Энергообмен в клетке
В живом организме постоянно расходуется энергия, причем не только во время физической и умственной работы, а даже при полном покое (сне). Процессы роста и поддержания жизни постоянно требуют затрат энергии, которые должны быть как-то возмещены.
Живые организмы поглощают из окружающей среды энергию в такой форме, чтобы ее можно было использовать в конкретных условиях их существования при данных значениях температуры и давления. Процессы превращения веществ, образование новых клеток и систем идут в клетках постоянно [9].
Стоит отметить, что системы преобразования энергии в живых клетках целиком построены из сравнительно хрупких и неустойчивых органических молекул, не способных выдерживать высокие температуры, сильный электрический ток, действие сильных кислот и оснований. Все части живой клетки имеют примерно одну и ту же температуру, в клетках нет сколько-нибудь значительных перепадов давления. Отсюда можно сделать вывод, что клетки не могут использовать тепло как источник энергии, поскольку тепло может совершать работу лишь тогда, когда оно переходит от более нагретого тела к более холодному. Клетки совсем не похожи на тепловые и электрические двигатели – наиболее знакомые нам типы двигателей. Живые клетки представляют собой химические машины, работающие при постоянной температуре.
Постоянная и неразрывная связь живого организма с окружающей средой осуществляется в виде процесса обмена веществ. Обмен веществ включает три этапа: поступление веществ в организм, метаболизм и выделение конечных продуктов из организма.
Метаболизм (от греч. превращение, изменение), собственно сам обмен веществ, – есть совокупность химических реакций, протекающих в организме, обеспечивающих его рост, развитие и процессы жизнедеятельности, взаимодействие с окружающей средой и т. д. Метаболиты – промежуточные продукты обмена веществ в живых клетках. Многие из них оказывают регулирующее влияние на биохимические и физиологические процессы в организме.
Поступление веществ в организм происходит в результате дыхания (кислород) и питания. В ЖКТ продукты питания перевариваются, то есть расщепляются до простых веществ, т. к. организму необходимо использовать во всех процессах свои, присущие только ему жиры, белки и углеводы.
Белки расщепляются ферментами до аминокислот. В клетках из них строятся белки тела. Белки входят в состав клеток, участвуют в процессах свертываемости крови, транспортировке газов, входят в состав костей. Они способны к окислению с выделением энергии, которая в дальнейшем будет использоваться организмом.
Жиры распадаются в организме на глицерин и жирные кислоты. Образуется жир, характерный для организма. Далее он отправляется в депо клетки, там он используется как запасное вещество и строительный материал. Жиры входят в состав мембран клеток, выполняют защитную функцию, сохраняют тепло. Более того, жиры – источник энергии, они способны выделять при окислении больше энергии, чем белки и углеводы.
Углеводы расщепляются в организме до глюкозы и других простых углеводов. Глюкоза – отличный источник энергии [10].
Обмен веществ состоит из двух противоположных, одновременно протекающих процессов: анаболизм и катаболизм. На рисунке 2 представлена общая схема обмена веществ и энергии [11].
Рис. 2. Общая схема обмена веществ и энергии: 1 – пищеварение; 2 – катаболизм; 3 – анаболизм; 4 – распад структурно-функциональных компонентов клеток; 5 – экзергонические реакции; 6, 7 – эндергонические реакции; 8 – выведение из организма
Катаболизм включает реакции, связанные с распадом сложных веществ до более простых, их окислением и выведением из организма продуктов распада. Конечные продукты превращений органических веществ у животных и человека – СО2, Н2О и мочевина.
Процессы катаболизма в клетках сопровождаются потреблением кислорода, который необходим для реакций окисления. В результате этих реакций происходит освобождение энергии, которая необходима организму в процессах жизнедеятельности для осуществления различных видов работы. Реакции катаболизма, сопровождающиеся выделением энергии, называются экзергоническими реакциями.
Интенсивность катаболических процессов и преобладание тех или иных из них в качестве источников энергии в клетках регулируется гормонами.
Анаболизм объединяет все реакции, связанные с синтезом необходимых веществ, их усвоением и использованием для роста, развития и жизнедеятельности организма. То есть объединяет биосинтетические процессы, в которых простые строительные блоки соединяются в сложные макромолекулы, необходимые для организма. В анаболических реакциях используется энергия, освобождающаяся при катаболизме. Такие реакции называются эндергоническими.
В результате образуется новый материал для построения клеток и их роста, а также запасается энергия. Примерами анаболизма могут служить следующие процессы: биосинтез белка, сокращение мышц, активный транспорт, продукция тепла. Проще говоря, анаболизм – это создание новых веществ или тканей в организме.
Через реакции анаболизма протекает процесс усвоения питательных веществ, а благодаря реакции катаболизма происходит освобождение организма от веществ, его составляющих. Соотношение катаболических и анаболических процессов в клетке так же регулируется гормонами. Например, адреналин или глюкокортикоиды сдвигают баланс обмена веществ в клетке в сторону преобладания катаболизма, а инсулин, соматотропин, тестостерон – в сторону преобладания анаболизма.
Обратные связи
В метаболических функциях важную роль играет обратная связь (петли обратной связи), образующаяся при автокаталитических реакциях. Само название говорит о том, что обратная связь – это обратное воздействие результатов процесса на его протекание или воздействие управляемого процесса на управляющий орган.
«В то время как в неорганическом мире обратная связь между „следствиями“, конечными продуктами нелинейных реакций, и породившими их „причинами“ встречается сравнительно редко, в живых системах обратная связь, как установлено молекулярной биологией, напротив, является скорее правилом, чем исключением» [12].
Обратная связь может быть положительной и отрицательной. Положительная и отрицательная обратные связи – это своего рода два рычага управления. Они регулируют биологические процессы, поддерживая их в пределах, обеспечивающих оптимальные условия жизнедеятельности организма. В отсутствие обратной связи деятельность становится неуправляемой, хаотичной, не сообразной ситуации и потребностям организма.
Роль положительных и отрицательных обратных связей различна. Отрицательная обратная связь – это такой тип обратной связи, при котором входной сигнал системы изменяется так, чтобы противодействовать изменению выходного сигнала. Отрицательная обратная связь стабилизирует систему.
Пример отрицательной обратной связи – терморегуляция. Когда температура тела повышается (или понижается), терморецепторы в коже и гипоталамусе регистрируют изменение, вызывая сигнал из мозга. Данный сигнал, в свою очередь, вызывает ответ – понижение температуры через потоотделение, разнообразные терморегулирующие реакции. Именно отрицательная обратная связь поддерживает температуру тела человека около 37 °C.
Вот другой пример отрицательной обратной связи. Когда концентрация углекислого газа в организме человека увеличивается, легким приходит сигнал к увеличению их активности и выдыханию большего количества углекислого газа.
Вообще, отрицательная обратная связь широко используется живыми системами разных уровней организации – от клетки до экосистем – для поддержания постоянства структурной организации, или гомеостаза (греч. gomos – равный, неизменный, stasis – состояние). Проще говоря, отрицательная обратная связь – это механизм поддержания саморегуляции.
Отрицательные обратные связи обеспечивают стабильность всех функций живых систем, их устойчивость к внешним воздействиям, делают систему более устойчивой к случайному изменению параметров. Они являются основным механизмом энергетического и метаболического баланса в живых системах. Человек и все живые существа живут, главным образом, благодаря отрицательной обратной связи.
Положительная обратная связь – это такой тип обратной связи, при котором изменение выходного сигнала системы в одну сторону приводит к изменению входного сигнала в ту же сторону, в результате чего выходной сигнал продолжает далее отклоняться от первоначального значения (система разгоняется).
Если отрицательные обратные связи способствуют восстановлению исходного состояния, то положительные – уводят организм все дальше от исходного состояния.
