Раздел 1

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

1.2. Молекулярно-генетический и клеточный уровни организации жизни

1.2.1.4. Функциональные свойства клетки как открытой системы

Клетка состоит из большого количества четко упорядоченных разнообразных молекул. Молекулярные комплексы образуют органеллы, которые являются составной частью клеточной системы. Внутренний пространство клетки разделены мембранами на отсеки (компартменти), где происходят только специфические для данного пространства реакции. Таким образом, клетка является сложной системой макромолекул нескольких уровней организации. Это целостная неделимая система, в которой можно выделить ряд подсистем, ответственных за специфические функции: мембраны, цитозоль, ядро, митохондрии и т.д. Клеточные органеллы структурно и функционально связаны между собой. Жизнедеятельность клеток может осуществляться только при условии скоординированного связи между ними.

Клетка является открытой системой, поэтому что она не изолирована от внешней среды. Для жизни и функционирования клеткам необходимо постоянно взаимодействовать с окружающей средой. В частности, между средой и клетками постоянно происходит обмен веществом, энергией и информации. Эти процессы обеспечивают упорядоченный во времени и пространстве, координированное протекание всех метаболических и физиологических процессов.

Обмен веществом. Между средой и клетками (как открытыми системами) происходит обмен молекулами. Клетка избирательно поглощает необходимые и выводит ненужные ему вещества (рис. 1.17). Поток веществ связан прежде всего с метаболизмом клеток, что представляет собой единство ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция - процесс "уподобления" веществ, поступающих в клетку, специфическим веществам, которые характерны для нее. Это - эндотермический процесс, т.е. процесс, требующий затраты энергии. Установлено, что синтез веществ в клетках происходит за счет метаболического фонда, который включает: продукты перерабатываемой пищи и продукты диссимиляции, которые образуются в клетках. Поток веществ в клетке поддерживает стабильный молекулярный состав ее цитоплазмы, что включает в себя неорганические и органические соединения. В пищеварительном тракте пища переводится в смесь низкомолекулярных органических веществ: аминокислот, нуклеотидов, углеводов - неспецифических и одинаковых для всей живой природы. В таком виде вены и поступают в клетку и образуют метаболический фонд. За счет процессов ассимиляции выполняются две очень важные функции: поддерживается структура клетки и она обеспечивается энергией, поступающей с органическими веществами. Диссимиляция представляет собой экзотермический процесс, то есть процесс освобождения энергии за счет распада веществ клетки. Вещества, образующиеся при диссимиляции, также подлежат дальнейшему превращению и используются клеткой.

Рис. 1.17. Организация потока веществ клеткой.

Обмен энергией. В клетку вместе с органическими веществами поступает энергия, аккумулированная в химических связях между молекулами и атомами, которая затем освобождается и превращается в АТФ. Энергия необходима для поддержания стабильности клеточной системы: обеспечение структуры, гомеостаза, метаболизма и функций. Все функции, которые выполняет клетка, требуют энергии, которая освобождается в процессе диссимиляции. Обмен энергией в группах организмов обеспечивается различными процессами: гликолизом, фотосинтезом, хемосинтезом, дыханием. Для животных основным является процесс дыхания. Это совокупность биохимических реакций расщепления (окисления) органических веществ (глюкозы, жирных кислот, аминокислот) до С 0₂ и Н,0 и использования энергии разорванных химических звкзків для образования высококалорийного клеточного "топлива" в виде аденозинтрифосфата (АТФ). Как известно, энергетическим материалом в клетке является молекула АТФ. Она накапливает энергию, свободно перемещается в клетке и отдает энергию для осуществления эндотермических процессов. АТФ образуется в результате присоединения к АДФ третьей фосфатной группы. Процессы образования АТФ происходят на внутренней мембране митохондрий, которая содержит специальные ферменты - АТФ-синтетазы.

Обмен информацией.

1. Клетка воспринимает изменения в окружающей среде (сигналы) и способна на них адекватно реагировать. Благодаря этом клетка может приспосабливаться к меняющимся условиям существования. Это обеспечивается образованием новых, нужных в данных условиях ферментов и других макромолекул. Приспособительные внутриклеточные процессы приводят к изменениям формы, размеров и функционирования клеток. В результате итоге адекватная реакция на сигналы внешней среды позволяет клетке выжить в условиях, изменяются.

2. Определенная организация живого связана с сохранением и использованием потока информации для поддержки структурно-функциональной организации клетки и ее длительного стабильного существования как системы. Наследственная информация хранится в молекулах ДНК в виде генетического кода - последовательности триплетов нуклеотидов. Информация переписывается с ДНК на молекулы РНК, обеспечивающих синтез необходимых структурных белков и ферментов. Образованы белки причастны к появлению определенных свойств клетки. Другими словами, поток информации в клетке направлен от ДНК к признаки:

3. Еще один информационный поток направлен от ДНК одной клетки к дочерней ДНК клетки. Этот поток связан с процессом размножения. Он реализуется репликацией молекул ДНК материнской клетки, образованием хромосом, процессом равномерного распределения наследственного материала между дочерними клетками (митозом):

Этот поток информации обеспечивает воспроизведение и длительное существование популяций клеток.

Таким образом, жизнь клеток поддерживается благодаря постоянным потокам веществ, энергии и информации.