Обмен веществ и энергии в клетке
Обмен веществ и энергии в клетке
Обязательным условием существования любого организма является постоянный приток питательных веществ и постоянное выделение конечных продуктов химических реакций, происходящих в клетках. В любой живой клетке постоянно происходят сложнейшие химические и физические реакции, необходимые для того, чтобы обеспечить постоянство условий внутренней среды как в самой клетке, так и в многоклеточном организме, находящемся под воздействием постоянно меняющихся внешних факторов. Мысль о том, что постоянство внутренней среды обеспечивает оптимальные условия для развития и роста организмов, впервые высказал французский ученый Клод Бернар (Рис. 1) в 1857 году.
Рис. 1. Клод Бернар и Уолтер Кэннон
Клод Бернар поражался способности организмов регулировать в узких границах физиологические параметры, такие как температура и содержание воды в организме. Представление о саморегуляции как основе физиологической стабильности Бернар резюмировал в своем классическом утверждении, что постоянство внутренней среды является обязательным условием свободной жизни.
Американский физиолог Уолтер Кэннон (Рис. 1) в 1932 году ввел понятие гомеостаз для определения механизмов, обеспечивающих поддержание постоянства внутренней среды.
Постоянство внутренней среды биологических систем получило название гомеостаза. Если гомеостаз нарушается, это ведет к тому, что клетки и организм в целом повреждаются или даже могут погибнуть, то есть функция гомеостатических механизмов заключается в том, что они поддерживают независимость организма от внешней среды в той мере, в какой эти механизмы эффективны. Все реакции, протекающие в клетке, направлены на поддержание гомеостаза, а для этого необходимы вещества и энергия. Таким образом, клетка осуществляет сложные и многообразные реакции синтеза необходимых веществ и, наоборот, распада ненужных, а также реакции превращения энергии.
Получаемы извне белки, жиры, углеводы, витамины и микроэлементы необходимы клетке для синтеза или строительства нужных им веществ и построения клеточных структур (Рис. 2). 
Рис. 2. Синтез и распад веществ в клетке
Для этих процессов необходима энергия. Вся совокупность реакций биосинтеза веществ и их последующей сборки в более крупные структуры называется ассимиляцией, или анаболизмом, еще одно название этого набора реакций – пластический обмен (Рис. 3).
Рис. 3. Схема синтеза белков
Особенно интенсивно процессы ассимиляции происходят в растущих клетках развивающегося организма. Важнейшим примером такого рода процессов может служить биосинтез белка. В клетках постоянно распадаются органические вещества, либо полученные извне с пищей, либо запасенные «на черный день». При распаде этих молекул выделяется энергия, часть которой теряется, рассеиваясь с теплом, а часть запасается в виде молекул АТФ. В случае необходимости энергия АТФ используется для энергетических затрат клетки, в частности для обеспечения процессов ассимиляции.
Совокупность реакций распада веществ, сопровождающихся выделением и запасанием энергии, называется диссимиляцией, или катаболизмом. Еще одно название этих реакций – энергетический обмен.
Ассимиляция и диссимиляция – противоположные процессы: в первом случае происходит образование веществ, на что тратится энергия, а во втором – распад веществ с выделением и запасанием энергии. Эти процессы невозможны друг без друга, так как если не синтезировать и не запасать органические вещества, то и распадаться будет нечему. А если прекратятся реакции распада, то не будет синтезироваться АТФ (Рис. 4), что приведет к невозможности синтеза веществ из-за нехватки энергии. Таким образом, реакции ассимиляции и диссимиляции – это две стороны единого процесса обмена веществ и энергии в клетке, который называется метаболизм.
Рис. 4. Структура аденозинтрифосфорной кислоты – АТФ
Реакции метаболизма в живых клетках протекают при умеренной температуре, около 37 градусов, нормальном давлении и незначительном колебании кислотности. Вне живых организмов при таких условиях все химические реакции ассимиляции и диссимиляции или вообще не могли бы протекать, или протекали бы медленно. Однако в живых организмах эти реакции проходят очень быстро, это обусловливается участием в них ферментов. Белки-ферменты катализируют все биохимические процессы, протекающие в организме, и могут работать в таких мягких условиях.
Так как активность ферментов очень высока, то для обеспечения нормальной скорости метаболических процессов требуется очень малое количество молекул ферментов. Но поскольку ферменты действуют избирательно, клетке необходимо очень много видов ферментов. Например, фермент амилаза катализирует распад в ротовой полости крахмала: без этого фермента реакция не идет. Фермент уреаза катализирует расщепление мочевины до аммиака и угольной кислоты, но не действует на другие родственные мочевине соединения.