Клетка как открытая система. Ассимиляция и диссимиляция

Клетка как структурная и функциональная единица живого представляет собой открытою систему, т.е. постоянно обменивается веществом и энергией с окружающей средой.

Под клеточным обменом веществ понимают непрерывное поступление веществ в клетку из внешней среды, химическое превращение этих веществ и выделение конечных продуктов химических реакций.

Функции клеточного обмена веществ:

1. Обеспечение клетки строительным материалом, необходимым для образования клеточных структур;

2. Снабжение клетки энергией, которая используется на процессы жизнедеятельности (синтез веществ, транспорт веществ и др.);

3. Сохранение относительного постоянства состава и физико-химических свойств клеток;

4. Самообновление клеток и тканей.

Различают внешний обмен – поглощение и выделение веществ, и внутренний обмен – химическое превращение этих веществ в клетке.

Внутренний обмен, или метаболизм, представляет собой совокупность двух противоположных реакций: анаболический и катаболический.

Анаболические реакции – это реакции синтеза сложных органических веществ из более простых. Протекают они с затратами энергии, обеспечивая постоянство состава клеток и тканей организма. Совокупность этих реакций носит название ассимиляции или пластического обмена. Примером ассимиляции может быть биосинтез белка, синтез углеводов из воды и углекислого газа в процессе фотосинтеза, синтез нуклеотидов, ДНК, РНК, полисахаридов, липидов и других соединений.

Катаболические реакции – это реакции расщепления сложных органических веществ (жиров, белков и углеводов) до более простых с выделением энергии, значительная часть которой идет на образование АТФ. Эти реакции часто называют энергетическим обменом, или диссимиляцией.

Совокупность реакций ассимиляции и диссимиляции составляют основу жизнедеятельности клетки, а, следовательно, ткани, органа и организма вцелом.

Обмен веществ

поглощается

энергия

выделяется

Из простых синтезируются более сложные

Химические соединения

Сложные распадаются до простых

Обеспечение клетки строительным материалом.

задача

Обеспечения клетки энергии

пластический

энергетический

АТФ-расходуется

АТФ образуется

АТФ (АДЕНОЗИНТРИФОСФАТ)

Ассимиляция и диссимиляция являются противоположными сторонами единого процесса обмена веществ и неразрывно связаны между собой. Так, все реакции биосинтеза нуждаются в энергии, которая выделяется при диссимиляции. Для осуществления реакций энергетического обмена необходимы органические вещества и ферменты, образующиеся в ходе пластического обмена (см. рис. 5.1.)

Рис. 5.1. Обмен веществ и АТФ в клетке

АТФ + Н₂О ↔ АДФ + Н₃РО₄ + 40 кДж

Не всегда процессы ассимиляции находятся в соответствии с процессами диссимиляции. В период интенсивного роста и развития организма процессы ассимиляции преобладают. Напротив, при старении, интенсивной физической работе, недостатке питательных веществ процессы диссимиляции преобладают над процессами ассимиляции.

Различают автотрофную и гетеротрофную ассимиляцию. При гетеротрофной ассимиляции (животные, грибы) источником энергии служат вещества пищи (химическая энергия), при автотрофной ассимиляции – энергия света используемая для фотосинтеза (рис.5.2.)

Рис.5.2. Обмен веществ и энергии у автотрофных и гетеротрофных клеток

 

Из рис. 5.2. видно, что существование жизни на Земле зависит от энергии Солнца и сложных ее преобразований в авто- и гетеротрофных клетках организмов. В упрощенном виде поток энергии в живой природе можно представить так:

1. Энергия Солнца → автотрофы → органические вещества → АТФ → различные формы работы.

2. Энергия Солнца → автотрофы → органические вещества → гетеротрофы → АТФ → различные формы работы

Автотрофы – сами синтезируют органические вещества с неорганических.

Гетеротрофы – употребляют готовые органические вещества, синтезированные другими организмами.

 

Поток энергии в клетке

В основе потока энергии в клетке лежат процессы питания организмов и клеточного дыхания.

1. Питание – процесс приобретения вещества и энергии живыми организмами.

2. Клеточное дыхание – процесс, с помощью которого живые организмы высвобождают энергию из богатых ею органических веществ при их ферментативном расщеплении (диссимиляции) до более простых. Клеточное дыхание может быть аэробным и анаэробным.

3. Аэробное дыхание – получение энергии происходит при участии кислорода в процессе расщепления органических веществ. Его еще называют кислородным (аэробным) этапом энергетического обмена.

Анаэробное дыхание – получение энергии из пищи без использования свободного атмосферного кислорода. В общем виде поток энергии в клетке можно представить следующим образом (рис 5.3.)

ПИЩА

САХАР, ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ, АМИНО-КИСЛОТЫ

КЛЕТОЧНОЕ ДЫХАНИЕ

АТФ

СО2, Н2О, NH3

ХИМИЧЕСКАЯ, МЕХАНИЧЕСКАЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ, ОСМОТИЧЕСКАЯ РАБОТА

АДФ + Н3РО4

Рис.5.3. Поток энергии в клетке

Химическая работа: биосинтез в клетке белков, нуклеиновых кислот, жиров, полисахаридов.

Механическая работа: сокращение мышечных волокон, биение ресничек, расхождение хромосом при митозе.

Электрическая работа – поддержание разности потенциалов на мембране клетки.

Осмотическая работа – поддержание градиентов вещества в клетке и окружающей ее среде.