Внутренняя среда клетки

Внутри клетки находится цитоплазма. Она состоит из жидкой части – гиалоплазмы (матрикса), органелл и цитоплазматических включений.

Гиалоплазма

Гиалоплазма – основное вещество цитоплазмы, заполняет все пространство между плазматической мембраной, оболочкой ядра и другими внутриклеточными структурами. Гиалоплазму можно рассматривать как сложную коллоидную систему, способную существовать в двух состояниях: золеобразном (жидком) и гелеобразном, которые взаимно переходят одно в другое. В процессе этих переходов осуществляется определенная работа, затрачивается энергия. Гиалоплазма лишена какой-либо определенной организации. Химический состав гиалоплазмы: вода (90 %), минеральные ионы, белки (ферменты гликолиза, обмена сахаров, азотистых оснований, белков и липидов). Некоторые белки цитоплазмы образуют субъединицы, дающие начало таким органеллам, как центриоли, микрофиламенты.

Функции гиалоплазмы:

1) образование истинной внутренней среды клетки, которая объединяет все органеллы и обеспечивает их взаимодействие;

2) поддержание определенной структуры и формы клетки, создание опоры для внутреннего расположения органелл;

3) обеспечение внутриклеточного перемещения веществ и структур;

4) обеспечение адекватного обмена веществ как внутри самой клетки, так и с внешней средой.

Включения

Это относительно непостоянные компоненты цитоплазмы. Среди них выделяют:

1) запасные питательные вещества, которые используются самой клеткой в периоды недостаточного поступления питательных веществ извне (при клеточном голоде), – капли жира, гранулы крахмала или гликогена;

2) продукты, которые подлежат выделению из клетки, например, гранулы зрелого секрета в секреторных клетках (молоко в лактоцитах молочных желез);

3) балластные вещества некоторых клеток, которые не выполняют какой-либо конкретной функции (некоторые пигменты, например, липофусцин стареющих клеток).

Метаболизм

Материальная сущность жизни проявляется, прежде всего, в непрерывном обмене веществ и энергии, который происходит между живой системой (клеткой, организмом, биоценозом) и окружающей его внешней средой. В этом смысле биологические системы являются открытыми.

Разные организмы потребляют разные виды энергии, в связи с чем их делят на автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофные организмы (самопитающиеся) способны поглощать энергию неживой природы. Прежде всего, это зеленые растения, а также бурые и красные водоросли, использующие солнечный свет для процесса фотосинтеза – образования органического вещества глюкозы из неорганических воды и углекислого газа. К автотрофам относятся также сине-зеленые водоросли (цианеи) и некоторые бактерии, способные к реакциям хемосинтеза – синтеза органических веществ за счет энергии простых химических реакций. При этом первичная энергия (солнечная или химическая) преобразуется в энергию химических связей сложных органических молекул, так что автотрофы как бы сами создают себе пищу.

Гетеротрофные организмы (питающиеся за счет других) – человек, все животные, грибы, а также многие бактерии, – получают пищу в виде готовых органических веществ, произведенных автотрофами, в основном растениями. В составе этой пищи они получают и энергию, заключенную в химических связях.

Если органическое вещество пищи расщепить на более простые вещества, освобождается энергия. По существу гетеротрофы получают ту же солнечную энергию, но преобразованную зелеными растениями в химическую. Отсюда ясна огромная роль растительных организмов как посредника в энергетическом обеспечении животных и человека. Избавиться от этой зависимости, получать какую-либо энергию прямо из неживой природы человечество еще не научилось. И хотя академик В. И. Вернадский выдвигал такую научную задачу, дальше фантастических произведений дело не продвинулось и вряд ли продвинется в обозримом будущем. Поэтому для биологов всего мира одной из приоритетных задач остается понять во всех деталях механизм фотосинтеза, чтобы максимально интенсифицировать его в растениях и по возможности воспроизвести в искусственных условиях.

Структура АТФ и её изменение в ходе метаболизма

Реакции энергетического обмена. Независимо от исходного источника энергии все организмы, как автотрофы, так и гетеротрофы, сначала переводят энергию в удобное для дальнейшего использования состояние. Это так называемые макроэргические (богатые энергией) связи в молекулах аденозинтрифосфорной кислоты – АТФ. Образуются молекулы АТФ из аденозиндифосфорной (АДФ) или аденозинмонофосфорной (АМФ) кислоты и свободных молекул фосфорной кислоты, но при непременном поглощении внешней энергии – солнечной или химической (эндотермическая реакция). Количество энергии, запасенное в макроэргической связи, на порядок больше, чем в обычных связях, например, внутри молекулы глюкозы, поэтому в составе АТФ энергию удобно хранить и транспортировать в пределах клетки.

В местах потребления этой энергии АТФ распадается на АДФ и фосфат (при крайней необходимости даже на АМФ и два фосфата), а освобожденная энергия расходуется на ту или иную работу – синтез глюкозы в хлоропластах растительных клеток, синтез белков и других макромолекул, транспорт веществ в клетку и из клетки, движение и др. АДФ (АМФ) и фосфат могут снова соединиться, захватив очередную порцию внешней энергии, а потом разрушиться и отдать энергию в работу. Циклические преобразования АТФ многократно повторяются.

Таким образом, АТФ выступает в качестве универсального переносчика энергии внутри клетки, своеобразной разменной монетой в энергетических платежах за внутриклеточные процессы.

Пути анаболизма и катаболизма в клетке

Проблема клеточной энергетики сводится к пониманию первичных источников энергии и механизмов ее перевода в АТФ. В общем виде ситуация такова: у фотосинтетических аутотрофных организмов синтез АТФ из АДФ и фосфата генерируется солнечной энергией, у гетеротрофов – энергией от окисления пищевых продуктов.

Таким образом, растениям для синтеза АТФ нужен свет, животным и человеку нужна органическая пища.

Свет является первичным источником энергии, он используется в реакциях фотосинтезау растений. По конечной сути реакция фотосинтеза довольно проста:

6СО₂ + 6H₂O + энергия света → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂↑

С помощью энергии света из углекислого газа и воды синтезируется 6-углеродное органическое вещество - глюкоза (моносахарид), и в качестве «лишнего» продукта образуется кислород, который уходит в атмосферу. На самом деле эта реакция более сложная, она состоит из двух стадий: световой и темновой. Сначала на свету с помощью особого Mg-содержащего пигмента хлорофилла вода расщепляется на кислород и водород, а энергия водорода передается на синтез АТФ. Только потом, в темновой стадии, водород соединяется с углекислым газом и образуется глюкоза. При этом часть АТФ расщепляется, отдавая энергию глюкозе.

Глюкоза вместе с минеральными веществами, поступающими в растение из почвы (соли азота, серы, фосфора, железа, магния, кальция, калия, натрия и др.), становится основой для более сложных синтезов – образуются полисахариды, липиды, белки, нуклеиновые кислоты, из которых строятся рабочие структуры клеток. Но и эти синтезы, как и синтез глюкозы, требуют энергетических затрат. Прямое использование света здесь невозможно (эволюция не создала таких энергетических переходов), поэтому некоторая часть глюкозы тратится как энергетический субстрат, то есть глюкоза становится вторичным источником энергии. Глюкоза расщепляется и отдает энергию – сначала на синтез АТФ, а после расщепления АТФ – на биосинтезы макромолекул.

Значительная часть АТФ, как уже сказано выше, расходуется на другую работу – транспорт веществ, движение клетки и др. Наиболее эффективно глюкоза расщепляется с участием кислорода:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + энергия

С химической точки зрения это полное окисление – «горение» глюкозы. В живой клетке

«горение» происходит замедленно, поэтапно, так что энергия выделяется малыми порциями, и большая ее часть (около 55 %) используется на синтез АТФ, остальная рассеивается в виде тепла. Полное окисление одной молекулы глюкозы обеспечивает синтез 38 молекул АТФ. Поскольку кислород для окисления мы вдыхаем с атмосферным воздухом, то и на химическом уровне окисление глюкозы кислородом называют дыханием. Главная черта растительной автотрофной клетки – способность к фотосинтезу, который обеспечивает первый этап построения органического вещества, в форме глюкозы. Но и дыхание в полной мере присуще растениям, так как именно этот процесс извлекает энергию из глюкозы (а также из жиров и лишних белков), переводит ее временно в АТФ и далее в сложные макромолекулы. Эта же схема, но с изъятием реакции фотосинтеза, соответствует и гетеротрофному метаболизму животных клеток. В этом случае глюкоза (а также другие углеводы, жиры, трофические белки и др.) поступают в клетку извне в готовом виде. Часть этих материалов идет на дыхание (в топку, для извлечения энергии через синтез АТФ), а часть, после некоторой переделки, на синтез новых макромолекул как строительный материал. Таким образом, пища у гетеротрофов (то есть и у нас с вами) имеет двойное назначение – энергетическое и пластическое (строительное).

Между пластическим обменом (анаболизмом) и энергетическим (катаболизмом) существует неразрывноеединство. Энергия поглощается из внешней среды, преобразуется в АТФ, прежде всего, для осуществления строительных процессов, для построения живой материи. А построение живой материи, то есть синтез макромолекул из простых неорганических веществ, возможен только с поглощением внешней энергии.