Полная версия

Главная arrow География arrow БИОЛОГИЯ: КЛЕТКИ И ТКАНИ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Функции клеточного дыхания и законы биоэнергетики

Большой вклад в изучение биоэнергетики клетки внес Российский ученый, академик РАН Владимир Петрович Скулачев — основатель Российской научной школы по биоэнергетике. Изучая структуру биологических мембран про- и эукариот, он выдвинул ряд гипотез относительно эволюции биоэнергетических механизмов клетки, функций клеточного дыхания, значения кислорода в работе клеток и ряд других интересных идей. Они очень важны для понимания существа биологических процессов в природе.

Функции клеточного дыхания:

  • 1) главной функцией является запасание энергии в форме высоко- эргичных связей молекул АТФ, ГТФ, НАДФ и др.;
  • 2) использование энергии протонного потенциала не только для синтеза АТФ, но и для выделения тепла и терморегуляции. Показано, что образующиеся при ферментном гидролизе жиров анионы жирных кислот связывают в межмембранном пространстве ионы водорода, которые туда перекачивает дыхательная цепь митохондрии, а затем транспортирует их обратно в матрикс митохондрии, минуя АТФ-синтетазу. Здесь ионы водорода отсоединяются от аниона жирной кислоты, и он с помощью специальных мембранных белков-пере- носчиков возвращается в межмембранное пространство митохондрии и далее в цитоплазму клетки. Происходит разобщение цепей клеточного дыхания и синтеза АТФ — энергия тратится на выделение тепла, что особенно необходимо для поддержания постоянной температуры тела теплокровных животных при охлаждении. Для этого в организме млекопитающих есть даже специальная жировая ткань — так называемый бурый жир. В его клетках очень много митохондрий, которые принимают участие в выработке тепла;
  • 3) участие клеточного дыхания в синтезе некоторых биологически активных соединений в клетке. Оказалось, что синтез стероидных гормонов в клетках коры надпочечников из молекул холестерина идет путем окисления этой молекулы в митохондриях. Для этого используется часть кислорода и специальная дыхательная цепь переносчиков протонов и электронов, не связанная с синтезом АТФ. Такие же процессы проходят при синтезе жиров из углеводов;
  • 4) кислород с помощью системы специальных ферментов-цитохро- моксидаз участвует в удалении вредных веществ из клетки. При этом данная цепь окислительных реакций также не связана с образованием АТФ и локализована она не в митохондриях, а в мембранах эндоплазматической сети. Окисленные органические молекулы затем выводятся почками или расщепляются дальше;
  • 5) кислород, как ни парадоксально это звучит, не только основа аэробного обмена клеток, но и опасное вещество для клетки. Избыток кислорода или нарушение в дыхательных цепях митохондрий может привести к образованию большого количества активных форм кислорода (АФК), которые «вмешиваются» во множество биохимических реакций клетки и способствует образованию перекиси водорода Н202. При разложении перекись формирует свободные радикалы, например, супероксид анион — 02_ или гидроксид-радикал — ОН., которые являются сильнейшими окислителями, способными окислить любое органическое вещество в клетке, включая ДНК и РНК. Повреждение «главных молекул клетки» — это мутации, которые могут привести к гибели клетки или к изменению ее свойств и функций, вплоть до ракового перерождения.

Еще одним сильным радикалом в живых системах является оксид азота — N0°. Он образуется ферментом NO-синтазой и встречается в гладких мышцах, нейронах и клетках крови. В норме оксид азота участвует в ряде физиологических процессов как сигнальная молекула. Однако взаимодействие с суперокидом-анионом кислорода приводит к образованию пероксинитрита, способного разрушать клеточные структуры и вызывать смерть клетки:

В основном радикалы действуют по пути перикисного окисления мембранных липидов, что и является причиной повреждения или смерти клеток.

К счастью, в клетке есть ряд механизмов защиты от активных форм кислорода. Защита клетки от АФК осуществляется несколькими антиоксидантными ферментами (супероксиддисмутазой, каталазой, перок- сидазой); белками (ферритин, трансферин, лактоферин) и витаминами (Е, А, С).

Необходимо подчеркнуть, что свободные радикалы оказывают и положительное действие на клетки и весь организм. Это воспалительная реакция, в которой макрофаги и нейтрофилы генерируют активные формы кислорода (супероксид-анион, гидропероксид, гипохлорит) губительно действующие на инфекцию. Многие радикалы регулируют кровоток в органах (особенно в головном мозге).

Подводя итог разговора об энергетическом метаболизме клетки можно выделить три главных закономерности этого процесса, сформулированные кратко и очень четко акад. В. П. Скулачевым в виде так называемых законов биоэнергетики. Этим законам подчиняются все живые существа на Земле, независимо от типа питания, источников энергии и способов ее добычи.

Первый закон. Клетки не используют энергию внешних источников (свет, органические и неорганические соединения) напрямую для выполнения работы. Они превращают «внешнюю» энергию сначала в один из видов внутриклеточной энергии: молекулы АТФ или протонный потенциал (Дц Н+) или натриевый потенциал (Дц Na+).

Второй закон. Любая клетка всегда может в данный момент обладать и использовать, по меньшей мере, два источника энергии: водорастворимые молекулы АТФ в цитоплазме и связанные с мембранами ионные потоки (Дц Н+ или Дц Na+).

Третий закон. Все виды энергии в клетке могут взаимно превращаться друг в друга. Поэтому, получение клеткой энергии за счет какого- либо одного источника может обеспечить ее жизнедеятельность.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что такое незаменимые аминокислоты. У каких живых организмов нет дефицита аминокислот?

  • 2. Как человек восполняет недостаток аминокислот, необходимых для синтеза белка?
  • 3. Что такое генетический код?
  • 4. Перечислите основные свойства генетического кода.
  • 5. Назовите основные этапы синтеза белка. Что такое факторы трансляции и какова их роль на разных этапах этого процесса?
  • 6. Почему начало синтеза белка (узнавание инициирующего кодона на иРНК) должно быть абсолютно точным? Что произойдет при нарушении этого правила?
  • 7. Сравните процессы трансляции у про- и эукариот.
  • 8. Где в эукариотической клетке происходит синтез липидов и какова их дальнейшая судьба в клетке?
  • 9. Какими гормонами контролируется углеводный обмен?
  • 10. Почему кислородный фотосинтез идет в две стадии? Охарактеризуйте их.
  • 11. перечислите принципиальные отличия оксигенного фотосинтеза (кислородного) от аноксигенного (бескислородного).
  • 12. Чем различаются фотосинтез типа СЗ и С4? В чем преимущества фотосинтеза типа С4?
  • 13. Дайте определение гликолиза и напишите его формулу.
  • 14. Что такое брожение? Каковы его основные типы?
  • 15. Опасны ли для человека бактерии брожения?
  • 16. Что такое «анаэробное дыхание»? Какие бактерии используют этот тип обмена и каково их значение в природе?
  • 17. Какие разновидности митохондрий есть у эукариот? Почему митохондрии называют «полуавтономными» органоидами клетки?
  • 18. Чем мембранное фотофосфорилирование отличается от окислительного мембранного фосфорилирования?
  • 19. Какой вид энергии используются в митохондрии при синтезе АТФ?
  • 20. В чем сходство и различия между митохондриями и хлоропластами?
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>