Обмен веществ в клетке. Питание в клетке

Обмен веществ и энергии в клетке. Питание клетки

Одним из важных условий существования живой клетки является обмен веществ и энергии. В клетке постоянно происходят сложнейшие физические и химические процессы, направленные на обеспечение стабильности внутренней среды как самой клетки, так и всего организма в целом. Для обозначения постоянства внутренней среды любой биологической системы применяют термин гомеостаз. Нарушение гомеостаза ведёт к повреждению или даже разрушению организма. В клетках присутствуют структуры, позволяющие осуществлять синтез необходимых ей веществ, а также расщеплять энергетически ёмкие вещества и получать нужное количество энергии. Вся совокупность процессов синтеза веществ в организме называется ассимиляцией, или анаболизмом. Ещё одно названия реакций синтеза – пластический обмен. Пластический обмен, например, биосинтез белка, осуществляется особенно активно в растущих клетках.

Одновременно с ассимиляцией в клетке протекают процессы расщепления органических молекул с выделением энергии. Часть энергии теряется, рассеивается, другая часть запасается в виде молекул АТФ и расходуется по мере необходимости. Общее название реакций распада органических веществ, сопровождающихся выделением энергии – диссимиляция, или катаболизм. Так же к процессам диссимиляции применим термин энергетический обмен.

Ассимиляция и диссимиляция, хотя и противоположные по результатам процессы, в основе своей тесно взаимосвязаны и взаимообусловлены. Взаимосвязь их обнаруживается в расходовании на биосинтез веществ (ассимиляцию) той энергии, которая освобождается в процессе диссимиляции. Без этой энергии не могут образовываться и продукты распада белков, жиров и углеводов, необходимые для биосинтеза. С другой стороны, ассимиляция обусловливает накопление в организме соответствующего энергетического материала. Эти процессы являются важнейшими звеньями метаболизма — совокупности процессов биохимических превращений веществ и энергии в живых организмах, обмена веществ.

Реакции метаболизма протекают при умеренных температурах, нормальном 

давлении, малых колебаниях кислотности. Скорость протекания реакций регулируется ферментами, которые действуют избирательно на определённые вещества. Так, фермент амилаза катализирует распад в ротовой полости крахмала: без этого фермента реакция не идёт. Фермент уреаза катализирует расщепление мочевины до угольной кислоты и аммиака, но не действует на другие родственные мочевине соединения.

Основным источником энергии для всех клеток служит молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая синтезируется в клетке в результате реакции фосфорилирования, т.е. присоединения к молекуле аденозиндифосфата (АДФ) ещё одного остатка фосфорной кислоты. Энергия, затраченная на эту реакцию, переходит в энергию химической связи и таким образом запасается.

Энергия, необходимая для синтеза АТФ и других органических соединений клетки, выделяется в процессе диссимиляции, т.е. в результате расщепления органических веществ.

Диссимиляция у разных организмов проходит не одинаково и зависит от структуры и физиологических особенностей организма и условий среды, в которой он обитает.

Большинство организмов, обитающих на Земле, являются аэробами, т.е. для жизни используют свободный кислород воздуха. Диссимиляция у таких организмов проходит три фазы: подготовительную, бескислородную и кислородную. Результатом такого энергетического обмена является распад органических соединений до неорганических и выделение достаточного количества энергии. Уанаэробов живущих в бескислородной среде и у аэробов при недостатке кислорода диссимиляция проходит две фазы – подготовительную и бескислородную. При таком способе энергетического обмена запасается гораздо меньше энергии, чем при трёхфазовом.

Подготовительная фаза является начальным этапом энергетического обмена и включает в себя расщепление полимеров: белков – до аминокислот, жиров – до глицерина и жирных кислот, углеводов – до глюкозы. Эти процессы осуществляются при помощи пищеварительных ферментов лизосом, а у многоклеточных животных в пищеварительной системе. Этот этап проходит с затратой энергии.

Следующая фаза энергетического обмена – бескислородная. Она проходит с выделением энергии. В основе этого этапа обмена лежит гликолиз – многоступенчатый процесс окисления молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты. Реакции гликолиза проходят в цитоплазме клетки и катализируются большим количеством ферментов. Суммарное уравнение гликолиза выглядит следующим образом:

В бескислородной среде в растительных клетках и клетках некоторых грибов, например, дрожжей, вместо гликолиза проходит процесс спиртового брожения, в результате которого глюкоза превращается в этиловый спирт и углекислый газ. Суммарное уравнение спиртового брожения:

Спиртовое брожение дрожжей применяют в виноделии, пивоварении и хлебопечении.

Для некоторых бактерий характерно молочнокислое брожение, в результате которого пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту. Такие бактерии получили название молочнокислых и используются при приготовлении молочных продуктов.

Образование молочной кислоты может происходить в тканях многоклеточных организмов при кислородном голодании. Например, при физической нагрузке в скелетных мышцах в результате пережатия кровеносных сосудов возникает дефицит кислорода. Образующаяся молочная кислота связывает ионы кальция, что является причиной болевых ощущений в мышцах.

В клетках некоторых микроорганизмов в анаэробных условиях образуется уксус или ацетон, но и в этих случаях, как и при гликолизе, окисление одной молекулы глюкозы приводит к запасанию двух молекул АТФ.

Завершающая фаза энергетического обмена – полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание. Этот многоэтапный процесс проходит в митохондриях клетки и заключается в расщеплении органических молекул, образовавшихся в анаэробной фазе до конечных продуктов – углекислого газа и воды.

В результате клеточного дыхания из двух молекул молочной кислоты синтезируется 36 молекул АТФ:

Ещё две молекулы АТФ образовались в ходе анаэробной фазы, поэтому суммарное уравнение энергетического обмена можно выразить следующим образом:

Энергия, вырабатываемая и запасаемая клеткой в процессе диссимиляции, используется, в том числе, для сборки молекул органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самой клетки, так и организма в целом.

Мономеры, из которых синтезируются белки, углеводы, липиды и другие молекулы организм получает в результате расщепления биополимеров, полученных извне с пищей. Органические вещества, полученные с пищей, не могут быть использованы организмом в неизменном виде, т.к. являются, по сути, чужеродными. Например, белок куриного яйца в необработанном виде не может участвовать в построении мышечной ткани человека. При помощи специфических ферментов органика пищи расщепляется до мономеров, которые используются в процессе синтеза веществ, характерных для данного организма.

Процесс поглощения пищи живыми организмами направленный на поддержание нормального протекания физиологических процессов жизнедеятельности, в частности, для восстановления расходуемой энергии, построения и обновления клеток и тканей называется питанием. Особенности питания организма зависят от его видовой принадлежности. Как правило, процесс питания состоит из поглощения, расщепления, переваривания и всасывания питательных веществ.

Все организмы по способу питания делятся на две группы – автотрофы и гетеротрофы.

К автотрофам относятся организмы, синтезирующие из неорганических веществ, в основном, воды и углекислого газа, все необходимые для жизни органические вещества. При этом одни из них (фототрофы) получают необходимую энергию от Солнца, другие (хемотрофы) от химических реакций неорганических соединений.

Автотрофы являются первичными продуцентами органического 

вещества в биосфере, обеспечивая пищей гетеротрофов. Гетеротрофы – организмы, которые не способны синтезировать органические вещества из неорганических путём фотосинтеза или хемосинтеза. Гетеротрофами являются растительноядные и плотоядные животные, в том числе и человек, грибы, растения и микроорганизмы. Особыми группами гетеротрофов являются паразиты, питающиеся соками организма хозяина, и сапрофиты, поглощающие органические вещества в жидком виде через клеточную стенку. Граница между автотрофами и гетеротрофами бывает не чёткой. Некоторые простейшие (эвглена зелёная) в темноте питаются как гетеротрофы, а на свету становятся автотрофами.