Обмен веществами и энергией в клетке: секреты жизнедеятельности

Жизнь клетки - это непрерывный поток энергии и веществ. Давайте заглянем внутрь этого микроскопического мира и разгадаем секреты, которые делают клетку живой.

Открытие гомеостаза: история вопроса

В 1857 году французский ученый Клод Бернар высказал революционную для того времени мысль:

Постоянство внутренней среды является обязательным условием свободной жизни.

Он обратил внимание на удивительную способность живых организмов поддерживать в узких пределах такие параметры, как температура тела и содержание воды, несмотря на колебания внешней среды.

Лишь в 1932 году американский физиолог Уолтер Кэннон ввел специальный термин для этого явления - гомеостаз. Гомеостаз - это механизм саморегуляции, обеспечивающий относительное постоянство внутренней среды организма и всех его клеток. Благодаря гомеостазу клетки могут нормально функционировать, несмотря на колебания температуры воздуха, влажности, освещенности и других факторов окружающей среды.

Питательные вещества: что клетке нужно для жизни

Чтобы поддерживать гомеостаз, клеткам необходим приток питательных веществ извне. К основным питательным веществам относятся:

• Белки
• Жиры
• Углеводы
• Витамины
• Минеральные вещества

Белки, жиры и углеводы используются клеткой в качестве «строительного материала» для синтеза собственных белков, а также других органических веществ. Например, на основе жиров клетка может синтезировать фосфолипиды для построения клеточных мембран.

Кроме того, эти питательные вещества могут расщепляться для получения энергии, необходимой клетке для поддержания всех процессов жизнедеятельности. Так, 1 г углеводов после окисления дает клетке ≈17 кДж энергии, 1 г жира - ≈38 кДж, 1 г белков - ≈17 кДж.

Что касается витаминов и минеральных веществ, то они не являются источниками энергии или «строительным материалом», зато участвуют в регуляции большинства процессов обмена веществ. Например, витамины группы B входят в состав ферментов, которые регулируют энергетический обмен, а железо входит в состав гемоглобина, переносящего кислород.

Таким образом, все питательные вещества крайне важны для нормальной жизнедеятельности клетки. Поступают они туда из окружающей среды - крови для животной клетки или почвенного раствора для растительной. Без притока питательных веществ гомеостаз клетки не может поддерживаться, и она погибает.

Анаболизм: синтез необходимого

Как уже отмечалось, часть питательных веществ, попавших в клетку, используется ею в качестве «строительного материала». Из них синтезируются тысячи разных белков, ферментов, полисахаридов, липидов и других органических соединений, необходимых конкретно этой клетке.

Например, мышечная клетка синтезирует большие количества белка актина и миозина для построения сократительных миофибрилл. Аβ-клетки поджелудочной железы вырабатывают инсулин. Тимоциты, развивающиеся в тимусе, синтезируют белки, формирующие Т-клетки иммунитета.

Разнообразие синтезируемых веществ

Как видно из приведенных примеров, клетки разных типов синтезируют совершенно разные органические вещества, необходимые им для выполнения своих функций в организме. Этот синтез осуществляется из "строительных блоков", получаемых в результате расщепления питательных веществ.

Роль энергии в синтетических процессах

Важно отметить, что любые синтетические процессы, происходящие в клетке, требуют затрат энергии. Эта энергия необходима для протекания химических реакций с участием ферментов по сборке сложных молекул из простых элементов.

Источником энергии служат запасенные в клетке молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). При расщеплении одной молекулы АТФ высвобождается 7,3 ккал энергии, которую клетка может использовать для своих нужд.

Таким образом, с одной стороны, клетка расщепляет сложные органические вещества с целью получения энергии для синтеза АТФ. Этот процесс называется катаболизмом. С другой стороны, клетка тратит энергию из молекул АТФ для осуществления синтеза "своих" органических веществ из более простых молекул. Этот процесс носит название анаболизм.

Ярким примером тесной взаимосвязи процессов синтеза и распада органических веществ может служить "обмен" белков в клетке. С одной стороны, белки, попавшие в клетку из окружающей среды, активно расщепляются до аминокислот. А с другой - на основе этих аминокислот синтезируются новые белковые молекулы, необходимые клетке для ее функционирования.

Похожая картина наблюдается и в случае "обмена" углеводов. Крупные углеводные молекулы (крахмал, гликоген) гидролизуются в клетке до моносахаридов. А из последних собираются полисахариды, входящие в состав клеточных структур или выполняющие защитную функцию.

Регуляция анаболизма и катаболизма

Как уже говорилось, процессы синтеза и распада органических веществ в клетке тесно взаимосвязаны. Очевидно, что их скорости должны быть сбалансированы. Если синтез будет преобладать над распадом, клетка быстро истощит запасы АТФ и энергии. А если распад станет интенсивнее синтеза, в клетке не будет достаточно "строительного материала".

Роль ферментов

Баланс между скоростями анаболизма и катаболизма обеспечивается с помощью ферментов. Ферменты ускоряют как реакции синтеза сложных веществ, так и реакции их расщепления. Изменяя активность разных ферментов, клетка может в нужный момент стимулировать анаболизм или катаболизм.

Влияние гормонов

Важную роль в регуляции обменных процессов в клетке играют также гормоны. Некоторые гормоны стимулируют синтез белка, другие - активируют распад гликогена до глюкозы. Сбалансированное действие разных гормонов позволяет поддерживать относительное равновесие между анаболизмом и катаболизмом.

Реакция на стресс

Нарушение этого равновесия может происходить, например, при стрессе. Кортизол и адреналин активируют распад белков и других органических веществ для получения энергии, необходимой организму для "борьбы или бегства". В результате наблюдается резкий сдвиг в сторону преобладания катаболизма.

Последствия дисбаланса

Длительный дисбаланс скоростей синтеза и распада веществ в клетках организма может приводить к развитию многих заболеваний. Например, избыточный распад белка характерен для кахексии, а повышенный синтез холестерина - для атеросклероза.