Взаимосвязь обменных процессов с клеточными структурами
Обмен веществ это, в первую очередь, совокупность огромного количества химических реакции, сгруппированных в процессы, характеризующиеся строгой упорядоченностью, четко сочетающиеся во времени и в пространстве. Оптимальное течение обменных процессов, их строгая упорядоченность определяются, с одной стороны, наличием эффективных механизмов регуляции, с другой – структурной организацией организма, обеспечивающей возможность четкого управления метаболическими процессами. Ярким примером приспособленности структурной организации для выполнения таких функций является клеточное строение организма. Каждая клетка представляет собой структурную и функциональную единицу живого организма. В организме человека насчитывается несколько сот триллионов клеток, разные типы которых (а их в организме человека около 200) выполняют свои специализированные функции. Например, мышечные клетки способны к сокращению и выполнению механической работы, клетки эпителия выполняют защитные функции, клетки желез внутренней секреции осуществляют синтез гормонов. Однако, не смотря на различия в специализации, в размерах, форме, имеется много общего в строении клеток разных органов и тканей, в их способности выполнять различные виды работ. Так, все клетки способны запасать и преобразовывать энергию, синтезировать структурные и биологически активные молекулы, осуществлять различные приспособительные реакции, обеспечивающие сохранение основных внутриклеточных параметров при изменении состояния внешней среды.
Строение клетки
Принципиальное строение клетки представлено на рис. 2.
Рис.2 Принципиальное строение клетки организма человека: 1- митохондрия, 2- хроматин, 3-ядрышко, 4-ядро, 5-аппарат Гольджи, 6-цитоплазма, 7-сарколемма, 8-пероксисомы, 9-лизосомы, 10-рибосомы, 11-цитоплазматический ретикулум.
Снаружи клетка окружена оболочкой представляющей собой трехслойную мембрану, образованную бимолекулярным слоем липидов, покрытых с двух сторон белковыми слоями. В ряде мест белковые молекулы как бы пронизывают липидный слой, образуя каналы, по которым осуществляется транспорт некоторых веществ в клетку и в обратном направлении. Некоторые белки сарколеммы выполняют роль рецепторов, призванных распознавать различные химические сигналы.
Сарколемма обладает избирательной проницаемостью – пропускает в клетку преимущественно вещества, для превращений которых там имеются условия (ферментные системы), а также обеспечивает выход из клетки продуктов обмена. Перенос веществ через мембрану может осуществляться путем простой диффузии, облегченной диффузии и активного транспорта.
Путем простой диффузии может осуществляться транспорт как жирорастворимых, так и водорастворимых соединений по градиенту концентрации (в зону более низких концентраций). Такая диффузия возможна через временные поры в мембране, образованные разрывами в липидном слое. Простая диффузия осуществляется не избирательно и с достаточно низкой скоростью. По механизму простой диффузии осуществляется перенос газов (О2, СО2), воды, небольших молекул некоторых органических соединений и ряда низкомолекулярных жирорастворимых веществ.
Облегченная диффузия происходит с участием специфических для каждого переносимого вещества транспортных белков, которые взаимодействуют с переносимым веществом. Она также, как и простая диффузия, не требует затрат энергии, но протекает с более высокой скоростью. Облегченная диффузия может осуществляться по градиенту концентраций. Она характерна для таких веществ, как простые углеводы, аминокислоты, некоторые органические кислоты, некоторые ионы, стероидные гормоны, жирорастворимые витамины. Такие вещества, поступая в клетку, быстро расходуются и, следовательно, концентрация их быстро снижается.
Активный транспорт осуществляется, как правило, против градиента концентрации с помощью мембранных белков и с затратой энергии. Такие белки - переносчики не только обеспечивают транспорт веществ через сарколемму, но и обладают АТФ-азной активностью. В частности, путем активного транспорта обеспечивается перенос ионов Nа+ и К+. В результате в клетке концентрация ионов калия примерно в 30 раз выше, а ионов натрия в 10 раз ниже, чем в окружающей среде.
Внутренний объем клетки заполнен специальной жидкостью – цитоплазмой, в которой находятся различные структурные образования, важнейшими из которых являются: ядро, митохондрии, аппарат Гольджи, цитоплазматический ретикулум, лизосомы, рибосомы, пероксисомы. В клетке имеется также белковая нитевидная структура, напоминающая строительные леса – так называемый цитоскелет.
Цитоскелет служит механическим каркасом, который придает клетке типичную для нее форму и обеспечивает связь между мембраной и внутриклеточными органеллами. Компоненты цитоскелета определяют изменение формы клеток в процессе роста, перемещение клеточных органелл, движение цитоплазмы.
Ядро наиболее крупное внутриклеточное образование, важнейшая функция которого хранение и репликация наследственной информации. В ядре хранится примерно 90% клеточкой ДНК, которая находится там в виде хроматина – плотно упакованных молекул ДНК, ассоциированных с белками. В ядре имеется также одно или несколько ядрышек, в которых хранится ядерная РНК.
Митохондрии – достаточно крупные внутриклеточные органеллы, количество которых может достигать 2000 и более, а общий объем составляет около 25% общего объема клетки. Важнейшая функция митохондрий – обеспечение клетки энергией (в виде АТФ) путем аэробного окисления. В митохондриях синтезируется основное количество необходимой клетке АТФ. В них локализованы ферментные системы цикла трикарбоновых кислот, системы транспорта водорода (протонов и электронов) от окисляемого вещества на кислород, ферментные системы β-окисления жирных кислот, окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты, окислительного дезаминирования аминокислот. Наряду с ресинтезом АТФ митохондрии поставляют субстраты для некоторых процессов синтеза.
Лизосомы – внутриклеточные образования, способные принимать самые разные формы. Их количество в клетке может составлять несколько сотен. Функция лизосом связана с расщеплением путем гидролиза крупных молекул (белков, нуклеиновых кислот и др.), образующихся при распаде различных клеточных структур, а также фрагментов таких структур и даже микробов. Каждая лизосома содержит около 40 типов различных ферментов – гидролаз. Особенностью лизосомных гидролаз является то, что свою наивысшую активность они проявляют в кислой среде при рН около 5,0.
Цитоплазматический (эндоплазматический) ретикулум представляет собой систему трубочек, пузырьков (цистерн), пластин, разделяющий клетку на отдельные отсеки. На поверхности ретикулума локализованы рибосомы и, следовательно, происходит синтез белков. В пузырьках саркоплазматического ретикулума скелетных мышц депонируются ионы кальция, освобождающиеся в процессе возбуждения и служащие сигналом для начала мышечного сокращения.
Рибосомы – частицы, состоящие из РНК и белков, на которых происходит синтез белка. Клетки, в которых происходит активный синтез белка, содержат больше рибосом, которые располагаются на поверхности ретикулума одна за другой подобно жемчужинам на нитке. Такие ассоциации рибосом называют полисомами.
Аппарат Гольджи – система сложенных наподобие стопки мембранных образований, в которых формируются структуры молекул синтезируемых в клетке белков и других веществ, а также осуществляется их сортировка перед транспортом в различные участки клетки.
Пероксисомы – небольшие образования, в которых происходит окисление некоторых веществ с участием кислорода, в результате которого образуется перекись водорода (Н2О2). Последняя, в свою очередь, используется для перекисного окисления ряда других веществ: некоторых жирных кислот до стадии образования ацетил-К0А, обезвреживания путем окисления этанола, метанола и других вредных для организма веществ.
Цитоплазма – жидкая субстанция, заполняющая пространство между внутриклеточными органеллами. На ее долю приходится около 50% клеточного объема. Около 20% находящихся в цитоплазме веществ составляют белки, в первую очередь, белки-ферменты. Кроме того, в цитоплазме находятся капельки жира, глыбки гликогена, свободные аминокислоты, метаболиты углеводного обмена, макроэрги, различные ионы. Находящиеся в цитоплазме ферменты обеспечивают протекание реакций гликолиза, синтеза белка на поверхности рибосом, сложных углеводов, липидов и другие превращения.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. В чем заключается сущность процессов обмена веществ в организме человека?
2. Какова роль обмена веществ в обеспечении процессов жизнедеятельности?
3. Что понимается под ассимиляцией и диссимиляцией, анаболизмом и катаболизмом?
4. Что называется метаболизмом?
5. Укажите этапы катаболических превращений веществ в организме.
6. Какие изменения в обмене веществ происходят с возрастом, под влиянием функциональной активности?
7. Какое влияние на обменные процессы может оказывать питание?
8. Какое значение имеет способность обмена веществ изменяться под влиянием различных воздействий?
9. Какие функции в обмене веществ выполняют различные структурные компоненты клетки.
Глава 3. Биоэнергетика
Жизнедеятельность живых организмов неразрывно связана не только с обменом веществ, но и с обменом энергии. В процессе жизнедеятельности человека постоянно совершаются разнообразные виды работ, требующие для своего выполнения затрат энергии. К их числу относится: работа мышц (участвующих в поддержании позы, перемещении тела и отдельных его частей в пространстве, выполнении внешней механической работы, обеспечении дыхания, кровообращения, движения пищи по желудочно-кишечному тракту и т.п.), переваривание пищи, функционирование внутренних органов, синтез молекул различных веществ, необходимых для обновления клеточных структур и выполнения регуляторных функций, перенос веществ через клеточные мембраны, поддержание температуры тела и т.п.
Живые организмы окружены изменчивой, часто весьма неблагоприятной для их существования внешней средой. В этих условиях поддержание относительного постоянства внутренней среды организма (кислотно – щелочного равновесия, осмотического давления, концентрации ряда химических соединений, температуры тела) требует значительных затрат энергии. Особенно много энергии требуется на выполнение мышечной работы. Напряженно тренирующийся спортсмен тратит в сутки в 1,5-2,0 раза больше энергии, чем человек, не занимающийся спортом или тяжелым физическим трудом.
В качестве единицы меры энергии используется калория (кал) или джоуль (Дж). 1 калория равна 4,184 Джоулям. Поскольку калории и джоули сравнительно небольшие единицы измерения, для характеристики энергетических процессов в организме человека чаще используются килокалории (ккал) и килоджоули (кДж). 1 килокалория равна 1000 калорий.