекули се образуват по време на гликолизата и шест молекули АТФ - в резултат на трансформацията на продуктите на гликолизата върху митохондриалните мембрани. Общо в резултат на окисляването на една глюкозна молекула се образуват 38 ATP молекули:

C 6 H 12 O 6 + 6H 2 0 → 6CO 2 + 6H 2 O + 38ATP

В митохондриите протичат последните етапи на окисление не само на захари, но и на протеини и липиди. Тези вещества се използват от клетките, главно когато доставките на въглехидрати свършат. Първо се консумират мазнини, по време на окисляването на които се освобождава много повече енергия, отколкото от равен обем въглехидрати и протеини. Следователно мазнините при животните са основният "стратегически резерв" на енергийни ресурси. В растенията нишестето играе ролята на енергиен резерв. Когато се съхранява, тя заема значително повече място от енергийно еквивалентно количество мазнина. За растенията това не е пречка, тъй като те са неподвижни и не носят резерви върху себе си, като животните. Можете да извлечете енергия от въглехидрати много по-бързо, отколкото от мазнини. Протеините изпълняват много важни функции в организма, поради което участват в енергийния метаболизъм само когато ресурсите от захари и мазнини са изчерпани, например при продължително гладуване.

ФОТОСИНТЕЗА. фотосинтезае процес, при който енергията слънчеви лъчисе превръща в енергия на химичните връзки на органичните съединения. В растителните клетки процесите, свързани с фотосинтезата, протичат в хлоропластите. Вътре в този органел има системи от мембрани, в които са вградени пигменти, които улавят лъчистата енергия на Слънцето. Основният пигмент на фотосинтезата е хлорофилът, който абсорбира предимно сини и виолетови, както и червени лъчи от спектъра. Зелената светлина се отразява, така че самият хлорофил и растителните части, които го съдържат, изглеждат зелени.

Във фотосинтезата има две фази - светлинаи тъмно(фиг. 53). Действителното улавяне и преобразуване на лъчиста енергия става по време на светлинната фаза. Когато абсорбира светлинни кванти, хлорофилът преминава във възбудено състояние и става донор на електрони. Неговите електрони се прехвърлят от един протеинов комплекс в друг по електротранспортната верига. Протеините на тази верига, като пигменти, са концентрирани върху вътрешната мембрана на хлоропластите. Когато един електрон преминава през носещата верига, той губи енергия, която се използва за синтезиране на АТФ. Някои от електроните, възбудени от светлината, се използват за намаляване на NDP (никотинамид аденин динуклеотифосфат) или NADPH.

Ориз. 53. Продукти от реакциите на светлата и тъмната фаза на фотосинтезата

Под въздействието на слънчевата светлина в хлоропластите се случва и разделянето на водните молекули - фотолиза; в този случай възникват електрони, които компенсират загубата им от хлорофил; Кислородът се образува като страничен продукт:

По този начин функционалното значение на светлинната фаза е синтезът на АТФ и NADP·H чрез преобразуване на светлинната енергия в химическа енергия.

Тъмната фаза на фотосинтезата не изисква светлина. Същността на протичащите тук процеси е, че молекулите ATP и NADP·H, получени в светлата фаза, се използват в поредица от химични реакции, които „фиксират“ CO2 под формата на въглехидрати. Всички реакции на тъмната фаза се извършват вътре в хлоропластите, а ADP и NADP, освободени по време на "фиксацията" на въглеродния диоксид, отново се използват в реакциите на светлата фаза за синтеза на ATP и NADP H.

Общото уравнение на фотосинтезата е както следва:

ВРЪЗКА И ЕДИНСТВО НА ПРОЦЕСИТЕ НА ПЛАСТИЧЕН И ЕНЕРГИЕН ОБМЕН. Процесите на синтез на АТФ протичат в цитоплазмата (гликолиза), в митохондриите (клетъчно дишане) и в хлоропластите (фотосинтеза). Всички реакции, протичащи по време на тези процеси, са реакции на обмен на енергия. Съхранената енергия под формата на АТФ се изразходва в реакции на пластичен обмен за производството на протеини, мазнини, въглехидрати и нуклеинови киселини, необходими за живота на клетката. Имайте предвид, че тъмната фаза на фотосинтезата е верига от реакции, пластичен обмен, а светлата фаза е енергия.

Връзката и единството на процесите на енергиен и пластичен обмен е добре илюстрирана от следното уравнение:

Четейки това уравнение отляво надясно, получаваме процеса на окисляване на глюкозата до въглероден диоксид и вода по време на гликолиза и клетъчно дишане, свързан със синтеза на АТФ (енергиен метаболизъм). Ако го прочетете от дясно на ляво, тогава получавате описание на реакциите на тъмната фаза на фотосинтезата, когато глюкозата се синтезира от вода и въглероден диоксид с участието на АТФ (пластичен метаболизъм).

ХЕМОСИНТЕЗА. В допълнение към фотоавтотрофите, някои бактерии (водородни, нитрифициращи, серни бактерии и др.) Също така са способни да синтезират органични вещества от неорганични вещества. Те осъществяват този синтез благодарение на енергията, отделена при окисляването на неорганичните вещества. Те се наричат ​​хемоавтотрофи. Тези хемосинтезиращи бактерии играят важна роля в биосферата. Например, нитрифициращите бактерии превръщат амониеви соли, които са недостъпни за растенията, в соли на азотна киселина, които се абсорбират добре от тях.

Клетъчният метаболизъм се състои от реакции на енергиен и пластичен метаболизъм. В хода на енергийния метаболизъм се образуват органични съединения с макроергични химични връзки - АТФ. Енергията, необходима за това, идва от окисляването на органични съединения по време на анаеробни (гликолиза, ферментация) и аеробни (клетъчно дишане) реакции; от слънчевите лъчи, чиято енергия се поглъща в светлинната фаза (фотосинтеза); от окисляването на неорганични съединения (хемосинтеза). Енергията на АТФ се изразходва за синтеза на органични съединения, необходими на клетката в хода на реакциите на пластичен обмен, които включват реакциите на тъмната фаза на фотосинтезата.

• Какви са разликите между пластичния и енергийния метаболизъм?
• Как енергията на слънчевата светлина се преобразува в светлинната фаза на фотосинтезата? Какви процеси протичат по време на тъмната фаза на фотосинтезата?
• Защо фотосинтезата се нарича процес на отразяване на планетарно-космическото взаимодействие?

Енергия за добавяне химическа система„започването“ на реакция се нарича енергия за активиране на тази реакция и служи като вид енергиен гребен, който трябва да бъде преодолян.

При некатализирани реакции сблъсъците между молекулите служат като източник на енергия за активиране. Ако сблъскващите се молекули са правилно ориентирани и сблъсъкът е достатъчно силен, има шанс те да реагират.

Ясно е защо химиците нагряват колби, за да ускорят реакциите: с повишаването на температурата скоростта на топлинното движение и честотата на сблъсъците се увеличават. Но в условията на човешкото тяло клетката не може да се нагрява, това е неприемливо за нея. И реакциите продължават, при това със скорости, недостижими, когато се извършват в епруветка. Друго изобретение на природата работи тук - ензими които споменахме по-рано.

Както вече беше споменато, по време на химичните трансформации могат спонтанно да възникнат онези реакции, при които енергията, съдържаща се в реакционните продукти, е по-малка, отколкото в изходните материали. За останалите реакции е необходим приток на енергия отвън. Спонтанната реакция може да се сравни с падащо тегло. Първоначално тежестта в покой има тенденция да пада надолу, като по този начин намалява потенциалната си енергия.

Така че реакцията, като се инициира, има тенденция да продължи към образуването на вещества с по-нисък енергиен резерв. Процес, в който може да се извършва работа, се нарича спонтанен.

Но ако два товара са свързани по определен начин, тогава по-тежкият, падайки, ще повдигне по-лекия. И в химичните, особено в биохимичните процеси реакция, протичаща с освобождаване на енергия, може да предизвика възникването на свързана с нея реакция, изискваща приток на енергия отвън. Такива реакции се наричат спрегнати.

В живите организми съчетаните реакции са много чести и техният ход определя всички най-фини явления, които съпътстват живота и съзнанието. Падащ „тежък товар“ кара друго, по-леко, но по-малко количество да бъде повдигнато. Когато се храним, ние абсорбираме вещества от високо качествоенергия, причинена от Слънцето, които след това се разлагат в тялото и в крайна сметка се освобождават от него, но в същото време успяват да освободят енергия в количество, достатъчно да осигури процеса, наречен живот.

В клетката е основният енергиен медиатор, тоест „движещото колело“ на живота аденозин трифосфат (АТФ) . Защо тази връзка е интересна? От биохимична гледна точка, АТФ е молекула със среден размер, способна да прикрепя или "отпада" крайни фосфатни групи, в които фосфорният атом е заобиколен от кислородни атоми.

Образуването на АТФ става от аденозин дифосфат (ADP) поради енергията, освободена по време на биологичното окисление на глюкозата. От друга страна, разкъсването на фосфатната връзка в АТФ освобождава много енергия. Такава връзка се нарича високоенергийна или макроергична. Молекулата на АТФ съдържа две такива връзки, чиято хидролиза освобождава енергия, еквивалентна на 12-14 kcal.

Не е известно защо природата в процеса на еволюция е „избрала” АТФ като енергийна валута на клетката, но може да се предположи няколко причини. Термодинамично тази молекула е доста нестабилна, както се вижда от голямото количество енергия, отделена по време на нейната хидролиза.

Но в същото време скоростта на ензимна хидролиза на АТФ при нормални условия е много ниска, т.е. молекулата на АТФ има висока химическа стабилност, осигуряваща ефективно съхранение на енергия.

Малкият размер на молекулата на АТФ я прави лесна за разпространение в различни части на клетката, където е необходима енергия за извършване на каквато и да е работа. И накрая, ATP заема междинна позиция в скалата на високоенергийните съединения, което му придава гъвкавост, позволявайки прехвърлянето на енергия от по-високоенергийни съединения към по-нискоенергийни.

По този начин АТФ е основната универсална форма за съхранение на клетъчна енергия, горивото на клетката, достъпно за използване по всяко време. И основният доставчик на енергия за клетката, както вече споменахме, е глюкоза получени от разграждането на въглехидратите. „Изгаряйки“ в тялото, глюкозата образува въглероден диоксид и вода и този процес осигурява реакциите на клетъчното дишане и храносмилането. Думата "изгаря" в този случай е изображение, в тялото няма пламък, а енергията се извлича чрез многоетапни химически методи.

На първия етап, който протича в цитоплазмата без участието на кислород, молекулата на глюкозата се разпада на два фрагмента (две молекули пирогроздена киселина) и този етап се нарича гликолиза . В този случай се освобождават 50 kcal / mol енергия (т.е. 7% от енергията, съдържаща се в глюкозата), част от която се разсейва под формата на топлина, а другата се изразходва за образуването на две ATP молекули.

Последващото извличане на енергия от глюкозата се извършва главно в митохондриите - електроцентралите на клетката, чиято работа може да се сравни с галваничните клетки. Тук, на всеки етап, електрон и водороден йон се отделят и в крайна сметка глюкозата се разлага до въглероден диоксид и вода.

AT митохондриите електроните и водородните йони се въвеждат в една верига от редокс ензими (дихателната верига), преминавайки от медиатор към медиатор, докато се комбинират с кислорода. И на този етап за окисление не се използва кислород от въздуха, а кислород от вода и оцетна киселина.

Кислородът на въздуха е последният акцептор на водород, завършващ целия процес на клетъчно дишане, поради което е толкова необходим за живота. Както е известно, взаимодействието на газообразен кислород и водород е придружено от експлозия (моментално отделяне на голямо количество енергия).

Това не се случва в живите организми, тъй като газообразният водород не се образува и докато се свърже с кислорода във въздуха, доставката безплатна енергиянамалява толкова много, че реакцията на образуване на вода протича съвсем тихо (вж снимка 1).

Глюкозата е основният, но не и единственият субстрат за производство на енергия в клетката. Заедно с въглехидрати, мазнини, протеини и други вещества влизат в тялото ни с храната, която след разделяне може да служи и като източник на енергия, превръщайки се във вещества, които участват в биохимични реакции, протичащи в клетката.

Фундаменталните изследвания в областта на теорията на информацията доведоха до появата на понятието информационна енергия (или енергията на информационното въздействие), като разликата между сигурност и несигурност. Тук бих искал да отбележа, че клетката консумира и изразходва информационна енергия, за да елиминира несигурността във всеки момент от своя жизнен цикъл. Това води до осъществяване на жизнения цикъл без увеличаване на ентропията.

Нарушаването на процесите на енергийния метаболизъм под въздействието на различни въздействия води до сривове на отделни етапи и в резултат на тези сривове - до нарушаване на подсистемата на жизнената дейност на клетката и на целия организъм като цяло. Ако броят и разпространението на тези нарушения надхвърлят компенсаторните възможности на хомеостатичните механизми в организма, тогава системата излиза извън контрол, клетките спират да работят синхронно. На нивото на тялото това се проявява под формата на различни патологични състояния.

По този начин липсата на витамин В 1, който участва в работата на определени ензими, води до блокиране на окисляването на пирогроздена киселина, излишъкът от хормони на щитовидната жлеза нарушава синтеза на АТФ и др. Смъртните случаи от миокарден инфаркт, отравяне с въглероден окис или отравяне с калиев цианид също са свързани с блокиране на процеса на клетъчно дишане чрез инхибиране или разединяване на последователни реакции. Чрез подобни механизми индиректно и действието на много бактериални токсини.

По този начин функционирането на клетка, тъкан, орган, система от органи или организъм като система се поддържа от механизми за саморегулация, чийто оптимален ход от своя страна се осигурява от биофизични, биохимични, енергийни и информационни процеси.

Енергията е необходима на всички живи клетки - тя се използва за различни биологични и химични реакции, протичащи в клетката. Някои организми използват енергията на слънчевата светлина за биохимични процеси - това са растенията (фиг. 1), а други използват енергията на химичните връзки в веществата, получени в процеса на хранене - това са животинските организми. Извличането на енергия се извършва чрез разделяне и окисляване на тези вещества, в процеса на дишане това дишане се нарича биологично окисление,или клетъчно дишане.

Ориз. 1. Енергията на слънчевата светлина

Клетъчно дишане- Това е биохимичен процес в клетката, протичащ с участието на ензими, в резултат на който се отделят вода и въглероден диоксид, съхранява се енергия под формата на високоенергийни връзки на АТФ молекули. Ако този процес протича в присъствието на кислород, тогава се нарича аеробика, но ако се случи без кислород, тогава се нарича анаеробни.

Биологичното окисление включва три основни етапа:

1. Подготвителен.

2. Аноксичен (гликолиза).

3. Пълно разлагане на органичните вещества (в присъствието на кислород).

Веществата, приети с храната, се разграждат до мономери. Този етап започва от стомашно-чревния трактили в лизозомите на клетката. Полизахаридите се разграждат до монозахариди, протеините до аминокиселини, мазнините до глицерол и мастни киселини. Освободената на този етап енергия се разсейва под формата на топлина. Трябва да се отбележи, че клетките използват въглехидрати за енергийни процеси, а монозахаридите са по-добри, а мозъкът може да използва само монозахарид - глюкоза за своята работа (фиг. 2).

Ориз. 2. Подготвителен етап

Глюкозата се разгражда чрез гликолиза на две тривъглеродни молекули на пирогроздена киселина. По-нататъшната съдба на пирогроздената киселина зависи от наличието на кислород в клетката. Ако в клетката присъства кислород, тогава пирогроздената киселина преминава в митохондриите за пълно окисление до въглероден диоксид и вода (аеробно дишане). Ако няма кислород, тогава в животинските тъкани пирогроздената киселина се превръща в млечна киселина. Този етап протича в цитоплазмата на клетката.

гликолиза- това е последователност от реакции, в резултат на които една молекула глюкоза се разделя на две молекули пирогроздена киселина, докато се освобождава енергия, която е достатъчна за превръщането на две ADP молекули в две ATP молекули (фиг. 3).

Ориз. 3. Аноксичен стадий

Кислородът е от съществено значение за пълното окисление на глюкозата. На третия етап пирогроздената киселина се окислява напълно в митохондриите до въглероден диоксид и вода, което води до образуването на още 36 ATP молекули, тъй като този етап протича с участието на кислород, той се нарича кислород или аеробен (фиг. 4) .

Ориз. 4. Пълно разграждане на органичните вещества

Общо 38 молекули АТФ се образуват от една молекула глюкоза на три етапа, като се вземат предвид двата АТФ, получени в процеса на гликолиза.

По този начин разгледахме енергийните процеси, протичащи в клетките, характеризиращи етапите на биологично окисление.

Дишането, което се случва в клетката с освобождаването на енергия, често се сравнява с процеса на горене. И двата процеса протичат в присъствието на кислород, освобождаване на енергия и продукти на окисление - въглероден диоксид и вода. Но за разлика от горенето, дишането е подреден процес на биохимични реакции, протичащи в присъствието на ензими. По време на дишането въглеродният диоксид възниква като краен продукт на биологичното окисление, а по време на горенето образуването на въглероден диоксид става чрез директно свързване на водород с въглерод. Също така, по време на дишането, в допълнение към водата и въглеродния диоксид, се образува определено количество ATP молекули, т.е. дишането и горенето са коренно различни процеси (фиг. 5).

Ориз. 5. Разлики между дишане и горене

Гликолизата е не само основният път за метаболизма на глюкозата, но и основният път за метаболизма на хранителните фруктоза и галактоза. Особено важна в медицината е способността на гликолизата да образува АТФ в отсъствието на кислород. Това позволява да се поддържа интензивна работа на скелетните мускули в условия на недостатъчна ефективност на аеробното окисление. Тъканите с повишена гликолитична активност са в състояние да останат активни по време на периоди на кислороден глад. В сърдечния мускул възможностите за гликолиза са ограничени. Трудно се понася нарушено кръвоснабдяване, което може да доведе до исхемия. Известно е, че няколко заболявания се причиняват от недостатъчна активност на гликолизните ензими, една от които е хемолитичната анемия (в бързо растящите ракови клетки гликолизата протича със скорост, надвишаваща капацитета на цикъла на лимонената киселина), което допринася за повишен синтез на млечна киселина в органи и тъкани (фиг. 6).

Ориз. 6. Хемолитична анемия

Повишените нива на млечна киселина в организма могат да бъдат симптом на рак. Тази метаболитна характеристика понякога се използва за лечение на някои форми на тумори.

Микробите са в състояние да получат енергия в процеса на ферментация. Ферментацията е позната на хората от незапомнени времена, например при производството на вино, млечнокиселата ферментация е била известна още по-рано (фиг. 7).

Ориз. 7. Приготвяне на вино и сирене

Хората са консумирали млечни продукти, без да подозират, че тези процеси са свързани с дейността на микроорганизмите. Терминът "ферментация" е въведен от холандеца Ван Хелмонт за процеси, които протичат с отделянето на газ. Това е доказано за първи път от Луи Пастьор. Освен това различните микроорганизми отделят различни ферментационни продукти. Ще говорим за алкохолна и млечнокисела ферментация. Алкохолна ферментация- Това е процесът на окисляване на въглехидратите, в резултат на който се образуват етилов алкохол, въглероден диоксид и се отделя енергия. Пивоварите и винопроизводителите са използвали способността на някои видове дрожди да стимулират ферментацията, която превръща захарите в алкохол. Ферментацията се извършва главно от дрожди, но също и от някои бактерии и гъбички (фиг. 8).

Ориз. 8. Мая, гъби от брашно, продукти от ферментация - квас и оцет

У нас традиционно се използват дрожди Saccharomycetes, в Америка - бактерии от рода Pseudomonas, в Мексико се използват бактерии "мобилни пръчици", в Азия се използват гъбички мукор. Нашите дрожди са склонни да ферментират хексози (монозахариди с шест въглерода) като глюкоза или фруктоза. Процесът на образуване на алкохол може да бъде представен по следния начин: от една молекула глюкоза се образуват две молекули алкохол, две молекули въглероден диоксид и се отделят две молекули АТФ.

C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 2ATP

В сравнение с дишането, такъв процес е по-малко енергийно полезен от аеробните процеси, но ви позволява да поддържате живот при липса на кислород. При млечнокисела ферментацияедна молекула глюкоза образува две молекули млечна киселина и се освобождават две молекули АТФ, това може да се опише с уравнението:

C 6 H 12 O 6 → 2C 3 H 6 O 3 + 2ATP

Процесът на образуване на млечна киселина е много близък до процеса на алкохолна ферментация, глюкозата, както при алкохолната ферментация, се разгражда до пирогроздена киселина, след което преминава не в алкохол, а в млечна киселина. Млечнокисела ферментация се използва широко за производството на млечни продукти: сирене, извара, подквасено мляко, кисели млека (фиг. 9).

Ориз. 9. Млечнокисели бактерии и продукти на млечнокисела ферментация

В процеса на образуване на сирене първо участват млечнокисели бактерии, които произвеждат млечна киселина, след това бактериите на пропионовата киселина превръщат млечната киселина в пропионова киселина, поради което сирената имат доста специфичен остър вкус. Млечнокиселите бактерии се използват при консервирането на плодове и зеленчуци, млечната киселина се използва в сладкарската промишленост и производството на безалкохолни напитки.

Библиография

1. Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Агафонова И.Б., Сонин Н.И. Биология. Общи модели. - Дропла, 2009 г.

2. Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Чернова Н.М. Основи на общата биология. 9 клас: Учебник за ученици в образователни институции от 9 клас / Изд. проф. И.Н. Пономарева. - 2-ро изд., преработено. - М .: Вентана-Граф, 2005.

3. Пасечник В.В., Каменски А.А., Криксунов Е.А. Биология. Увод в общата биология и екология: учебник за 9. клас, 3 изд., стереотип. - М.: Дропла, 2002.

1. Уебсайт "Биология и медицина" ()

3. Интернет сайт "Медицинска енциклопедия" ()

Домашна работа

1. Какво представлява биологичното окисление и неговите етапи?

2. Какво е гликолиза?

3. Какви са приликите и разликите между алкохолната и млечнокиселата ферментация?