Организация открытых биологических систем в пространстве и во времени. Поток информации, энергии и вещества в клетке, ультраструктуры их обеспечивающие.

Открытые биологические системы - это биологические объекты различной сложности (клетки, ткани, организмы, биоценозы), имеющие, как правило, несколько уровней структурно-функциональной организации. Представляя собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, биологические системы обладают свойствами целостности, способности к саморегуляции, что и определяет их устойчивость, а также способность к адаптации по отношению к внешней среде, развитию, самовоспроизведению и эволюции. Любая биологическая система является динамической - в ней постоянно протекает множество процессов, часто сильно различающихся во времени. В то же время биологическая система - открытая система, условием существования которой служит обмен энергией, веществом и информацией как между частями системы, так и с окружающей средой. Важнейшая особенность биологической системы заключается в том, что такой обмен осуществляется под контролем специальных механизмов реализации генетической информации и внутреннего управления, которые позволяют избежать «термодинамической смерти» путем использования энергии, извлекаемой из внешней среды.

Основные свойства живых систем:

1. Обмен веществ и энергии. Все живые организмы используют внешние источники энергии в виде пищи и т.д.Основу обмена веществ составляют взаимосвязанные и сбалансированные процессы ассимиляции и диссимиляции При этом непрерывный поток веществ сопровождается непрерывным потоком энергии.

2. Наследственность. Это свойство заключается в способности сохранять и передавать наследственную информацию из поколения в поколение

3. Репродукция. На молекулярном уровне самовоспроизведение осуществляется на основе матричного синтеза ДНК. НА клеточном уровне это обеспечивается различными типами деления митозом или мейозом.

4. Изменчивость. Стабильность наследственной информации в природе весьма относительна. Изменения ее на различных уровнях – генных, хромосомных, геномных лежат в основе наследственной изменчивости. Она же наряду с другими факторами (естественным отбором, генным потоком и т.д.) обеспечивает эволюцию органического мира.

5. Индивидуальное развитие. Любая живая система – клетка, особь проходит через свой онтогенез, в основе которого лежит реализация генетической информации.

6. Филогенетическое развитие. Любой онтогенез есть краткое повторение исторического развития. В основе закономерностей филогенеза лежат элементарные эволюционные факторы (наследственная изменчивость, естественный отбор и т.д.), приводящие к появлению огромного разнообразия форм жизни от доклеточных до многоклеточных, вплоть до человека.

7. Раздражимость - свойство отражения любой информации из внешней среды любой биологической системы. Это свойство позволяет избирательно реагировать на изменяющиеся условия и адаптироваться к ним

8. Дискретность и целостность- всеобщее свойство живой материи. Любая биологичекая система состоит из отдельных, но взаимодействующих частей, образующих структурно-функциональное единство. 

9. Энергетический обмен клетки. Этапы энергетического обмена. Химические свойства АТФ. Синтез АТФ.

Живые клетки улавливают, сохраняют и передают энергию в химической форме главным образом в виде энергии, заключенной в молекулах аденозинтрифосфата (АТФ).

Химические свойства АТР.

Аденозинтрифосфат и продукты последовательных стадий его гидролиза, аденозиндифосфат и аденозинмонофосфат, принадлежат классу нуклеотидов. Молекулы нуклеотидов состоят из гетероциклического основания (пурина или пиримидина), пятиуглеродного моносахарида и одной или нескольких фосфатных групп. В молекулах АТР, ADP, АМР роль основания играет аденин (пурин), а пятиуглеродный моносахарид представлен D-рибозой. Нуклеотиды выполняют в клетке самые различные функции, но более всего они известны как строительные блоки молекул ДНК и РНК, в которых они служат кодирующими элементами. В нормально дышащих клетках на долю АТР приходится до 80% и даже более общего количества всех трех адениновых нуклеотидов. Концентрация АТР в клетках поддерживается на относительно постоянном уровне, поскольку скорость его образования приблизительно уравновешивается скоростью его распада. Таким образом, концевые фосфатные группы молекул АТР претерпевают непрерывное обновление в процессе метаболизма. Они постоянно отщепляются и замещаются новыми за счет клеточного пула неорганического фосфата. АТР удалось синтезировать. Мы знаем также, что он служит связующим звеном между реакциями, идущими с выделением и с потреблением энергии. Эта его роль основана на известных химических принципах.  

Именно АТР служит главным переносчиком химической энергии в клетках всех живых организмов. АТР может передавать свою энергию некоторым другим биомолекулам, теряя при этом концевую фосфатную группу; в результате богатая энергией молекула АТР превращается в энергетически обедненную молекулу аденозиндифосфата (ADP). В свою очередь ADP может снова соединиться с фосфатной группой и превратиться в АТР либо за счет солнечной энергии (в фотосинтезирующих клетках), либо за счет химической энергии (в животных клетках).

Энергетический обмен в клетке подразделяют на три этапа. Первый этап — подготовительный. Во время него крупные пищевые полимерные молекулы распадаются на более мелкие фрагменты. Полисахариды распадаются на ди- и моносахариды, белки —• до аминокислот, жиры — до глицерина и жирных кислот. В ходе этих превращений энергии выделяется мало, она рассеивается в виде тепла, и АТФ не образуется.

Второй этап — неполное бескислородное расщепление веществ. На этом этапе вещества, образовавшиеся во время подготовительного этапа, разлагаются при помощи ферментов в отсутствие кислорода. Разберем этот этап на примере гликолиза — ферментативного расщепления глюкозы. Гликолиз происходит в животных клетках и у некоторых микроорганизмов. Суммарно этот процесс можно представить в виде следующего уравнения:

С6Н12О6 + 2Н3Р04 + 2АДФ → 2С3Н603 + 2АТФ + 2Н2О

Таким образом, при гликолизе из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы трехуглеродной пировиноградной кислоты (С3Н4О3), которая во многих клетках, например в мышечных, превращается в молочную кислоту (С3Н6О3), причем высвободившейся при этом энергии достаточно для превращения двух молекул АДФ в две молекулы АТФ. Несмотря на кажущуюся простоту, гликолиз — процесс многоступенчатый, насчитывающий более десяти стадий, катализируемых разными ферментами. Только 40% выделившейся энергии запасается клеткой в виде АТФ, а остальные 60% — рассеиваются в виде тепла. Благодаря многостадийности гликолиза выделяющиеся небольшие порции тепла не успевают нагреть клетку до опасного уровня. Гликолиз происходит в цитоплазме клеток.

У большинства растительных клеток и некоторых грибов второй этап энергетического обмена представлен спиртовым брожением:

С6Н12О6+2Н3РО4+2АДФ→2С2Н5ОН +2С02 + 2АТФ + 2H2О

Исходные продукты спиртового брожения те же, что и у гликолиза, но в результате образуется этиловый спирт, углекислый газ, вода и две молекулы АТФ. Есть такие микроорганизмы, которые разлагают глюкозу до ацетона, уксусной кислоты и других веществ, но в любом случае «энергетическая прибыль» клетки составляет две молекулы АТФ.

Третий этап энергетического обмена — полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание. При этом вещества, образовавшиеся на втором этапе, разрушаются до конечных продуктов — СО2 и Н2О. Этот этап можно представить себе в следующем виде:

2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36 АДФ → 6СО2 + 42 Н2О + 36АТФ.

Таким образом, окисление двух молекул трехуглеродной кислоты, образовавшихся при ферментативном расщеплении глюкозы до СО2 и Н2О, приводит к выделению большого количества энергии, достаточного для образования 36 молекул АТФ. Клеточное дыхание происходит на кристах митохондрий. Коэффициент полезного действия этого процесса выше, чем у гликолиза, и составляет приблизительно 55%. В результате полного расщепления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

Для получения энергии в клетках, кроме глюкозы, могут быть использованы и другие вещества: липиды, белки. Однако ведущая роль в энергетическом обмене у большинства организмов принадлежит сахарам.

Синтез АТФ

Синтез АТФ происходит в мембранах митохондрий в процессе дыхания, поэтому все ферменты и кофакторы дыхательной цепи, все ферменты окислительного фосфорилирования локализованы в данных органеллах.

Синтез АТФ происходит таким образом, что два иона Н⁺ отщепляются от АДФ и фосфата (Р) с правой стороны мембраны, компенсируя потерю двух Н⁺ при восстановлении вещества В. Один из кислородных атомов фосфата переносится на другую сторону мембраны и, присоединив два иона Н⁺ из левого отсека, образует Н₂О. Остаток фосфорила присоединяется к АДФ, образуя АТФ.