Перетворення енергії у клітці

Живу клітину внутрішньо властива нестійка і майже неправдоподібна організація; клітина здатна зберігати дуже специфічну і прекрасну у своїй складності упорядкованість своєї тендітної структури лише завдяки безперервному споживанню енергії.

Як тільки надходження енергії припиняється, складна структура клітини розпадається і вона переходить у невпорядкований та позбавлений організації стан. Крім забезпечення хімічних процесів, необхідні підтримки цілісності клітини, у різних типах клітин з допомогою перетворення енергії забезпечується здійснення різноманітних механічних, електричних, хімічних і осмотичних процесів, що з життєдіяльністю організму.

Навчившись у порівняно недавній час видобувати енергію, укладену в різних неживих джерелах, для виконання різної роботи, людина почала осягати, як майстерно і з якою високою ефективністю здійснює перетворення енергії клітина. Перетворення енергії в живій клітині підпорядковується тим самим законам термодинаміки, які діють у неживій природі. Згідно з першим законом термодинаміки, загальна енергія замкнутої системи за будь-якої фізичної зміни завжди залишається постійною. Згідно з другим законом, енергія може існувати у двох формах: у формі «вільної», або корисної, енергії та у формі марної розсіюваної енергії. Той самий закон стверджує, що з будь-якому фізичному зміні спостерігається тенденція до розсіювання енергії, т. е. до зменшення кількості вільної енергії та до зростання ентропії. Тим часом жива клітина потребує постійного припливу вільної енергії.

Інженер отримує необхідну йому енергію головним чином з допомогою енергії хімічних зв'язків, що у паливі. Спалюючи пальне, він перетворює хімічну енергію на теплову; потім він може використовувати теплову енергію для обертання, наприклад, парової турбіни і таким чином одержати електричну енергію. Клітини також отримують вільну енергію за рахунок звільнення енергії хімічних зв'язків, що міститься в «пальному». Енергія запасається у цих зв'язках тими клітинами, які синтезують поживні речовини, які є таким пальним. Однак клітини використовують цю енергію вельми специфічним образом. Оскільки температура, коли жива клітина функціонує, приблизно постійна, клітина неспроможна використовувати теплову енергію, щоб виконувати роботу. Щоб за рахунок теплової енергії могла відбуватися робота, теплота повинна переходити від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Цілком ясно, що клітина не може спалювати своє пальне при температурі згоряння вугілля (900°); не може вона також витримати вплив перегрітої пари або струму високої напруги. Клітці доводиться видобувати та використовувати енергію в умовах досить постійної і до того ж низької температури, розбавленого йодного середовища та дуже незначних коливань концентрації водневих іонів. Щоб придбати можливість отримувати енергію, клітина протягом багатовікової еволюції органічного світу вдосконалювала свої чудові молекулярні механізми, які надзвичайно ефективно діють у цих м'яких умовах.

Механізми клітини, що забезпечують вилучення енергії, поділяються на два класи, і на підставі відмінності в цих механізмах всі клітини можна розбити на два основні типи.Клітини першого типу називають гетеротрофними; до них відносяться всі клітини організму людини та клітини всіх вищих тварин. Цим клітинам необхідний постійний приплив готового пального складного хімічного складу. Таким пальним служать їм вуглеводи, білки і жири, т. е. окремі складові інших клітин і тканин. Гетеротрофні клітини отримують енергію, спалюючи або окислюючи ці складні речовини (виробляються іншими клітинами) у процесі, який називається диханням і в якому бере участь молекулярний кисень (О₂) атмосфери. Гетеротрофні клітини використовують цю енергію для виконання своїх біологічних функцій, виділяючи при цьому в атмосферу двоокис вуглецю як кінцевий продукт.

Клітини, що належать до другого типу, називають автотрофними. Найбільш типові автотрофні клітини – це клітини зелених рослин. У процесі фотосинтезу вони пов'язують енергію сонячного світла, використовуючи її для потреб. Крім того, вони за допомогою сонячної енергії видобувають вуглець з атмосферного двоокису вуглецю та використовують його для побудови найпростішої органічної молекули – молекули глюкози. З глюкози клітини зелених рослин та інших організмів створюють складніші молекули, що входять до їх складу. Щоб забезпечити необхідну для цього енергію, клітини в процесі дихання спалюють частину сировини, що є в їх розпорядженні. З цього опису циклічних перетворень енергії в клітині стає зрозуміло, що всі живі організми в кінцевому рахунку отримують енергію від сонячного світла, причому рослинні клітини отримують її безпосередньо від сонця, а тварини – непрямим шляхом.

Вивчення основних поставлених у цій статті питань упирається у необхідність докладного опису первинного механізму вилучення енергії, що використовується клітиною. Більшість ступенів складних циклів дихання та фотосинтезу вже вивчена. Встановлено, у якому саме органі клітини відбувається той чи інший процес. Дихання здійснюється мітохондріями, що є у великій кількості майже у всіх клітинах; фотосинтез забезпечують хлоропласти — цитоплазматичні структури, які у клітинах зелених рослин. Молекулярні механізми, які знаходяться в цих клітинних утвореннях, складаючи їх структуру та забезпечуючи виконання їх функцій, є наступним важливим етапом у вивченні клітини.

Одні й самі добре вивчені молекули — молекули аденозинтрифосфата (АТФ) — переносять отриману з допомогою поживних речовин чи сонячного світла вільну енергію від центрів дихання чи фотосинтезу в усі ділянки клітини, забезпечуючи здійснення всіх процесів, які з споживанням енергії. Вперше АТФ було виділено із м'язової тканини Ломаном близько 30 років тому. Молекула АТФ містить три зв'язані між собою фосфатні групи. У пробірці кінцеву групу можна відокремити від молекули АТФ шляхом реакції гідролізу, внаслідок якої виходить аденозиндифосфат (АДФ) та неорганічний фосфат. У процесі цієї реакції вільна енергія молекули АТФ перетворюється на теплову енергію, а ентропія при цьому відповідно до другого закону термодинаміки зростає. У клітині, однак, кінцева фосфатна група в процесі гідролізу не просто відокремлюється, але переноситься на особливу молекулу, яка є акцептором.Значна частина вільної енергії молекули АТФ при цьому зберігається завдяки фосфорилювання молекули-акцептора, яка тепер за рахунок збільшеної енергії набуває можливість брати участь у процесах, що протікають із споживанням енергії, наприклад, у процесах біосинтезу або м'язового скорочення. Після відщеплення однієї фосфатної групи у процесі цієї сполученої реакції АТФ перетворюється на АДФ. У термодинаміці клітини АТФ можна як багату енергією, чи «заряджену», форму носія енергії (аденозинфосфата), а АДФ — як бідну енергією, чи «розряджену», форму.

Вторинна «зарядка» носія проводиться, звичайно, тим чи іншим з двох механізмів, що беруть участь у вилученні енергії. У процесі дихання тварин клітин енергія, що міститься в поживних речовинах, звільняється в результаті окислення і витрачається на побудову АТФ з АДФ та фосфату. При фотосинтезі рослинних клітинах енергія сонячного світла перетворюється на хімічну енергію і витрачається на «зарядку» аденозинфосфата, т. е. освіту АТФ.

Експерименти з використанням радіоактивного ізотопу фосфору (Р 32 ) показали, що неорганічний фосфат з великою швидкістю включається в кінцеву групу фосфатну АТФ і знову виходить з неї. У клітині нирки оновлення кінцевої фосфатної групи відбувається так швидко, що її період напівперетворення займає менше 1 хвилини; це відповідає надзвичайно інтенсивному обміну енергії у клітинах цього органу. Слід додати, що діяльність АТФ у живій клітині – аж ніяк не чорна магія. Хімікам відомі багато аналогічних реакцій, за допомогою яких відбувається перенесення хімічної енергії в неживих системах.Порівняно складна структура АТФ, мабуть, виникла лише у клітині — задля забезпечення найефективнішої регуляції хімічних реакцій, що з перенесенням енергії.

Роль АТФ у фотосинтезі вдалося з'ясувати лише нещодавно. Це відкриття дозволило значною мірою пояснити, як фотосинтезуючі клітини у процесі синтезу вуглеводів пов'язують сонячну енергію — первинне джерело енергії всіх живих істот.

Енергія сонячного світла передається як фотонів, чи квантів; світло різного забарвлення, чи різної довжини хвилі, характеризується різною енергією. При падінні світла деякі металеві поверхні і поглинанні його цими поверхнями фотони внаслідок зіткнення з електронами металу передають їм свою енергію. Цей фотоелектричний ефект можна виміряти завдяки електричному струму, що виникає при цьому. У клітинах зелених рослин сонячне світло з певними довжинами хвиль поглинається зеленим пігментом – хлорофілом. Поглинена енергія переводить електрони у складній молекулі хлорофілу з основного енергетичного рівня більш високий рівень. Подібні збуджені електрони прагнуть знову повернутися на свій основний стабільний енергетичний рівень, віддаючи при цьому поглинену ними енергію. У чистому препараті хлорофілу, виділеного з клітини, поглинена енергія знову випромінюється у формі видимого світла, аналогічно тому, як це відбувається у разі інших фосфоресцентних або флуоресціюючих органічних та неорганічних сполук.

Таким чином, хлорофіл, перебуваючи в пробірці, сам по собі не здатний запасати або використовувати енергію світла; енергія ця швидко розсіюється, якби сталося коротке замикання.Однак у клітині хлорофіл стерично пов'язані з іншими специфічними молекулами; тому, коли він під впливом поглинання світла приходить у збуджений стан, «гарячі», або багаті на енергію, електрони не повертаються у свій нормальний (незбуджений) енергетичний стан; натомість електрони відриваються від молекули хлорофілу і переносяться молекулами — переносниками електронів, які передають їх один одному замкненим ланцюгом реакцій. Здійснюючи цей шлях поза молекулою хлорофілу, збуджені електрони поступово віддають свою енергію і повертаються на свої колишні місця в молекулі хлорофілу, яка після цього виявляється готовою до поглинання другого фотона. Тим часом енергія, віддана електронами, використовується на утворення АТФ з АДФ та фосфату — іншими словами, на зарядку аденозинфосфатної системи фотосинтезуючої клітини.

Переносники електронів, які є посередниками у процесі фотосинтетичного фосфорилювання, ще цілком встановлено. Один із таких переносників, мабуть, містить рибофлавін (вітамін В₂) та вітамін К. Інші попередньо віднесені до цитохромів (білки, що містять атоми заліза, оточені порфіриновими групами, які за розташуванням та будовою нагадують порфірин самого хлорофілу). Принаймні два з цих переносників електронів здатні забезпечити зв'язування частини енергії, що переноситься ними, для відновлення АТФ з АДФ.

Така основна схема перетворення енергії світла на енергію фосфатних зв'язків АТФ, розроблена Д. Арноном та іншими вченими.

Однак у процесі фотосинтезу відбувається, крім зв'язування сонячної енергії, ще синтез вуглеводів.В даний час вважають, що деякі з гарячих електронів збудженої молекули хлорофілу разом з іонами водню, що походять з води, викликають відновлення (тобто отримання додаткових електронів або атомів водню) одного з переносників електронів - трифосфопіридиннуклеотиду (ТПН, у відновленій формі ТНН-Н).

В процесі ряду темнових реакцій, названих так тому, що вони можуть відбуватися без світла, ТПН-Н викликає відновлення двоокису вуглецю до вуглеводу. Більшу частину необхідної цих реакцій енергії доставляє АТФ. Характер цих темнових реакцій досліджено переважно М. Кальвіном та її співробітниками. Одним із побічних продуктів початкового фотовідновлення ТПН служить іон гідроксилу (ОН - ). Хоча ми ще не маємо повних даних, передбачається, що цей іон віддає свій електрон одному з цитохромів у ланцюзі фотосинтетичних реакцій, кінцевим продуктом яких виявляється молекулярний кисень. Електрони рухаються ланцюгом переносників, вносячи свій енергетичний внесок у освіту АТФ, і, зрештою розтративши всю надмірну енергію, потрапляють у молекулу хлорофілу.

Як і слід очікувати на підставі строго закономірного і послідовного характеру процесу фотосинтезу, молекули хлорофілу розташовані в хлоропластах не безладно і, звичайно, не просто суспендовані в наповнює хлоропласти рідини. Навпаки, молекули хлорофілу утворюють у хлоропластах упорядковані структури — грани, між якими розташовується переплетення волокон або мембран, що розділяє їх.Усередині кожної грани плоскі молекули хлорофілу лежать стосами; кожну молекулу вважатимуться аналогічної окремої платівці (електроду) елемента, грани — елементам, а сукупність гран (т. е. весь хлоропласт) — електричної батареї.

Хлоропласти містять також всі ті спеціалізовані молекули — переносники електронів, які разом із хлорофілом беруть участь у вилученні енергії з гарячих електронів і використовують цю енергію для синтезу вуглеводів. Вилучені із клітини хлоропласти можуть здійснювати весь складний процес фотосинтезу.

Ефективність цих мініатюрних фабрик, що працюють на сонячній енергії, вражає. У лабораторії за дотримання деяких спеціальних умов можна показати, що в процесі фотосинтезу до 75% світла, що падає на молекулу хлорофілу, перетворюється на хімічну енергію; щоправда, цифру цю не можна вважати цілком точною, і з цього приводу ще дебати. У полі внаслідок неоднакової освітленості листя сонцем, а також з інших причин ефективність використання сонячної енергії набагато нижча — близько кількох відсотків.

Таким чином, молекула глюкози, що є кінцевим продуктом фотосинтезу, повинна містити досить значну кількість сонячної енергії, укладеної в її молекулярній конфігурації. У процесі дихання гетеротрофні клітини витягують цю енергію, поступово розщеплюючи молекулу глюкози, з тим щоб «законсервувати» енергію, що містилася в ній, у знову утворюються фосфатних зв'язках АТФ.

Існують різні типи гетеротрофних клітин.Одні клітини (наприклад, деякі морські мікроорганізми) можуть жити без кисню; іншим (наприклад, клітинам мозку) кисень абсолютно необхідний; треті (наприклад, м'язові клітини) більш різнобічні та здатні функціонувати як за наявності кисню в середовищі, так і за його відсутності. Крім того, хоча більшість клітин воліє використовувати як основне паливо глюкозу, деякі з них можуть існувати виключно за рахунок амінокислот або жирних кислот (головною сировиною для синтезу яких служить та ж глюкоза). Проте розщеплення молекули глюкози у клітинах печінки вважатимуться прикладом процесу отримання енергії, типовим більшість відомих нам гетеротрофів.

Загальну кількість енергії, що міститься в молекулі глюкози, визначити дуже просто. Спалюючи певну кількість (пробу) глюкози в лабораторії, можна показати, що при окисленні молекули глюкози утворюється 6 молекул води і 6 молекул двоокису вуглецю, причому реакція супроводжується виділенням енергії у вигляді тепла (приблизно 690 000 калорій на 1 грам-молекулу). . на 180 грамів глюкози). Енергія у формі тепла, звичайно, марна для клітини, яка функціонує за практично постійної температури. Поступове окислення глюкози в процесі дихання відбувається, однак, таким чином, що більша частина вільної енергії молекули глюкози зберігається у зручній для клітини формі.

У результаті клітина отримує понад 50% всієї звільненої при окисленні енергії у формі енергії фосфатних зв'язків. Такий високий к. п. буд.вигідно відрізняється від того, що зазвичай досягається в техніці, де рідко вдається перетворити на механічну або електричну енергію більше однієї третини теплової енергії, що отримується при згорянні палива.

Процес окислення глюкози у клітині ділиться на дві основні фази. Під час першої, або підготовчої фази, званої гліколізом, відбувається розщеплення шестивуглецевої молекули глюкози на дві тривуглецеві молекули молочної кислоти. Цей, здавалося б, простий процес складається не з одного, а щонайменше з 11 ступенів, причому кожен ступінь каталізується своїм спеціальним ферментом. Може здатися, що складність цієї операції суперечить афоризму Ньютона Natura entm simplex esi (природа проста); однак слід пам'ятати, що призначення цієї реакції полягає не в тому, щоб просто розщепити молекулу глюкози навпіл, а в тому, щоб виділити з цієї молекули енергію, що міститься в ній. Кожен із проміжних продуктів містить фосфатні групи, й у результаті процесі реакції застосовуються дві молекули АДФ і дві фосфатні групи. У результаті розщеплення глюкози утворюється як дві молекули молочної кислоти, але, ще, ще дві нові молекули АТФ.

Навіщо це призводить в енергетичному вираженні? Термодинамічні рівняння свідчать, що з розщепленні однієї грам-молекули глюкози з утворенням молочної кислоти виділяється 56 000 калорій. Оскільки при утворенні кожної грам-молекули АТФ зв'язується 10000 калорій, ефективність процесу уловлювання енергії становить на цій сходинці близько 36% - дуже велика цифра, якщо виходити з того, з чим зазвичай доводиться мати справу в техніці.Однак ці 20 000 калорій, перетворені на енергію фосфатних зв'язків, є лише мізерною частиною (близько 3%) всієї енергії, укладеної в грам-молекулі глюкози (690 000 калорій). Тим часом багато клітин, наприклад, анаеробні клітини або м'язові клітини, що перебувають у стані активності (і в цей час нездатні до дихання), існують за рахунок цього нікчемного за своєю ефективністю використання енергії.

Після розщеплення глюкози до молочної кислоти аеробні клітини продовжують отримувати більшу частину енергії, що залишилася, в процесі дихання, під час якого тривуглецеві молекули молочної кислоти розщеплюються на одновуглецеві молекули двоокису вуглецю. Молочна кислота, або, вірніше, її окислена форма — піровиноградна кислота, зазнає ще складніших реакцій, причому кожна з цих реакцій знову-таки каталізується особливою ферментною системою. Спочатку тривуглецева сполука розпадається з утворенням активованої форми оцтової кислоти (ацетилкоферменту А) та двоокису вуглецю. Потім «двовуглецевий фрагмент» (ацетилкофермент А) з'єднується з чотиривуглецевим з'єднанням, щавлевооцтовою кислотою, в результаті чого виходить лимонна кислота, що містить шість атомів вуглецю. Лимонна кислота в процесі низки реакцій знову перетворюється на щавлевооцтову кислоту, і три вуглецевих атоми піровіноградної кислоти, «подані» в цей цикл реакцій, зрештою дають молекули двоокису вуглецю. Цей «млин», який «перемелює» (окислює) не тільки глюкозу, але також молекули жирів та амінокислот, попередньо розщеплені до оцтової кислоти, відомий під назвою циклу Кребса або циклу лимонної кислоти.

Вперше цикл було описано Р.Кребсом в 1937 р. Відкриття це є одним із наріжних каменів сучасної біохімії, і його автор був удостоєний в 1953 р. Нобелівської премії.

Цикл Кребса дозволяє простежити окиснення молочної кислоти до двоокису вуглецю; однак одним цим циклом не можна пояснити, яким чином ув'язнені в молекулі молочної кислоти велику кількість енергії вдається отримати у формі, придатній для використання в живій клітині. Цей процес вилучення енергії, що супроводжує цикл Кребса, останніми роками інтенсивно вивчається. Загальна картина більш-менш з'ясувалась, проте багато деталей ще слід досліджувати. Очевидно, протягом циклу Кребса електрони з участю ферментів відриваються від проміжних продуктів і передаються з низки молекул-переносників, об'єднуються під загальною назвою дихальної ланцюга. Цей ланцюг ферментних молекул є кінцевим загальним шляхом усіх електронів, відторгнутих від молекул поживних речовин у процесі біологічного окислення. В останній ланці цього ланцюга електрони з'єднуються з киснем і утворюється вода. Таким чином, розпад поживних речовин при диханні є процесом, зворотним процесу фотосинтезу, при якому видалення електронів з води призводить до утворення кисню. Більше того, переносники електронів у дихальному ланцюгу хімічно дуже подібні до відповідних переносників, що беруть участь у процесі фотосинтезу. Серед них є, наприклад, рибофлавінові та цитохромні структури, подібні до аналогічних структур хлоропласту. Тим самим було підтверджується афоризм Ньютона про простоту природи.

Як і при фотосинтезі, енергія електронів, що переходять по цьому ланцюгу до кисню, уловлюється та використовується для синтезу АТФ із АДФ та фосфату. Власне кажучи, це фосфорилювання (окислювальне фосфорилювання), що відбувається в дихальному ланцюгу, вивчено краще, ніж фосфорилювання, що відбувається при фотосинтезі, яке відкрито порівняно недавно. Твердо встановлено, наприклад, існування дихального ланцюга трьох центрів, у яких відбувається «зарядка» аденозинфосфата, тобто. е. освіта АТФ. Таким чином, на кожну пару електронів, що відщеплені від молочної кислоти протягом циклу Кребса, утворюється в середньому по три молекули АТФ.

На підставі загального виходу АТФ в даний час можна розрахувати термодинамічну ефективність, з якої клітина отримує енергію, що стала їй доступною завдяки окисленню глюкози. Попереднє розщеплення глюкози на дві молекули молочної кислоти дає дві молекули АТФ. Кожна молекула молочної кислоти зрештою передає в дихальний ланцюг шість пар електронів. Оскільки кожна пара електронів, що проходить ланцюгом, викликає перетворення трьох молекул АДФ в АТФ, в процесі власне дихання утворюється 36 молекул АТФ. При утворенні кожної грам-молекули АТФ зв'язується, як ми вже вказували, близько 10 000 калорій і, отже, 38 грам-молекул АТФ пов'язують приблизно 380 000 з 690 000 калорій, що містилися у вихідній грам-молекулі глюкози. Ефективність сполучених процесів гліколізу та дихання можна, таким чином, вважати рівною принаймні 55%.

Надзвичайна складність процесу дихання служить ще однією вказівкою на те, що ферментні механізми, що беруть участь у ньому, не могли б функціонувати, якби складові були просто перемішані в розчині. Подібно до того, як молекулярні механізми, пов'язані з фотосинтезом, мають певну структурну організацію і укладені в хлоропласті, так і органи дихання клітини — мітохондрії — є такою ж структурно впорядкованою системою.

У клітині залежно від її типу та характеру її функції може перебувати від 50 до 5000 мітохондрій (клітинка печінки містить, наприклад, близько 1000 мітохондрій). Вони досить великі (3-4 мікрони в довжину), щоб їх можна було бачити у звичайний мікроскоп. Однак ультраструктура мітохондрій помітна лише в електронному мікроскопі.

На електронних мікрофотографіях можна побачити, що мітохондрія має дві мембрани, причому внутрішня мембрана утворює складки, що входять у тіло мітохондрії. Проведене нещодавно дослідження мітохондрій, виділених із клітин печінки, показало, що молекули ферментів, що беруть участь у циклі Кребса, розташовані в матриксі, або розчинній частині внутрішнього вмісту мітохондрій, тоді як ферменти дихального ланцюга у формі молекулярних «ансамблів» розташовані в мембранах. Мембрани складаються з шарів молекул білка і ліпідів (жирів), що чергуються; таку ж будову мають мембрани у гранах хлоропластів.

Таким чином, існує явна подібність у будові цих двох головних "силових станцій", від яких залежить вся життєдіяльність клітини, бо одна з них "запасає" сонячну енергію у фосфатних зв'язках АТФ, а інша перетворює енергію, укладену в поживних речовинах, на енергію АТФ .

Успіхи сучасної хімії та фізики дозволили нещодавно уточнити просторову будову деяких великих молекул, наприклад молекул ряду білків і ДНК, тобто молекул, що містять генетичну інформацію.

Наступний важливий етап вивчення клітини полягає в тому, щоб з'ясувати розташування великих ферментних молекул (які самі являють собою білки) у мембранах мітохондрій, де вони знаходяться разом з ліпідами - розташування, що забезпечує належну орієнтацію кожної молекули каталізатора та можливість її взаємодії з наступною ланкою всього робітника механізму. «Монтажна схема» мітохондрії вже зрозуміла!

Сучасні відомості щодо силових установок клітини показують, що вона залишає далеко позаду як класичну енергетику, а й нові, набагато блискучі досягнення техніки.

Електроніка досягла разючих успіхів у компонуванні та зменшенні розмірів складових елементів лічильно-вирішальних пристроїв. Проте всі ці успіхи не йдуть ні в яке порівняння з зовсім неймовірною мініатюрністю найскладніших механізмів перетворення енергії, вироблених у процесі органічної еволюції та наявних у кожній живій клітині.

• Обмін енергії у клітці
• Порушення енергетичного забезпечення біологічних процесів у клітині
• Обмін енергії
• Похідні нуклеотидів
• Джерела енергії руху сперміїв
• Передача механічної енергії
• Енергетичний баланс дихання
• Роль сонячної енергії у житті організмів
• Хімізм бродіння
• Живлення мікроорганізмів та джерела використовуваної енергії

Потоки речовини, енергії та інформації в клітині

У живій клітці відбуваються численні процеси. Серед них можна виділити потоки інформації, енергії та речовин.Хоча це не єдині механізми, які існують у клітині для забезпечення життєдіяльності, вони є основними.

Три потоки складаються в сукупність взаємозалежних метаболічних процесів. У цьому певні процеси пов'язані з конкретними клітинними структурами, упорядковані у часі та просторі.

Потік інформації у клітці

Завдяки потоку інформації клітина набуває структури живого, вироблену еволюцією її предків. Також потік інформації забезпечує підтримку процесів життєдіяльності в клітині, передачу інформації про клітинну структуру та функціональність у ряді поколінь.

У клітині інформація зберігається в ДНК хромосом, які у еукаріотів локалізовані в ядрі. Такі макромолекули та структури як мРНК, тРНК, рибосоми, різні ферменти переносять інформацію до цитоплазми та здійснюють її трансляцію, що можна розуміти як реалізацію інформації.

Синтезовані поліпептиди приймають третинну та четвертинну структуру і переважно використовуються як ферменти або структурні білки.

У потоці інформації в клітинах еукаріотів також беруть участь геноми мітохондрій та хлоропластів.

Потік енергії

Потік енергії у клітині забезпечується дихальним обміном, фотосинтезом, хемосинтезом, бродінням. Останні три процеси характерні лише певних груп організмів.

Дихальний обмін включає реакції розщеплення органічних речовин: глюкози, жирних кислот, амінокислот. Енергія, що виділяється у цих реакціях, йде на синтез висококалорійних молекул АТФ.

Згодом енергія АТФ перетворюється на будь-яку роботу: здійснюється синтез речовин, підтримується осмос, рух та інших. Так у клітинах поперечно-полосатой мускулатури система, що з скоротливих білків і ферменту аденозинтрифосфатази, розщеплює АТФ.Енергія, що вивільняється при цьому, використовується для виконання механічного руху.

АТФ належить до групи макроергічних сполук. Вони енергія, запасена в хімічних зв'язках, доступна використання у біологічних процесах.

Головний клітинний органоїд дихального обміну, отже, і потоку енергії, – мітохондрія. У ній відбувається окисне фосфорилювання, що призводить до синтезу великої кількості молекул АТФ. Однак у цитоплазмі протікає важливий етап дихального обміну – гліколіз – анаеробне розщеплення глюкози.

При гліколіз глюкоза окислюється в повному обсязі, витягується лише близько 10% ув'язненої у її зв'язках енергії. Продукт гліколізу - піруват - надходить для подальшого окислення в мітохондрії. Тут протікає аеробне (з участю молекулярного кисню) дихання.

У рослинних клітинах у потоці енергії також бере участь фотосинтез, у якому відбувається перетворення енергії світла на енергію хімічних зв'язків.

Енергетичні процеси у клітинах дуже ефективні. Коефіцієнт корисної дії мітохондрій може досягати 60%.

Потік речовин у клітині

У клітинах потік речовин тісно пов'язані з реакціями дихального обміну, які крім постачання енергії забезпечують клітину речовинами, необхідні синтезу різноманітних сполук. Такими будівельними блоками є багато продуктів розщеплення поживних речовин.

Потік речовин поєднує метаболічні шляхи розщеплення та синтезу вуглеводів, жирів, білків та нуклеїнових кислот.

Велика різноманітність будівельних блоків постачає цикл Кребса, що функціонує в матриксі мітохондрій. Через нього проходять багато сполук, які є проміжними продуктами синтезу основних молекул клітини.

У циклі Кребса відбувається вибір шляху перетворення певної сполуки, перемикання обміну клітини з одного шляху на інший, наприклад, з вуглеводного на жировий.

Загалом потік речовин у клітині можна як надходження до неї одних речовин, з розщеплення, синтез необхідних речовин і виведення з клітини непотрібних їй речовин.