1.Клетка как открытая система.

Клетка — открытая система, поскольку ее существование возможно только в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Жизнедеятельность клетки обеспечивается процессами, образующими три потока: информации, энергии веществ.

Благодаря наличию потока информации клетка приобретает структуру, отвечающую критериям живого, поддерживает ее во времени, передает в ряду поколений. В этом потоке участвуют ядро, макро молекулы, переносящие информацию в цитоплазму (мРНК), цитоплазматический аппарат транскрипции (рибосомы и полисомы, тРНК, ферменты активации аминокислот). Позже полипептиды, синтезированные на полисомах, приобретают третичную и четвертичную структуру, и используется в качестве катализаторов или структурных белков. Также функционируют геномы митохондрий, а в зеленых растениях — и хлоропластов.

Поток энергии обеспечивается механизмами энергообеспечения — брожением, фото — или хемосинтезом, дыханием.

Дыхательный обмен включает реакции расщепления низкокалорийного органического «топлива» в виде глюкозы, жирных кислот, аминокислот, использование выделяемой энергии для образования высококалорийного клеточного «топлива» в виде аденозинтрифосфата (АТФ). Энергия АТФ в разнообразных процессах преобразуется в тот или иной вид работы — химическую (синтезы), осмотическую (поддержание перепадов концентрации веществ), электрическую, механическую, регуляторную.

Анаэробный гликолиз — процесс бескилородного расщепления глюкозы.

Фотосинтез — механизм преобразования энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ.

Дыхательный обмен одновременно составляет ведущее звено потока веществ, объединяющего метаболические пути расщепления и образования углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот.

2.Этапы преобразования энергии в клетке.

Энергетический обмен в клетках большинства аэробных организмов в присутствии кислорода состоит из трех последовательных этапов: подготовительного, бескислородного и кислородного. На этих этапах органические вещества постепенно расщепляются до простых, бедных энергией неорганических соединений, например до углекислого газа и воды.

Первый этап – подготовительный. На этом этапе сложные органические вещества, поступившие в организм с пищей, с помощью ферментов расщепляются на более простые. При этом освобождается незначительное количество энергии, которая рассеивается в виде тепла. Белки расщепляются до аминокислот, жиры – до глицерина и жирных кислот, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов, полисахариды – до моносахаридов. Расщепление сложных полисахаридов до глюкозы происходит с помощью ферментов в желудочно-кишечном тракте и в лизосомах клеток.

Второй этап – бескислородный, или гликолиз (от греч. glykys – сладкий, lysis – растворение, разложение). Бескислородный этап осуществляется в цитоплазме клеток и протекает в нескольких последовательных реакциях.

Конечные продукты гликолиза одной молекулы глюкозы – две молекулы пировиноградной кислоты (C3H4O3), две молекулы АТФ и атомы водорода:

C6H12O6 → C3H4O3 + 4H + 2АТФ

Процесс происходит в несколько стадий и сопровождается выделением энергии, часть которой (40%) используется для синтеза двух молекул АТФ, а остальная энергия (60%) рассеивается в виде тепла.

Энергия выделяется постепенно, порциями. Моментальное освобождение энергии привело бы клетку к гибели в результате перегревания.

У млекопитающих гликолиз наиболее интенсивно протекает в клетках скелетных мышц, печени, сердечной мышцы, эритроцитах, а также в клетках раковых опухолей.

Дальнейшее превращение пировиноградной кислоты зависит от того, присутствует или отсутствует кислород в клетке.

По механизму, аналогичному гликолизу, в клетках некоторых организмов протекает процесс брожения. Например, при отсутствии кислорода в растительных клетках и в клетках дрожжей происходит спиртовое брожение с образованием этилового спирта (C2H5OH) и углекислого газа. В животных клетках и в клетках некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение, в результате которого пировиноградная кислота превращается в молочную (C3H6O3).

Брожение не дает дополнительного энергетического эффекта. Значительная часть энергии, заключенной в молекуле глюкозы, в процессе брожения так и не извлекается, а остается в конечных продуктах брожения – этиловом спирте или молочной кислоте. Именно поэтому брожение (его еще называют анаэробным процессом окисления, так как оно идет без участия кислорода) считается малоэффективным процессом. Для организмов, обитающих в условиях пониженного содержания кислорода или его полного отсутствия, брожение – единственный источник получения энергии.

Брожение играет важную роль в круговороте веществ в природе. Процессы брожения широко применяются в практической деятельности людей. В течение многих веков спиртовое брожение используется в виноделии, пивоварении, хлебопечении, для производства растворителей и т. д.

Если в клетках присутствует кислород, то пировиноградная кислота поступает в митохондрии для полного окисления в ходе аэробного дыхания.

Третий этап – кислородный – протекает в митохондриях. Он начинается в матриксе митохондрий в виде сложных циклических реакций, получивших название цикла Кребса по имени ученого, открывшего данную последовательность ферментативных реакций.

На кристах митохондрий протекают реакции окислительного фосфорилирования. Открытие окислительного фосфорилирования принадлежит русскому ученому В. А. Энгельгардту.

Общая реакция кислородного расщепления (в расчете на одну молекулу глюкозы) выглядит следующим образом:

3C3H4O3 + 6O2 + 3АДФ + 36H3PO4 → 6CO2 + 3АТФ + 42H2O

В 36 молекулах АТФ запасается 55% энергии, освобожденной в процессах аэробного (кислородного) дыхания, а 45% энергии рассеивается в виде тепла.

Кислородный этап окисления органических соединений является клеточным дыханием, или биологическим окислением, в результате которого сложные органические вещества окисляются кислородом до конечных продуктов – углекислого газа и воды с освобождением энергии, запасаемой клетками в виде АТФ.

Таким образом, в ходе всего энергетического обмена глюкоза окисляется с образованием воды и углекислого газа, а энергия, первоначально запасенная в молекулах глюкозы, используется на синтез АТФ:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + энергия

Значение дыхания заключается в запасании энергии, а точнее, в образовании молекул АТФ, обеспечивающей все жизненные процессы клетки.