6. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ

• Каковы основные признаки живого?
• Как осуществляется обмен веществ и энергии в клетке?

Будучи живыми системами, все клетки являются открытыми системами, т. е. непрерывно обмениваются с окружающей средой веществом и энергией. Обмен веществом и энергией называют метаболизмом. На уровне клетки метаболизм разделяют на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм) (рис. 23).

Ассимиляция — это все процессы выработки клеткой необходимых ей веществ из более простых соединений, поступающих в клетку извне, например с пищей. Иными словами, ассимиляция — это реакции биологического синтеза в клетке. На эти реакции затрачивается энергия. Откуда же эта энергия берётся? Энергия образуется в самой клетке в результате диссимиляции.

Диссимиляция — это весь набор превращений крупных органических молекул в простые вещества вплоть до С02 и Н20. В результате диссимиляции выделяется энергия, и некоторое её количество запасается в виде химических связей в особых молекулах. Но значительная часть образующейся энергии рассеивается в виде тепла, хотя коэффициент полезного действия в биологических системах гораздо выше, чем в каких-либо машинах, созданных человеком.

Реакции метаболизма, происходящие в клетке, проходят с участием биологических катализаторов — ферментов. Каждый фермент катализирует только строго определённую реакцию и может ускорять её в тысячи и даже миллионы раз.

В нормальных условиях в здоровой клетке реакции ассимиляции и диссимиляции сбалансированы, т. е. сколько энергии клетка накопила в результате диссимиляции, столько энергии она может потратить на ассимиляцию. Если же клетка затронута болезнью, то этот баланс нарушается. Конечно, в разные периоды своей жизни клетке приходится многократно менять уровень своей активности, например, очень много энергии уходит на деление клеток, а значит, необходимо заранее подготовиться к этому процессу и запасти вещества и энергию. Очень много энергии расходуют нервные клетки: масса мозга человека менее 2 кг, а на его работу тратится около 20% энергии организма. При этом в клетках мозга совсем нет запаса питательных веществ, и лишение мозга необходимой для его питания глюкозы всего на одну минуту может привести к потере сознания.

Любым клеткам для жизнедеятельности необходимы питательные вещества. Окисляя их, клетки получают энергию, а кроме того, из этих веществ формируются все структуры клетки, например наружная мембрана, органоиды и т. п. Процесс получения веществ для обеспечения жизнедеятельности называют питанием.

Ещё в ту далёкую эпоху, когда жизнь на Земле только зарождалась, произошло разделение клеток. Одни из них питались готовыми органическими веществами, поглощая их из окружающей среды. Такой способ питания называют гетеротрофным. По пути гетеротрофов пошли многие бактерии, грибы, животные. А вот другие клетки смогли получать энергию извне и за её счёт синтезировать необходимые органические соединения. По этому пути питания, названному автотрофным, пошли некоторые бактерии и растения. Причём некоторые клетки этих организмов освоили очень сложный путь захвата и использования энергии солнечного света. Такой вариант автотрофного питания называют фотосинтезом.

Всегда надо учитывать, что в процессе многочисленных реакций метаболизма, особенно в ходе диссимиляции, образуются ненужные и даже опасные вещества, например С02 и некоторые азотистые соединения, которые необходимо непрерывно выводить из клеток и далее из организма, иначе клеткам будет нанесён непоправимый вред. Выведенный из клетки избыток воды, С02 и азотистые соединения транспортируются кровью в выделительную систему организма: вода и соединения азота выводятся из организма с мочой или через кожу с потом, а углекислый газ выходит через лёгкие. У растений же удаление избытка влаги происходит через устьица.

Запомнить: открытые системы; метаболизм; ассимиляция, диссимиляция; гетеротрофы, автотрофы; фотосинтез.

Выводы

Все клетки обладают метаболизмом, т. е. обмениваются с окружающей средой веществами и энергией. Метаболизм включает в себя ассимиляцию — реакции синтеза клеткой веществ с затратами энергии и диссимиляцию — реакции окисления в клетке веществ с выделением энергии. Реакции метаболизма происходят с участием биологических катализаторов — ферментов.

ДУМАЙ, ДЕЛАЙ ВЫВОДЫ, ДЕЙСТВУЙ

Проверь свои знания

1. Что такое метаболизм?
2. В чём суть процесса ассимиляции (анаболизма)?
3. Что такое диссимиляция (катаболизм)?
4. Какова роль питания для организма?
5. Какова роль ферментов в организме?

Выполни задания

1. Сравните процессы ассимиляции и диссимиляции.
2. Перечислите известные вам автотрофные и гетеротрофные организмы.

Обсуди с товарищами

Что может произойти с клеткой, если в её обменных процессах будут преобладать реакции анаболизма (катаболизма)?

Выскажи мнение

Согласны ли вы со следующим утверждением: «Клетка — открытая система»? Ответ аргументируйте.

ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ

• Возможно, первые живые системы на Земле представляли собой симбиоз клеток-автотрофов и клеток-гетеротрофов. Плёнки, состоящие из таких клеток, были найдены учёными на небольших глубинах в Тихом океане, недалеко от берегов Австралии. Эти сообщества микроорганизмов были названы бактериальными матами.
• Некоторые растения научились сочетать автотрофное питание (фотосинтез) с гетеротрофными. Известно, что росянка, обитающая на бедных болотистых почвах, часто испытывает недостаток в азоте. Для восполнения азота росянка стала ловить насекомых и переваривать их. Но если это растение пересадить на почвы, богатые перегноем, оно перестаёт быть хищником, поскольку там ему хватает азотистых соединений, всасываемых корнями.