Любая живая клетка, совершая разнообразные процессы синтеза и распада веществ, подобна сложному химическому комбинату. Для нормального течения химических процессов между клеткой и окружающей должен происходить постоянный обмен веществ и постоянное превращение энергии в клетке. Белки, жиры, углеводы, витамины, микроэлементы, которые получает клетка из окружающей среды, используются для синтеза необходимых соединений, построения клеточных структур. Но для синтеза веществ необходима энергия. Главным источником энергии для организмов на нашей планете является Солнце.
Для химических реакций, происходящих в клетке, характерны упорядоченность и организованность: каждая реакция происходит в конкретно определённом месте.
Химические реакции в клетке происходят с участием катализаторов – ферментов, которых в клетке несколько тысяч. Они расположены на мембранах клеточных структур. Мембраны клетки, устланные молекулами ферментов, являются своеобразным конвейером, на котором с исключительной точностью и высокими скоростями происходят химические реакции.
Из огромного количества химических реакций клетки прежде всего заслуживают внимания два типа реакций – реакции синтеза и реакции расщепления.
Реакции синтеза
Реакциями синтеза являются такие реакции, в которых из низкомолекулярных веществ образуются высокомолекулярные, из более простых - сложные.
В клетке синтезируются углеводы, белки, нуклеиновые кислоты, жиры, АТФ и другие вещества. Образовавшиеся вещества идут на построение различных частей клетки – её органелл, мембран. Одни вещества откладываются про запас, другие выделяются в составе секретов. Реакции синтеза особенно интенсивно происходят в молодых растущих клетках. Однако и во вполне взрослых клетках, окончивших рост и развитие, постоянно происходит процесс синтеза веществ, которые замещают молекулы, использованные в процессе жизнедеятельности или разрушенные в результате повреждения. Так сохраняется форма и химический состав клеток, несмотря на непрерывные их изменения в процессе жизнедеятельности.
Все реакции биологического синтеза (биосинтеза) в клетке составляют пластический обмен, или ассимиляцию.
Реакции расщепления
Одновременно с процессами синтеза новых веществ в клетке постоянно происходит распад органических веществ. С участием ферментов они расщепляются до простейших соединений; при этом освобождается энергия. Запасается эта энергия чаще всего в виде АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Дальше энергия АТФ используется для различных потребностей клетки, в частности и для реакций биосинтеза.
Реакции распада противоположны реакциям синтеза. К ним относятся реакции распада сложных веществ на более простые, высокомолекулярных веществ – на низкомолекулярные.
Белки распадаются на аминокислоты, гликоген – на глюкозу, нуклеиновые кислоты – на нуклеотиды. Эти продукты распадаются на ещё более низкомолекулярные вещества, и в конце концов образуются совсем простые соединения – оксид углерода (IV) и вода.
Для большинства реакций расщепления характерным признаком является освобождение энергии. Биологическая роль этих реакций – это обеспечение клеток энергией, потому что любая форма клеточной деятельности требует поступления энергии.
Совокупность реакций расщепления, которые обеспечивают клетку энергией, называют энергетическим обменом, или диссимиляцией.
Ассимиляция и диссимиляция – противоположные процессы: в первом случае происходит образование веществ, во втором – разрушаются. Эти два процесса тесно взаимосвязаны друг с другом, поскольку именно в результате синтеза и распада веществ образуется необходимая для функционирования клетки энергия.
Ассимиляция и диссимиляция – две стороны единого процесса обмена веществ и энергии, который получил название метаболизма (греч. metabole –превращение).
Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны: реакции биосинтеза требуют затрат энергии, которая поставляется реакциями расщепления, а для того, чтобы проходили реакции энергетического обмена нужен постоянный биосинтез ферментов, которые катализируют эти реакции, потому что в процессе жизнедеятельности ферменты постепенно денатурируются и теряют активность.
Посредством пластического и энергетического обмена клетки осуществляют связь с внешней средой. Из окружающей среды внутрь клетки поступают питательные вещества, являющиеся материалом для реакций энергетического и пластического обменов. А наружу из клетки выделяются вещества, которые она больше не может использовать.
Совокупность реакций пластического и энергетического обменов (ассимиляции и диссимиляции), в процессе которых осуществляется связь клетки с внешней средой, называют обменом веществ и энергии (метаболизмом).
Процесс метаболизма - основное условие поддержания жизнедеятельности клетки, функционирования, источник её роста и развития.
Роль АТФ в энергетическом обмене клетки
Проявления жизнедеятельности клетки разнообразны: клетки способны двигаться, синтезировать сложные вещества, некоторые могут светиться, генерировать электричество и т.д.
На эти процессы клетка использует энергию, которая освобождается в результате реакций расщепления веществ, то есть химическую энергию. Поскольку энергия имеет способность переходить из одной формы в другую, химическая энергия в клетке переходит в механическую, электрическую и другие формы.
Реакций, сопровождающихся освобождением энергии, в клетке происходит огромное количество, но для непосредственного обеспечения различных видов клеточной активности используется лишь одна реакция – расщепления АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Единым источником энергии для движения, биосинтеза, прохождения веществ сквозь мембраны, выработки света, электрики и т.д. является энергия реакции отщепления от АТФ одной молекулы кислоты, то есть переход АТФ в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту).
АТФ синтезируется в основном в митохондриях, но содержится она так же и в растворимой фракции цитоплазмы (гиалоплазме), хлоропластах, в ядре.
Но запас АТФ вклетке небольшой.
В мышце запаса АТФ хватает всего на 20-30 сокращений, а мышца не может работать часами.
Значит, в клетке наряду с использованием АТФ должен происходить её непрерывный синтез. Для пополнения истраченной АТФ используется энергия, которая высвобождается в результате реакций расщепления углеводов, липидов и других веществ.
Во время усиленной, но кратковременной работы, например, во время бега на короткую дистанцию, мышцы работают исключительно за счёт распада АТФ, содержащейся в них. После завершения бега спортсмен усиленно дышит, разогревается. В этот период интенсивно окисляются углеводы и другие вещества, в результате чего пополняется запас АТФ.
АТФ является единым и универсальным источником энергии для поддержания функциональной деятельности клетки.
