Обмен веществ и энергии в клетке

Обмен веществ и  превращение энергии в клетке — основа всех проявлений ее жизнедеятельности

Опубликовано 27 Апр 2010 в рубрике «Биология 10 Класс, Цитология»  

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение

1. Молекулярный транспорт  через биологическую мембрану

2. Энергетический  обмен

Заключение

Список литературы 

ВВЕДЕНИЕ 

Главным условием жизни  как отдельной клетки, так и  организма в целом является обмен  веществ и энергией с окружающей средой. Энергия необходима для осуществления  множества различных жизненно важных процессов.

В клетке непрерывно идут процессы биологического синтеза, или биосинтеза. С помощью ферментов  образуются сложные высокомолекулярные соединения: из аминокислот синтезируются  белки, из моносахаридов — сложные  углеводы, из азотистых оснований  — нуклеотиды, а из них — 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. Например, клетки наружных покровов членистоногих синтезируют  хитин — сложный полисахарид, а 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. Синтезируемые  вещества используются в процессе роста  для построения клеток и их органоидов и для замены израсходованных  или разрушенных молекул. Все  реакции синтеза идут с поглощением  энергии.

Большое количество энергии необходимо для построения органелл клетки и создания новых  клеток при делении; активного транспорта веществ в клетку и из клетки; энергетической передачи нервных импульсов; сокращения мышц; поддержания постоянной температуры тела у птиц и млекопитающих  и т. д. При этом живым организмам необходим постоянный приток энергии  как для осуществления этих процессов, так и для восполнения неизбежных потерь энергии в виде тепла. Источником энергии в этих случаях служит расщепление органических веществ. Совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений, сопровождающихся выделением энергии, называется энергетическим обменом, или диссимиляцией.

Запас органических веществ, расходуемых в процессе диссимиляции, должен непрерывно пополняться  либо за счет пищи (животные), либо путем  синтеза из неорганических веществ  при использовании света (зеленые  растения). Совокупность всех процессов  биосинтеза называется пластическим обменом, или ассимиляцией. Пластический обмен  всегда сопровождается поглощением  энергии.

Реакции пластического  и энергетического обменов находятся  в неразрывной связи и дополняют  друг друга, составляя в совокупности обмен веществ и энергии в  клетке.

Совокупность реакций  синтеза (анаболические реакции) и  распада (катаболические реакции), протекающих  в клетке в любой данный момент, составляют ее обмен веществ (метаболизм).

Анаболизм + катаболизм = метаболизм. Обмен веществ может  осуществляться, если организм получает нужные ему вещества из внешней среды  и выводит в окружающую среду  продукты обмена, т. е. обмен веществ  как форма существования живого возможен лишь при условии неразрывной  связи организма со средой.

Связь организма  с окружающей средой, с физико-химической точки зрения, представляет собой  открытую систему, т. е. систему, где  биохимические процессы идут постоянно. Исходные вещества поступают из окружающей среды, а вещества, образующиеся также  непрерывно, выносятся вовне. Равновесие между скоростью и концентрацией  продуктов разнонаправленных реакций  в организме является условным, мнимым, т. к. поступление и вынос веществ  не прекращаются. Непрерывная связь  с окружающей средой и позволяет  рассматривать живой организм как  открытую систему. 

1. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ТРАНСПОРТ  ЧЕРЕЗ БИОЛОГИЧЕСКУЮ МЕМБРАНУ 

Одна из главных  задач любого живого существа, будь то одиночная клетка или многоклеточный организм, — получение необходимых  для жизни веществ, т. е. пищи, воды и кислорода. Одновременно организм должен избавиться от различных отходов  жизнедеятельности (например, от двуокиси углерода). Обмен веществами со средой идет через клеточную мембрану (ее называют также плазматической мембраной) — тонкую пленку, покрывающую всю  клетку. Существует четыре основных механизма  поступления веществ в клетку или выхода из клетки наружу: диффузия, осмос, активный транспорт и экзо- или эндоцитоз.

Молекулы любого вещества находятся в непрерывном  беспорядочном движении. При этом они стремятся переходить из области  с более высокой их концентрацией  в область более низкой концентрации, так что реальное их перемещение  происходит по градиенту концентрации. Такое движение носит название диффузии.

Многие вещества способны диффундировать в клетки или  из клеток по градиентам концентрации. Предоставленные самим себе, такие  вещества вскоре равномерно распределились бы между клеткой и средой, т. е. их концентрации в клетке и среде  сравнялись бы. Однако чтобы клетка оставалась живой, ее химический состав должен быть относительно постоянным, что сопряжено с большими трудностями, т. к. клетке приходится непрерывно поглощать новые молекулы — питательные вещества и кислород — и непрерывно удалять отходы. Клетка должна, следовательно, поддерживать оживленный, но строго регулируемый обмен со средой! Регулирование этого обмена осуществляет клеточная мембрана.

Клеточная мембрана настолько тонка, что она не видна  в световом микроскопе, но о ее существовании  исследователи узнали задолго до того, как она была выявлена в  трансмиссионном электронном микроскопе. В начале ХХ в. обнаружили, что скорость проникновения многих веществ в  эритроциты прямо пропорциональна  их растворимости в липидах. Исходя из этого предположили, что клеточная  мембрана содержит большое количество липидов; вещества растворяются в ней, проходят сквозь нее и оказываются  по другую сторону мембраны.

Однако растворимость  в липидах не объясняет всех характеристик  проницаемости клеточной мембраны. Вода и ряд водорастворимых (полярных) веществ проникают в клетки гораздо  быстрее, чем следовало бы ожидать, исходя из их растворимости в липидах.

В 1925 г. на основании  проведенных опытов пришли к выводу, что клеточная мембрана состоит  из двойного слоя липидных молекул (биомолекулярного слоя, бислоя). Изучение поверхностного натяжения и гибкости пограничного слоя клетки позволило заключить, что  в клеточной мембране содержится и белок.

Клеточная мембрана обладает избирательной проницаемостью, т. е. одни вещества проходят через нее  легче, чем другие. Как уже отмечалось выше, вещества, способные растворяться в липидах, могут проходить через  мембрану, просто-напросто растворяясь  в ней. Однако перемещение ионов  и больших органических мономеров, вроде глюкозы и аминокислот, происходит гораздо быстрее, чем  можно было бы ожидать от полярных молекул, растворяющихся в тонком слое липида. Имеются неоспоримые доказательства, что эти вещества вводятся в клетки (или выводятся из них) специальными переносчиками, содержащимися в  клеточной мембране.

Переносчиками являются мембранные транспортные белки. Каждый конкретный белок предназначен для  транспорта строго определенного химического  соединения. Такие белки-переносчики  способны соединяться с молекулой  или ионом и без затраты  энергии, т. е. пассивно транспортировать их через мембрану по градиенту концентрации. Этот процесс, получивший название облегченной  диффузии, является главным механизмом избирательной проницаемости мембраны.

При облегченной  диффузии переносчик, функционирующий  в клеточной мембране, на одной  стороне мембраны соединяется с  молекулой или ионом, а на другой — отдает их, пройдя с ними вместе короткий путь через мембрану. Клетка не расходует на это никакой энергии, если не считать энергию, затраченную  на самообразование переносчика. Переносчик, в сущности, только делает мембрану более проницаемой для того вещества, которое он переносит в клетку полярных молекул, таких, как ионы, сахара, аминокислоты, нуклеотиды и многие другие метаболиты.

Интересно отметить, что вода легко диффундирует через  липидный слой, несмотря на то, что молекулы воды относительно нерастворимы в жирах. Большая скорость диффузии воды отчасти  объясняется тем, что ее молекулы малы и не заряжены. Напротив, для  всех заряженных молекул (ионов), независимо от их размера, липидные слои плазматической мембраны служат серьезным препятствием для проникновения в клетку.

В отличие от облегченной  диффузии, активный транспорт —  это перемещение веществ против их градиентов концентрации. Вещества переходят при этом из той области, где их концентрация ниже, туда, где  она и без того уже выше. Поскольку  такое перемещение происходит в  направлении, противоположном нормальной диффузии, клетка должна затрачивать  на это энергию. Источником этой энергии  служит АТФ. Благодаря затрате энергии, необходимый растению катион, например калия, может проникнуть в клетки корня даже в том случае, если его концентрация в почвенном  растворе в 100 раз ниже, чем в клеточном  соке. Наоборот, менее нужный растению катион Na+ они удаляют в окружающую среду даже при более высокой  концентрации в ней этого элемента.

Механизмы активного  поглощения существуют только для ионов  питательных веществ; следовательно, клетка обладает определенной избирательной  способностью по отношению к различным  ионам. Остальные ионы проникают  в клетку в соответствии с градиентом их электрохимического потенциала и  проницаемостью мембран.

Вода совершенно необходима живой клетке, однако клетка, как известно, не располагает никакой  специальной системой ни для ее поглощения, ни для выведения наружу. Вода проходит сквозь клеточную мембрану совершенно свободным путем осмоса. Осмос  — это диффузия воды через проницаемую  мембрану, вызванная разностью концентраций. Если клетку поместить в воду (гипотонический раствор), то создается градиент водного  потенциала: снаружи концентрация воды будет значительно выше, чем внутри. В силу этого вода поступает внутрь клетки по градиенту своей концентрации, причем мембрана избирательно пропускает только молекулы воды.

Осмотическое движение воды зависит от двух главных факторов: 

1) от общей концентрации  всех растворенных в воде частиц  по обе стороны мембраны;

2) от давления, создаваемого  каждым раствором. 

При прочих равных условиях вода стремится переходить через  избирательно проницаемую мембрану от менее концентрированного раствора к раствору с более высокой  концентрацией всех растворенных частиц. Однако при этом в какой-то момент вода, поступившая в более концентрированный  раствор, может развить такое  давление, что оно будет вытеснять  ее наружу с такой же скоростью, с  какой она поступает внутрь.

Не обладая способностью насасывать или откачивать воду непосредственно, клетки регулируют приток и отток  воды, изменяя концентрацию находящихся  в них растворенных веществ. Чтобы  поглотить больше воды, клетка поглощает  больше ионов различных солей, молекул  глюкозы или других растворимых  соединений. В результате в клетке повышается концентрация растворенных частиц. Вода, по законам осмоса, начинает поступать в клетку, стремясь к  выравниванию своей собственной  концентрации по обе стороны мембраны.

Так работает эта  система до тех пор, пока концентрация растворенных веществ вне клетки и в клетке примерно одинакова. Если же в среде концентрация растворенных веществ выше, чем в самой клетке, или если средой для клетки служит практически сухой воздух, то клетка теряет воду и сморщивается. С оттоком воды содержимое клетки сжимается и отходит от клеточных стенок, растение увядает. Если же увядшие растения поместить в воду, то вода вновь поступает в клетки. Они становятся тургесцентными, т. е. набухают от воды и снова прижимаются к клеточным стенкам, подчиняясь тургурному давлению, направленному изнутри наружу. Клеточные стенки способны растягиваться лишь до известного предела, после которого они начинают оказывать противодавление, вытесняющее воду из клеток с такой же скоростью, с какой она в них поступает.

Таким способом клеточные  стенки защищают клетки, не дают им лопнуть  под напором избытка воды.

По мере поступления  воды осмотическое давление Р клеточного сока и сосущая сила S уменьшаются, а тургурное давление возрастает до тех пор, пока они не уравновесят  друг друга. После этого поглощение воды прекращается. Эта зависимость  выражается следующим уравнением: 

S = P — T 

При полном плазмолизе тургор равен нулю, а сосущая сила клетки — величине ее осмотического  давления. В случае полного насыщения  клетки водой тургурное давление равно осмотическому (Р = Т), вследствие чего сосущая сила будет равна  нулю, и поступление воды в клетку прекратится.