Связь организма с окружающей 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.

Для всех живых клеток источником энергии является Солнце. Растительные клетки улавливают энергию солнечного света с помощью хлорофилла, используя ее для реакций ассимиляции в процессе фотосинтеза. Клетки животных, грибов, бактерий используют солнечную энергию косвенно, при расщеплении органических веществ, синтезированных земным растением.

Часть питательных веществ клетки расщепляется в процессе клеточного дыхания, поставляя таким образом энергию, необходимую для разного рода клеточной активности. Протекает этот процесс в органеллах, называемых митохондриями. Митохондрия состоит из двух мембран: наружной, отделяющей органеллу от цитоплазмы, и внутренней, образующей многочисленные складики. Главным продуктом дыхания является АТФ. Он покидает митохондрии и используется в качестве источника энергии для многих химических реакций в цитоплазме и клеточной мембране. Если для осуществления клеточного дыхания требуется кислород, то дыхание называют аэробным, если же реакции идут в отсутствие кислорода, то говорят об анаэробном дыхании.

Для любого вида работы, выполняемой в клетке, используется энергия в одной-единственной форме — в форме энергии фосфатных связей АТФ. АТФ — легко подвижное соединение. Образование АТФ происходит на внутренней мембране митохондрий. АТФ синтезируется во всех клетках при дыхании за счет энергии окисления углеводов, жиров и других органических веществ. В клетках зеленых растений основное количество АТФ синтезируется в хлоропластах за счет солнечной энергии. В них при фотосинтезе образуется во много раз больше АТФ, чем в митохондриях. Разлагается АТФ с разрывом фосфорно-кислородных связей и выделением энергии. Это происходит под действием фермента АТФазы в процессе гидролиза АТФ — присоединения воды с отщеплением молекулы фосфорной кислоты. В результате АТФ превращается в АДФ, а если отщепляются две молекулы фосфорной кислоты, то в АМФ. Реакция отщепления каждой грамм-молекулы кислоты сопровождается освобождением 40 кДж. Это очень большой выход энергии, поэтому фосфорно-кислородные связи АТФ принято называть макроэргитическими (высокоэнергетическими).

Использование АТФ в реакциях пластического обмена осуществляется путем их сопряжения с гидролизом АТФ. Молекулы разных веществ заряжаются энергией путем присоединения освобожденной при гидролизе фосфорной группы от молекулы АТФ, т. е. путем фосфорилирования.

Особенность фосфатных производных состоит в том, что они не могут покинуть клетку, хотя их «разряженные» формы свободно проходят через мембрану. Благодаря этому фосфорилированные молекулы остаются в клетке до тех пор, пока они не будут использованы в соответствующих реакциях.

Обратный процесс превращения АДФ в АТФ происходит путем присоединения молекулы фосфорной кислоты к АДФ с выделением воды и поглощением большого количества энергии.

Таким образом АТФ — универсальный и непосредственный источник энергии для деятельности клетки. Это создает единый клеточный фонд энергии и делает возможным ее перераспределение и транспортировку из одних участков клетки в другие.

Перенос фосфатной группы играет важную роль в химических реакциях типа сборки макромолекул из мономеров. Например, аминокислоты могут соединяться в пептиды, лишь будучи предварительно профосфорилированными. Механические процессы сокращения или движения, перенос растворенного вещества против градиента концентрации и другие процессы сопряжены с расходованием энергии, запасенной в АТФ.

Процесс энергетического обмена может быть представлен следующим образом. Высокомолекулярные органические вещества в цитоплазме ферментативно, путем гидролиза превращаются в более простые, из которых они состоят: белки — в аминокислоты, полии дисахариды — в моносахариды (+ глюкозу), жиры в глицерин и жирные кислоты. Окислительные процессы отсутствуют, освобождается мало энергии, которая не используется и переходит в тепловую форму. Большинство клеток в первую очередь тратят углеводы. Полисахариды (крахмал у растений и гликоген у животных) гидрализуются до глюкозы. Окисление глюкозы происходит в три фазы: гликолиз, окислительное декарбоксилирование (цикл Кребса — цикл лимонной кислоты) и окислительное фосфорилирование (дыхательная цепь). Гликолиз, в результате которого одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты с выделением двух молекул АТФ, протекает в цитоплазме. При отсутствии кислорода пировиноградная кислота превращается либо в этанол (брожение), либо молочную кислоту (анаэробное дыхание).

Если гликолиз осуществляется в клетках животных, шестиуглеродная молекула глюкозы распадается на две молекулы молочной кислоты. Процесс этот многоступенчатый. Его последовательно осуществляют 13 ферментов. При спиртовом брожении из молекулы глюкозы образуется две молекулы этанола и две молекулы СО2.

Гликолиз — фаза, общая для анаэробного и аэробного дыхания, две остальные осуществляются лишь в аэробных условиях. Процесс бескислородного окисления, при котором выделяется и используется лишь часть энергии метаболитов, для анаэробных организмов является конечным. В присутствии же кислорода пировиноградная кислота переходит в митохондрии, где в результате целого ряда последовательных реакций она полностью окисляется аэробным путем до Н2O и СО2 с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. При этом две молекулы АТФ дает гликолиз, две — цикл Кребса, 34 — дыхательная цепь. Чистый выход при полном окислении одной молекулы глюкозы до Н2O и СО2 составляет 38 молекул.

Таким образом, у аэробных организмов окончательный распад органических веществ осуществляется путем окисления их кислородом воздуха до простых неорганических: СО2 и Н2O. Процесс этот протекает на кристах митохондрий. При этом выделяется максимальное количество свободной энергии, значительная часть которой резервируется в молекулах АТФ. Легко видеть, что аэробное окисление в наибольшей степени обеспечивает клетку свободной энергией.

В результате катаболизма в клетке накапливаются богатые энергией молекулы АТФ, а во внешнюю среду выделяется СО2 и избыточное количество воды.

Молекулы сахаров, не требующиеся для дыхания, могут запасаться в клетке. Избыточные липиды либо расщепляются, после чего продукты их расщепления поступают в митохондрии в качестве субстрата для дыхания, либо отлагаются про запас в цитоплазме в виде жировых капель. Из поступающих в клетку аминокислот строятся белки. Синтез белка происходит в органеллах, называемых рибосомами. Каждая рибосома состоит из двух субчастиц — большой и малой: в состав обеих субчастиц входят белковые молекулы и молекулы РНК.

Рибосомы часто бывают прикреплены к особой системе мембран, состоящей из цистерн и пузырьков, — к так называемому эндоплазматическому ретикулуму (ЭР); в клетках, вырабатывающих много белка, эндоплазматический ретикулум часто развит очень хорошо и весь усеян рибосомами. Некоторые ферменты эффективны лишь в том случае, если они прикреплены к мембране. Здесь находится большая часть ферментов, участвующих в синтезе липидов. Таким образом, эндоплазматический ретикулум — это как бы своеобразный рабочий стол клетки.

Кроме того, ЭР делит цитоплазму на отдельные отсеки, или компартменты, т. е. разобщает различные химические процессы, одновременно протекающие в цитоплазме, и тем самым снижает вероятность того, что эти процессы будут мешать друг другу.

Часто образуемые данной клеткой продукты используются вне этой клетки. В подобных случаях синтезированные на рибосомах белки проходят через мембраны эндоплазматического ретикулума и упаковываются в формирующиеся вокруг них мембранные пузырьки, которые затем отшнуровываются от ЭР. Эти пузырьки, уплощаясь и укладываясь друг на друга, как блины в стопке, образуют характерную структуру, называемую комплексом Гольджи, или аппаратом Гольджи. Во время своего пребывания в аппарате Гольджи, белки претерпевают определенные изменения. Когда для них наступает время покинуть клетку, мембранные пузырьки сливаются с клеточной мембраной и опорожняются, изливая свое содержимое наружу, т. е. секреция происходит путем экзоцитоза.

В аппарате Гольджи образуются также лизосомы — мембранные мешочки, содержащие пищеварительные ферменты. Выяснение того, как клетка производит, упаковывает и экспортирует некоторые белки, а также как она «узнает», какие белки ей следует сохранять для себя, составляет один из увлекательнейших разделов современной цитологии.

Мембраны любой клетки непрерывно перемещаются и видоизменяются. Мембраны ЭР медленно перемещаются по клетке. Отдельные участки этих мембран отделяются и образуют пузырьки, которые на время становятся частью аппарата Гольджи, а затем, в процессе экзоцитоза, сливаются с клеточной мембраной.

Позже мембранный материал возвращается в цитоплазму, где он используется вновь.