Какими путями осуществляется обмен веществ между клеткой и окружающей средой кратко
Обновлено: 28.06.2024
Обмен веществ ( метаболизм ) — это все превращения веществ в организме, начинающиеся с их поступления извне и заканчивающиеся выведением образовавшихся ненужных и вредных продуктов.
В организм из окружающей среды поступает вода и пищевые продукты. Сложные органические соединения из продуктов питания расщепляются в органах пищеварения под действием ферментов до простых веществ, которые поступают в кровь и транспортируются ко всем тканям. В клетках вещества участвуют в химических реакциях, обеспечивающих организм энергией и строительным материалом для построения и обновления тканей и органов. Непереваренные остатки пищи и продукты обмена выводятся из организма с мочой, калом, потом и выдыхаемым воздухом.
Обмен веществ — это вся совокупность химических процессов, происходящих в организме для поддержания его существования. Все реакции, протекающие в живом организме, можно разделить на две группы и отнести к пластическому обмену или к энергетическому.
Пластический обмен ( ассимиляция , или анаболизм ) — реакции образования сложных органических веществ из простых, протекающие с использованием энергии.
Энергетический обмен ( диссимиляция , или катаболизм ) — процессы расщепления и окисления сложных органических веществ до простых, идущие с высвобождением энергии, запасённой в веществах пищи.
Обмен веществ через пламатическую мембрану и ее значение в гомеостазе клетки
Основные положения:
• Гидрофильные молекулы не могут проникать через липидный бислой
• Плазматическая мембрана в большей степени проницаема для воды, чем для ионов
• По обеим сторонам мембраны в результате различного ионного состава среды создается осмотическое давление
• Плазматическая мембрана обладает специальными системами транспорта ионов и других растворимых компонентов в клетку и их выхода из нее
• Системы транспорта дают клетке возможность поддерживать постоянство состава внутриклеточной среды отличным от внешнего окружения
• В мембрану встроены ионные каналы — белковые структуры, позволяющие ионам проходит через мембрану, при этом они остаются в водном окружении
Для поддержания существования клетки как целого плазматическая мембрана выполняет несколько функций:
• Мембрана поддерживает содержимое клетки в ограниченном объеме.
• Она обусловливает различия в составе компонентов, находящихся в водной среде клетки и вне нее.
• В мембране содержатся белковые комплексы, контролирующие поступление в клетку различных молекул и выход их из клетки.
• В мембране находятся системы, обеспечивающие обмен сигналами между содержимым клетки и окружающей средой.
В отличие от гидрофобных молекул и молекул воды,
ионы не могут быстро проникать через липидный бислой.
Присущие мембране свойства создают для клетки необходимость регулировать транспорт воды и ионов, иллюстрирует проницаемость мембраны для гидрофобных соединений. Различие в проницаемости мембраны для молекул воды и ионных растворов имеет очень важное последствие — возникновение осмотического давления. Оно обусловлено различной концентрацией растворенных соединений по обеим сторонам мембраны.
Скорость, с которой, например, ионы натрия или калия могут диффундировать через липидный бислой, составляет 10 -10 от скорости диффузии воды. В результате, когда на одной стороне мембраны создается разница в концентрации ионов, молекулы воды проходят через мембрану и концентрация растворенных соединений по обе ее стороны становится одинаковой.
Если бы в клетке отсутствовал механизм контроля над концентрацией растворов, то в результате возникновения осмотического давления она бы сжималась или разбухала во всех случаях, когда концентрация растворенных веществ в окружающей среде оказывалась бы выше или ниже, чем внутри нее. Таким образом, размеры клетки менялись бы в зависимости от окружающей среды.
В экстремальных случаях это могло бы оказаться для нее роковым, либо за счет сжатия в массу, неспособную функционировать, либо за счет разрыва.
В таких случаях клетка реагирует на создавшуюся ситуацию, контролируя движение ионов и воды через плазматическую мембрану. Способность клетки к поддержанию постоянства состава внутренней среды называется гомеостазом. Это важнейшая функция всех клеток, независимо от того, составляют ли они одноклеточный или многоклеточный организм. В клетках животных основная роль гомеостаза заключается в контроле величины осмотического давления, регулируя ионный состав таким образом, чтобы избежать накопления воды.
Движение воды через мембрану определяется величиной осмотического давления.
Направление движения зависит от относительных концентраций растворенных веществ по обеим сторонам мембраны.
Для поддержания гомеостаза необходимо регулировать поступление в клетку или выход из нее ионов и молекул воды.
Гомеостаз для одноклеточных организмов необходим, поскольку состав внешней среды может существенным образом меняться. Для многоклеточных гомеостаз дает возможность индивидуальным клеткам поддерживать состав внутренней среды, отличный от состава внеклеточных жидкостей. Обычно во внутренней среде клетки содержится больше ионов калия, но меньше натрия и кальция, чем во внешней среде.
На рисунке показано, что транспорт через клеточную мембрану обеспечивается присутствием в липидном бислое белковых комплексов, образующих каналы. Наружная поверхность этих комплексов примыкает к липидному бислою, однако их внутренняя поверхность находится в водном окружении. Ионы растворенных веществ или гидрофильные белки проходят через водный канал, даже не контактируя с липидным бислоем. Каналы обладают специфичностью в отношении пропускания различных субстратов.
Механизм, регулирующий транспорт ионов через мембрану, зависит от того, движутся ли они из области высокой концентрации в область низкой или в противоположном направлении. Различие в концентрации ионов внутри и снаружи клетки создает трансмембранный градиент. Когда ионы движутся по градиенту, т. е. со стороны мембраны, где их концентрация высока, в сторону более низкой концентрации, их продвижение обеспечивается ионным каналом. Когда возникает необходимость движения ионов против градиента концентрации, то функционирует белок-переносчик, и для этого процесса необходима энергия (Основными типами транспортных мембранных белков являются каналы и переносчики).
Белковые комплексы, интегрированные в мембрану,
представляют собой водные каналы (поры), через которые происходит транспорт ионов и небольших молекул.
Если бы канал просто обеспечивал прохождение водной среды через мембрану, то концентрация ионов на входе и выходе быстро бы выравнивалась. Для того чтобы поддерживать постоянную концентрацию ионов в среде, находящейся по обеим сторонам канала, на время отсутствия транспорта он закрывается. Способность канала открываться и закрываться называется гейтинг. Как показано на рисунке, закрытие и открытие канала происходят в результате конформационных изменений, которые позволяют ионам проходить через канал или блокируют этот процесс.
Открытие и закрытие канала контролируется небольшими молекулами, выполняющими роль лигандов, изменениями электрического потенциала или температуры.
Наряду с механизмами, которые обеспечивают контроль за транспортом метаболитов, во всех клетках присутствуют аквапорины, переносящие через плазматическую мембрану воду (Селективный транспорт воды происходит через аквапориновые каналы). Аквапорины переносят воду сквозь особый канал в ответ на изменение осмотического давления.
Контроль за осмотическим давлением в клетках растений происходит по-другому. В этих клетках вода накапливается в специальных компартментах, которые называются вакуоли. Внутреннее давление сдерживается жесткой клеточной стенкой, и это фактически служит механизмом, регулирующим степень набухания клетки (Рост клетки регистрируется путем набухания вакуолей).
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Обмен веществ между клеткой и окружающей средой осуществляется разными способами – пассивными и активными.
Молекулы воды и различных ионов пассивно (за счет диффузии, осмоса) , без затраты клеткой энергии, поступают через особые поры – это пассивный транспорт. Макромолекулы, такие как белки, полисахариды, даже целые клетки, поступают путем фагоцитоза и пиноцитоза с затратой энергии – активный транспорт.
Путем фагоцитоза поглощаются целые клетки или крупные частицы (например, вспомните питание у амеб или фагоцитоз защитными клетками крови бактерий) . При пиноцитозе происходит поглощение мелких частиц или капелек жидкого вещества. Общим для обоих процессов является то, что поглощаемые вещества окружаются впячивающейся наружной мембраной с образованием вакуоли, которая затем перемещается в глубь цитоплазмы клетки.
Экзоцитоз представляет собой процесс (будучи также активным транспортом) , противоположный по направлению фагоцитозу и пиноцитозу (рис. 13). С его помощью могут выводиться непереваренные остатки пищи у простейших либо образованные в секреторной клетке биологически активные вещества.
далее
Метаболизм – обмен веществ и энергии - представляет собой по классическим определениям, с одной стороны, обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой, а, с другой стороны, совокупность процессов превращения веществ и трансформации энергии, происходящих непосредственно в самих живых организмах. Как известно, обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи. В обмене веществ, контролируемом многоуровневыми регуляторными системами, участвует множество ферментных каскадов, обеспечивающих совокупность химических реакций, упорядоченных во времени и пространстве. Данные биохимические реакции, детерминированные генетически, протекают последовательно в строго определенных участках клеток, что, в свою очередь обеспечивается принципом компартментации клетки. В конечном итоге в процессе обмена поступившие в организм вещества превращаются в собственные специфические вещества тканей и в конечные продукты, выводящиеся из организма. В процессе любых биохимических трансформаций освобождается и поглощается энергия.
Клеточный метаболизм выполняет четыре основные специфические функции, а именно: извлечение энергии из окружающей среды и преобразование ее в энергию макроэргических (высокоэнергетических) химических соединений в количестве, достаточном для обеспечения всех энергетических потребностей клетки; образование из экзогенных веществ промежуточных соединений, являющихся предшественниками высокомолекулярных компонентов клетки; синтез из этих предшественников белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и других клеточных компонентов; синтез и разрушение специальных биомолекул, образование и распад которых связаны с выполнением специфических функций данной клетки.
Поскольку первоначальные представления об обмене веществ возникли в связи с изучением процессов обмена между организмом и внешней средой и лишь впоследствии эти представления расширились до понимания путей трансформации веществ и энергии внутри организма, до настоящего времени принято выделять соответственно внешний, или общий, обмен веществ и внутренний или промежуточный, обмен веществ. В свою очередь как во внутреннем, так и во внешнем обмене веществ различают структурный (пластический) и энергетический обмен. Под структурным обменом понимают взаимные превращения различных высоко- и низкомолекулярных соединений в организме, а также их перенос (транспорт) внутри организма и между организмом и внешней средой. Под энергетическим обменом понимают высвобождение энергии химических связей молекул, образующейся в ходе реакций и ее превращение в тепло (большая часть), а также использование энергии на синтез новых молекул, активный транспорт, мышечную работу (меньшая часть). В процессе обмена веществ часть конечных продуктов химических реакций выводится во внешнюю среду, другая часть используется организмом. В этом случае конечные продукты органического обмена накапливаются или расходуются в зависимости от условий существования организма, называясь запасными или резервными веществами.
Как указывалось выше совокупность химических превращений веществ, которые происходят непосредственно в организме, начиная с момента их поступления в кровь и до момента выделения конечных продуктов обмена из организма, называют промежуточным обменом (промежуточным метаболизмом). Промежуточный обмен может быть разделен на два процесса: катаболизм (диссимиляция) и анаболизм (ассимиляция). Катаболизмом называют ферментативное расщепление крупных органических молекул, осуществляемое у всех высших организмов, как правило, окислительным путем. Катаболизм сопровождается освобождением энергии, заключенной в химических связях органических молекул, и резервированием ее в форме энергии фосфатных связей молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Анаболизм, напротив, представляет собой ферментативный синтез крупномолекулярных клеточных компонентов, таких, как полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки, липиды, а также некоторых их биосинтетических предшественников из более простых соединений. Анаболические процессы происходят с потреблением энергии. Процессы катаболизма и анаболизма происходят в клетках одновременно, неразрывно связаны друг с другом и являются обязательными компонентами одного общего процесса — метаболизма, в котором превращения веществ теснейшим образом переплетены с превращениями энергии. Катаболические и анаболические реакции различаются, как правило, локализацией в клетке. Например, окисление жирных кислот до углекислого газа и воды осуществляется с помощью набора митохондриальных ферментов, тогда как синтез жирных кислот катализирует другая система ферментов, находящихся в цитозоле. Именно благодаря разной локализации катаболические и анаболические процессы в клетке могут протекать одновременно. При этом все превращения органических веществ, процессы синтеза и распада взаимосвязаны, координированы и регулируются нейрогормональными механизмами, придающими химическим процессам нужное направление. В организме человека не существует самостоятельного обмена белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Все превращения объединены в целостный процесс метаболизма, допускающий также взаимопревращения между отдельными классами органических веществ. Подобные взаимопревращения диктуются физиологическими потребностями организма, а также целесообразностью замены одних классов органических веществ другими в условиях блокирования какого-либо процесса при патологии.
Согласно современным представлениям расщепление основных пищевых веществ в клетке представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций, составляющих три главные стадии катаболизма. На первой стадии полимерные органические молекулы распадаются на составляющие их специфические структурные блоки - мономеры. Так, полисахариды расщепляются до гексоз или пентоз, белки — до аминокислот, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов и нуклеозидов, липиды — до жирных кислот и глицерина. Эти реакции протекают в основном гидролитическим путем и количество энергии, освобождающейся на этой стадии, не превышает 1% от всей выделяемой в ходе катаболизма энергии, и почти целиком используется организмом в качестве тепла.
На второй стадии катаболизма продуктами химических реакций становятся еще более простые молекулы, унифицированные для углеводного, белкового и липидного обмена. по своему типу (гликолиз, катаболизм аминокислот, β-окисление жирных кислот соответственно). Принципиальным является то, что на второй стадии катаболизма образуются продукты, которые являются общими для обмена исходно разных групп веществ. Эти продукты представляют собой ключевые химические соединения, соединяющие разные пути метаболизма. К таким соединениям относятся, например, пируват (пировиноградная кислота), образующийся при распаде углеводов, липидов и многих аминокислот, ацетил-КоА, объединяющий катаболизм жирных кислот, углеводов и аминокислот, a-кетоглутаровая кислота, оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота), фумарат (фумаровая кислота) и сукцинат (янтарная кислота), образующиеся при трансформации аминокислот. Продукты, полученные на второй стадии катаболизма, вступают в третью стадию, которая известна как цикл трикарбоновых кислот (терминальное окисление, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса). На третьем этапе ацетил-КоА и некоторые другие метаболиты, например α-кетоглутарат, оксалоацетат, подвергаются окислению в цикле ди- и трикарбоновых кислот Кребса. Окисление сопровождается образованием восстановленных форм НАДН + Н+ и ФАДН2. Именно в ходе второй и третьей стадий катаболизма освобождается и аккумулируется в виде АТФ практически вся энергия химических связей подвергнутых диссимиляции веществ. При этом осуществляется перенос электронов от восстановленных нуклеотидов на кислород через дыхательную цепь, сопровождающийся образованием конечного продукта – молекулы воды. Транспорт электронов в дыхательной цепи сопряжен с синтезом АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.
Главным катаболическим процессом в обмене веществ принято считать биологическое окисление - совокупность реакций окисления, протекающих во всех живых клетках, - а именно дыхание и окислительное фосфорилирование. Интегральной характеристикой биологического окисления служит так называемый дыхательный коэффициент (RQ), который представляет собой отношение объема выделенного организмом углекислого газа к объему одновременно поглощенного кислорода. При окислении углеводов объем расходуемого кислорода соответствует объему образующегося углекислого газа и поэтому дыхательный коэффициент в этих случаях равен единице. При окислении жиров и белков такое соответствие отсутствует, поскольку кроме окисления углерода до углекислого газа часть кислорода расходуется на окисление водорода с образованием воды. Вследствие этого величины дыхательного коэффициента в случае окисления жиров и белков составляют соответственно около 0, 7 и 0, 8. Подавляющая часть белкового азота при окислении белка в организме переходит в мочевину. Поэтому по дыхательному коэффициенту и данным о количестве выделяемой мочевины можно определять соотношение участвующих в биологическом окислении углеводов, жиров и белков.
В процессе обмена веществ постоянно происходит превращение энергии: потенциальная энергия сложных органических соединений, поступивших с пищей, превращается в тепловую, механическую и электрическую. Энергия расходуется не только на поддержание температуры тела и выполнение работы, но и на воссоздание структурных элементов клеток, обеспечение их жизнедеятельности, роста и развития организма. Тем не менее, только часть получаемой при окислении белков, жиров и углеводов энергии используется для синтеза АТФ, другая, значительно большая, превращается в теплоту. Так, при окислении углеводов 22, 7% энергии химических связей глюкозы в процессе окисления используется на синтез АТФ, а 77, 3% в виде тепла рассеивается в тканях. Аккумулированная в АТФ энергия используемая в дальнейшем для механической работы, химических, транспортных, электрических процессов в конечном счете тоже превращается в теплоту. Следовательно, количество тепла, образовавшегося в организме, становится мерой суммарной энергии химических связей, подвергшихся биологическому окислению. Поэтому вся энергия, образовавшаяся в организме, может быть выражена в единицах тепла — калориях или джоулях.
Общий баланс энергии организма определяют на основании калорийности вводимых пищевых веществ и количества выделенного тепла, которое может быть измерено или рассчитано. При этом надо учитывать, что величина калорийности, получаемая при лабораторной калориметрии, может отличаться от величины физиологической калорической ценности, поскольку некоторые вещества в организме не сгорают полностью, а образуют конечные продукты обмена, способные к дальнейшему окислению. В первую очередь это относится к белкам, азот которых выделяется из организма главным образом в виде мочевины, сохраняющей некоторый потенциальный запас калорий. Очевидно, что калорическая ценность, дыхательный коэффициент и величина теплообразования для разных веществ различны. Физиологическая калорическая ценность (в ккал/г) составляет для углеводов — 4, 1; липидов — 9, 3; белков — 4, 1; величина теплообразования (в ккал на 1 литр потребленного кислорода) для углеводов составляет 5, 05; липидов — 4, 69; белков — 4, 49.
Процесс анаболизма по аналогии с катаболическими процессами также проходит три стадии. При этом исходными веществами для анаболических процессов служат продукты второй стадии и промежуточные соединения третьей стадии катаболизма. Таким образом вторая и третья стадии катаболизма являются в то же время первой, исходной стадией анаболизма и химические реакции, протекающие в данном месте и в данное время, выполняют по сути двойную функцию. С одной стороны, они являются основой завершающего этапа катаболизма, а с другой — служат инициацией для анаболических процессов, поставляя вещества-предшественники для последующих стадий ассимиляции. Подобным образом, например, начинается синтез белка. Исходными реакциями этого процесса можно считать образование некоторых a-кетокислот. На следующей, второй стадии в ходе реакций аминирования или трансаминирования эти кетокислоты превращаются в аминокислоты, которые на третьей стадии анаболизма объединяются в полипептидные цепи. В результате ряда последовательных реакций происходит также синтез нуклеиновых кислот, липидов и полисахаридов. Тем не менее следует подчеркнуть, что пути анаболизма не являются простым обращением процессов катаболизма. Это связано прежде всего с энергетическими особенностями химических реакций. Некоторые реакции катаболизма практически необратимы, поскольку их протеканию в обратном направлении препятствуют непреодолимые энергетические барьеры. Поэтому в ходе эволюции были выработаны другие, специфические для анаболизма реакции, где синтез олиго- и полимерных соединений сопряжен с затратой энергии макроэргических соединений, прежде всего – АТФ.
Читайте также: