Основные функции клетки

Обмен веществ.Обмен веществ, или метаболизм,— это сово­купность химических реакций, лежащих в основе жизнедея­тельности клетки. Химические реакции, ведущие к синтезу ве­ществ клетки, называют ассимиляцией (assimilatio — усвоение) или анаболизмом (anabole — отложение), а реакции, которые ведут к расщеплению веществ на более простые составляющие, именуют диссимиляцией или катаболизмом (katabole — сбрасы­вание вниз). В процессе синтеза веществ клетка расходует энер­гию для построения более сложных органических соединений из простых, а расщепление сложных соединений сопровождается освобождением энергии. Однако сами по себе белки, жиры и углеводы и продукты их расщепления не могут быть непосред­ственно использованы в качестве горючего для энергетических потребностей клетки. Роль такого универсального горючего вы­полняет аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Освобождаю­щаяся при расщеплении веществ энергия рассеивается в виде теплоты и идет на синтез молекул АТФ, причем на образова­ние молекулы АТФ из аденозиндифосфата затрачивается около 41,9 кДж/моль и, естественно, столько же энергии освобожда­ется при переходе АТФ в АДФ. Синтез АТФ в клетке, осущест­вляемый при помощи митохондрий, ведет к значительной акку­муляции энергии для ее последующего использования. В пище­варительном тракте животных организмов происходит расщеп­ление жира на глицерин и жирные кислоты, белков — на ами­нокислоты, нуклеиновых кислот — на нуклеотиды, крахмала и гликогена — на глюкозу без образования молекул АТФ, а энер­гия, освобождающаяся при расщеплении этих веществ, рассе­ивается в виде теплоты. Всасываясь, эти вещества поступают в клетки организма и на внешней мембране митохондрий под­вергаются анаэробному расщеплению с освобождением 7% энергии и синтезом 4 молекул АТФ, 2 из которых запасаются клеткой. Продукты гликолиза на внутренней мембране мито­хондрий подвергаются аэробному расщеплению с выделением свыше 90% энергии и синтезом 36 молекул АТФ. На 1 моль глюкозы, например, синтезируется 38 молекул АТФ, или 1589,2 кДж/моль, т. е. 55% энергии, полученной от расщепле­ния глюкозы, сберегается клеткой в виде АТФ, а 45% рассеи­вается в виде теплоты.

Фиксация энергии растительными клетками осуществляется в процессе фотосинтеза, при котором световая энергия солнца в ряде последовательных реакций превращается в химическую энергию, которую может использовать клетка. В процессе фо­тосинтеза на каждый моль синтезированной глюкозы запаса­ется 2861,7 кДж.

Движение. Формы движения живого вещества чрезвычайно разнообразны. Они могут проявляться в сокращении миофибрилл, в движениях ресничек и жгутиков, в амебоидном движе­нии, в циклозе цитоплазмы растительных клеток, в движении митотического веретена, центриолей, хромосом, хроматид, в пе­ремещении молекул и органоидов, в процессах секреции, фаго­цитоза, пиноцитоза и пр. Все формы движения в клетке, как и ее перемещения, связаны с использованием энергии, заклю­ченной в макроэргических соединениях типа АТФ.

Раздражимость. Раздражимость — это способность клеток и живых организмов реагировать на изменение факторов внеш­ней среды: температуру, свет, влажность, химические вещества, рН, осмотическое давление, рентгеновское излучение и пр. Ре­акция клетки на эти раздражители выражается в перемещении ее от воздействующего агента — отрицательный таксис (taxis — расположение в порядке) либо в приближении к нему — поло­жительный таксис. Наименования таксисов соответствуют фи­зической природе раздражителя. Существует, например, хемо­таксис — движение, вызванное воздействием химических ве­ществ, фототаксис — движение, обусловленное воздействием света, термотаксис — движение под воздействием температуры и пр. Биологический смысл перемещения клеток и одноклеточ­ных организмов под влиянием определенных воздействий внеш­ней среды состоит в том, что таким способом они сохраняют себе жизнь, двигаясь в зону комфорта, которая наиболее бла­гоприятна для их жизнедеятельности.

Реакция клетки на раздражение может проявляться в уси­лении обмена веществ, в выделении секрета, в мышечном со­кращении и других формах возбуждения. Воздействие чрезмер­ного раздражителя ведет к нарушению нормального процесса жизнедеятельности клетки, которое проявляется в набухании, разрушении митохондрий и в изменении клеточного дыхания. Клетка начинает удовлетворять свои энергетические потребно­сти лишь за счет гликолиза, который ведет к увеличению содержания молочной кислоты и воды в цитоплазме клетки. Сме­щение реакции цитоплазмы в кислую сторону создает благо­приятные условия для коагуляции белков, активации гидроли­тических ферментов лизосом и переваривания собственных бел­ков клетки. Такое состояние клетки называют паранекрозом (para — около, necrosis — отмирание). Если действие раздра­жителя будет прекращено, то исходом этого состояния может быть возвращение к норме. В противном случае паранекроз переходит в некробиоз (necros — мертвый, bios — жизнь), т. е. в состояние медленного отмирания клетки.

Рост. Рост клеток, сопровождающийся увеличением объема ядра и цитоплазмы, наиболее ярко проявляется в постмитотическом периоде жизнедеятельности клетки. В это время клетка интенсивно синтезирует белки для построения органоидов, цитоплазматических мембран, ферментных систем. Растительные клетки синтезируют белки из простейших органических ве­ществ — углекислого газа, солей аммония, а животные — из аминокислот, которые образуются при расщеплении белков тех животных и растений, которыми они питаются.

Синтез белка. Основное значение в синтезе белка принад­лежит ДНК, структурная организация которой определяет строение всех белков, синтезируемых в клетке. В молекуле ДНК имеется ряд участков, определяющих программу синтеза какого-либо белка. Эти участки называются генами. Индивидуальная последовательность аминокислот в молекуле каждого белка, синтезирующегося в клетке, закодирована в определен­ной последовательности нуклеотидов — аденина, гуанина, тимина, цитозина в ДНК. Программа синтеза белка копируется с ДНК путем синтеза информационной РНК, информация кото­рой представляет собой различные сочетания трех нуклеотидов, или триплеты. Всего существует 64 сочетания триплетов ну­клеотидов для синтеза белка из 20 аминокислот. Аминокислоты, находящиеся в цитоплазме клетки, транспортируются к рибо­сомам транспортной РНК, которая также синтезируется на ДНК. Транспортная РНК имеет участок, где располагается триплет нуклеотидов, комплементарный соответствующему три­плету информационной РНК; участок, к которому присоединя­ется соответствующая аминокислота, комплементарная трипле­ту нуклеотидов транспортной РНК; участок для соединения с ферментом и участок фиксации с рибосомой. Рибосомы своей малой субъединицей осуществляют контакт с информационной РНК, а большой — с транспортной РНК. Продвигаясь по ин­формационной РНК, рибосома дает возможность транспортной РНК считывать программу синтеза белка и доставлять необ­ходимые аминокислоты к полипептидной цепочке, осуществляя синтез белка.

Размножение.Размножение клеток является одним из обя­зательных условий эмбриогенеза и гистогенеза, так как без воз­никновения путем деления определенного количества клеток, которые создают эмбриональный зачаток, невозможно образо­вание тканей. Размножение клеток имеет место и после оконча­ния процессов эмбрионального гистогенеза; оно связано с рос­том организма, с замещением стареющих и отмирающих клеток, с регенерацией тканей, с размножением организма, с об­новлением структурной организации клеток, которые утрачи­вают способность к биосинтезу. Различают три формы клеточ­ного деления: митоз (mitos — нить), или непрямое деление, или кариокинез; амитоз, или прямое деление; мейоз (meiosis — уменьшение), или редукционное деление (reducere — умень­шение).

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.