Клетка как открытая система. Организация потоков вещества, энергии и информации в клетке. Специализация и интеграция клеток многоклеточного организма

Клетка является основной единицей биологической активности. Она способна к самовоспроизведению в среде, не содержащей других живых систем. Эта наименьшая по объему структура, которой присуща вся совокупность свойств жизни и которая может в подходящих условиях поддерживать эти свойства в самой себе, а также передавать их в ряду поколений.

Благодаря наличию потока информации клетка создает организацию, соответствующую критериям живого, сохраняет и поддерживает эту организацию во времени, не смотря на меняющиеся условия внешней среды, передает ее в ряду поколений. В потоке информации участвует ядро, макромолекулы, переносящие информацию в цитоплазму, цитоплазматический аппарат транскрипции. На завершающем этапе этого потока полипептиды, синтезированные на полисомах, приобретают третичную и четвертичную структуру и используются в качестве катализаторов или структурных белков. Кроме ядерного генома, основного по объему заключенной информации, в эукариотических клетках функционируют т.ж. геномы митохондрий.

Поток энергии у представителей разных групп организмов представлен внутриклеточными механизмами энергообеспечения – брожением, фото- или хемосинтезом, дыханием. Центральная роль в биоэнергетике клеток животных принадлежит дыхательному обмену. Он включает реакции расщепления низкокалорийного органического «топлива» в виде глюкозы, жирных кислот, аминокислот и использования выделяемой энергии для синтеза высококалорийного клеточного «топлива» в виде АТФ. Особенностью потока энергии растительной клетки служит фотосинтез – механизм преобразования энергии солнечного света в энергию химических связей орг-их в-тв.

Поток вещества – реакции дыхательного обмена не только поставляют энергию, но и снабжают клетку строительными блоками для синтеза разнообразных молекул. Ими служат многие продукты расщепления пищеварительных веществ. Особая роль в этом принадлежит центральному звену дыхательного обмена – циклу Кребса, осуществляемому в митохондриях. Через этот цикл проходит путь углеродных атомов большинства соединений, служащих промежуточными продуктами синтеза хим-их компонентов кл, а т.ж. переключение метаболизма клетки с одного преобладающего пути ну другой, например, с углеводного на жировой. Т.о., дых-ый обмен одновременно составляет ведущее звено потока веществ, объединяющего метаболические пути расщепления и синтеза углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот.

Потоки информации, энергии и веществ осуществляются непрерывно и составляют необходимое условие существования клетки как живой системы.

Характерные для всех живых систем потоки веществ, энергии и информации связаны прежде всего с обменом веществ, который представляет собой единство ассимиляции и диссимиляции.

Ассимиляция – процесс «уподобления» веществ, поступающих в клетку, специфическим веществам, характерным для данной клетки.

Ассимиляция – это эндотермический процесс, т.е. процесс, требующий затрат энергии. Источником её являются ранее синтезированные вещества, находящиеся в клетке. Они подвергаются распаду в процессе диссимиляции.

Диссимиляция представляет собой экзотермический процесс, т.е. процесс освобождения энергии за счет распада веществ клетки. Вещества, образующиеся при диссимиляции также подвергаются дальнейшим преобразованиям.

Синтез веществ в клетках происходит за счет метаболического фонда, который включает: 1) продукты переваренной пищи, 2) продукты диссимиляции, образующиеся в клетках. Поток веществ в клетках поддерживает более или менее стабильный химический состав её протоплазмы, включающих в себя неорганические и органические соединения.

Поток информации. Жизнедеятельность клетки как единицы биологической активности обеспечивается совокупностью взаимосвязанных, приуроченных к определённым внутриклеточным структурам, упорядоченных во времени и пространстве обменных (метаболических) процессов. Эти процессы образуют три потока информации, энергии и веществ.

Благодаря наличию потока информации клетка на основе многовекового эволюционного опыта предков приобретает структуру, отвечающую критериям живого, поддерживает ее во времени, а также передает в ряду поколений. В потоке информации участвуют ядро ( конкретно ДНК хромосом), макромолекулы, переносящие информацию в цитоплазму (мРНК),цитоплазматический аппарат трансляции (рибосомы, полисомы, тРНК, ферменты активации аминокислот). На завершающем этапе этого потока полипептиды, синтезированные на полисомах, приобретают третичную и четвертичную структуру белков. Кроме основного по объёму заключённой информации ядерного генома в эукариотических клетках функционируют также геномы митохондрий, а в зелёных растениях – хлоропластов.

Внутриклеточный поток энергии. Поток энергии у представителей разных групп организмов обеспечивается механизмами энергоснабжения – брожением, фото- или хемосинтезом, дыханием.

Центральная роль в биоэнергетике клеток животных принадлежит дыхательному обмену. Он включает реакции расщепления низкокалорийного органического «топлива» в виде АТФ. Энергия АТФ, непосредственно или будучи перенесена на другие макроэргические соединения, в разнообразных процессах в тот или иной вид работы –химическую (синтезы), осмотическую, электрическую, механическую, регуляторную. Макэргическими называют соединения, в химических связях которых запасена энергия в форме, доступной для использования в биологических жидкостях. Универсальное соединение такого рода – АТФ. Среди органелл животной клетки особое место в дыхательном обмене принадлежит митохондриям, выполняющим функцию окислительного фосфорилирования, а также матриксу цитоплазмы, в котором протекает процесс бескислородного расщепления глюкозы – анаэробный гликолиз ( менее эффективен). Особенностью потока энергии растительной клетки состоит в наличии фотосинтеза – механизма преобразовании энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ.

Внутриклеточный поток веществ. Реакция дыхательного обмена не только поставляет энергию, но и снабжают клетку строительными блоками для синтеза разнообразных молекул. Ими являются многие продукты расщепления пищевых веществ. Особая роль в этом принадлежит одному из этапов дыхательного обмена – циклу Кребса, осуществляемому в митохондриях. Здесь происходит выбор пути превращения того или иного соединения, а также переключение обмена клетки с одного пути на другой, например с углеродного на жировой. Таким образом дыхательный обмен составляет ведущее звено потока веществ, объединяющего метаболические пути расщепления и образования углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот.