энергией с окружающей средой. Различают внешний обмен — поглощение и выделение веществ, и внутренний обмен — химические превращения этих веществ в клетке. Обмен веществ (метаболизм) включает непрерывный синтез (анаболизм) и частичное разрушение (катаболизм) компонентов живого организма.

Само по себе существование такого сложного состояния материи, как «жизнь», требует затраты энергии (поддерживающая энергия—1.2.2; 1.2.5). Любая работа, выполняемая клеткой, например поглощение веществ («осмотическая» работа), двигательные реакции, расширенное воспроизведение живой материи, требует дополнительной энергии (функциональная энергия). Всю эту энергию доставляют высокоэнергетические соединения, прежде всего АТР (1.2.7; рис. 4.1).

Высокоэнергетические соединения, такие как АТР, получают свой запас энергии благодаря диссимиляции, т. е. экзергониче-ским процессам расщепления органических веществ (углеводов, жиров, белков) — процессам катаболизма. Органические вещества, необходимые как субстраты для диссимиляции и для построения новой живой материи (рост), образуются в ходе ассимиляции (см. рис. 1.4 и 4.1).

Ассимиляция — это синтез собственных веществ тела из неорганических исходных веществ (С02, Н20, NH3 — автотрофиая ассимиляция зеленых растений) или из органических соединений (чужеродных углеводов, жиров и белков пищи —гетеротрофная ассимиляция животных). Ассимиляция, особенно автотрофиая, представляет собой эндергонический процесс. При гетеротрофной ассимиляции источником энергии служат вещества пищи (химическая энергия), при автотрофной ассимиляции зеленых растений — свет (энергия излучения, используемая для фотосинтеза).

Образующиеся прн ассимнляцин органические вещества частично диссимулируются Для получения энергии, а частично используются для синтеза новой» живой Материи. Эти два направления обмена — анаболизм и катаболизм — сложным образом переплетаются; нх нельзя разделить, н они черпают исходные вещества из общего фонда — метаболического пула.

Зеленые автотрофные клеткн для получения энергии путем днссимнляци» могут вместо готовых асснмнлятов (рис. 4.1) использовать промежуточные: продукты, например водород, связанный с коферментом. У некоторых бактервй

140 Глава 4

Обмен веществ и энергии в клетке 141

Органическое

вещество ( аесамилят .или пища ) j

Органическое

вещество (ассимилят )

. Осмотическая' механическая, электрическая, химическая работа ,

Энергия АТР

Л

Энергия Энергия

света АТР

аун,0,НН, C0L.HJD,W

Гетеротрофные клетки

Автотрофные -зеленые растительные клетки Рис. 4.1. Обмен веществ и энергии у автотрофиых н гетеротрофных клеток.

и сикезеленых водорослей нет процессов диссимиляции, поставляющих АТР; онн покрывают все свои потребности в энергии непосредственно за счет фотосинтеза.

Диссимиляция и ассимиляция представляют собой процессы обмена веществ и энергии. 4.1. БИОКАТАЛИЗ

Большинство химических реакций в клетке без катализаторов не протекали бы вовсе или шли бы с неизмеримо малой скоростью. В клетках они катализируются ферментами.

4.1.1. КАТАЛИЗ

Для осуществления химических реакций необходима определенная энергия активации, величина которой зависит от вида реакции. Катализаторы (Е), на короткое время присоединяясь к веществу, претерпевающему изменение,—субстрату (S), уменьшают величину энергии активации и ускоряют реакцию,

т. е. образование ее продукта (Р). Одна реакция S<=*Pi+P2 заменяется по меньшей мере двумя:

E + ST^->-ES т—>-Е + Р,-f РА,

ES — соединение катализатора с субстратом. Действие катализатора обусловлено тем, что сумма энергий активации для реакций 2 и 3 меньше, чем энергия активации для реакции / (рис. 4.2,Л).

4.1.2. ФЕРМЕНТЫ

Ферменты представляют собой белковые катализаторы. Их названия^ как правило, оканчиваются на «...аза». Например, аминотрацсферазы — это ферменты, переносящие аминогруппу с одного субстрата на другой (лат. transferre — переносить); алкогольдегидрогеназа — фермент, который окисляет спирт, отщепляя от него водород (Hydrogenium).

Составлен катглог ферментов, где каждый из них снабжен номером и «систематическим» названием. Например, для алкогольдегидрогеназы это будет: КФ 1.1.1.1, алкогол!:ЫАЛ—оксндоредуктаза (КФ — классификация ферментов).

Каждый фермент обладает субстратной специфичностью, т. е. может катализировать превращение лишь немногих сходных субстратов, и специфичностью действия, т. е. катализирует только одну определенную реакцию, например окисление-восстановление или гидролитическое расщепление.

Субстратная специфичность основана на связывании субстрата с ферментом. Непосредственно действующий участок фермента, где субстрат присоединяется и подвергается превращению, называют каталитическим центром. В построении этого центра участвует до 20 аминокислотных остатков. Субстрат должен «подходить» к каталитическому центру, как ключ к замку, в отношении пространственной конфигурации и распределения зарядов, атомных групп и т. д. При связывании субстрата изменяется конформация фермента (индуцированная промежуточная форма, рис. 4.2,5).

Специфичность действия связана с набором аминокислотных остатков, объединенных в каталитическом центре и взаимодействующих с субстратом во время реакции. Субстратная специфичность и специфичность действия зависят от первичной структуры и конформации молекулы фермента, определяемых соответствующим геном (2.2.3).

Клетка бактерии Escherichia coli может синтезировать около 1000 различных ферментов, эукариотическая клетка — во много раз больше. Какие из генетически возможных ферментов будут действительно синтезироваться, зависит от регуляторных механизмов (5.3). Действующий набор ферментов — решающий отличительный признак клетки данного типа (7.4.2). Так как ферменты, будучи белками, могут распадаться и образовываться вновь (оборот, или обновление), набор ферментов может со временем изменяться.

Ферменты либо находятся в клетке в определенных компартментах, например в митохондриях, лизосомах, в основном веществе цитоплазмы, либо выделяются во внутренние полости (полость рта, желудка, просвет кишечника) или наружу («экзоферменты» у бактерий, пауков, насекомоядных растений). Из клеток ферменты можно экстрагировать водными растворителями (растворами нейтральных солей, буферами) без потери активности после механического

Обмен веществ и энергии в клетке 143

разрушения клеток (в ступке, гомогенизаторе), очистить, а в определенных случаях даже выделить в кристаллическом виде.

Так как ферменты, будучи белками, при повышенной температуре денатурируются (2.2.3.3), температурная зависимость ферментативной реакции представляет собой кривую с оптимумом — с областью наибольшей активности при 40—60°С (рис. 4.2, В). Прн кипячении большинство ферментов необратимо утрачивает активность, тогда как замораживание вызывает лишь временную инактивацию. Зависимость от рН также отображается крнвой с оптимальной областью от рН 2 (пепсин) до рН-9 (трнпснн).

4.1.3. КОФЕРМЕНТЫ

Многие ферменты действуют только в сочетании с низкомолекулярной органической активной группой — коферментом. В этом случае ферментный белок называют апоферментом, а комплекс из апофермента и кофермента — голоферментом.

Кофермент связан с ферментом или постоянно, в качестве простетической группы, или временно, как косубстрат. Он участвует в катализируемой реакции. Часто он на короткое время присоединяет отщепляемую от субстрата (Sx) часть молекулы (х), например аминогруппу или водород. Нагруженный таким образом косубстрат (Сх) может затем становиться косубстратом другого фермента (Е2), который переносит отщепленную часть молекулы на другой субстрат (S2):

Sx+E-f C^=±SxEC^=±S + E-(-Cx;

Сх -f Е2 + S2 ч " СхЕД С + Е2 + SuX.

Многие гетеротрофные организмы могут синтезировать не все необходимые коферменты, поэтому они должны получать с пищей предшественники ко-ферментов или готовые коферменты в форме витаминов.

4.2. ОБМЕН ВЕЩЕСТВАМИ

МЕЖДУ КЛЕТКОЙ И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

Клетка, будучи открытой системой, обменивается веществами с окружающей средой. Пассивный перенос происходит за счет кинетической энергии передвигающихся частиц, тогда как для активного транспорта необходима метаболическая энергия.

Плазматическая мембрана замедляет и регулирует обмен веществами. Некоторые из них она просто пропускает (избирательная проницаемость), а другие активно перекачивает даже против градиента концентрации. Это ограничивает потерю веществ клеткой и создает возможность поглощения необходимы? веществ.

При свободном транспорте молекулы или ионы передвигаются (пассивно) в свободном виде, при транспорте с переносчиком — в комплексе с имеющимися в самой мембране транспортными молекулами, называемыми переносчиками (пассивно или активно). При эндо- и экзоцитозе (3-8.3.1) активно транспортируются частицы или капельки жидкости, видимые в микроскоп.

4.2.1. СВОБОДНЫЙ ТРАНСПОРТ

4.2.1.1. Диффузия. В газах и жидкостях молекулы и ионы находятся в постоянном беспорядочном тепловом движении. Если в газовой смеси или растворе существует градиент концентрации какого-то вещества, то вследствие теплового движения концентрация его постепенно выравнивается. При этом движение становится статистически направленным, и его называют диффузией. Растворенное вещество перемещается по направлению собственного градиента, поскольку там, где больше растворенных молекул, число молекул воды в единице объема («концентрация воды») уменьшено. Диффузия — выравнивающий процесс, который увеличивает энтропию, так как ведет к менее упорядоченному и поэтому более вероятному состоянию; это неизбежное следствие второго закона термодинамики (1.2.2).

Скорость диффузии того или иного вещества обратно пропорциональна квадратному корню из его молекулярной массы Л1

144 Глава 4

Обмен веществ и энергии в клетке 145

(коэффициент диффузии DocM-1); поэтому более крупные молекулы диффундируют медленнее.

Путь, который проходит частица благодаря диффузии, пропорционален квадратному корню из времени; удвоенное расстояние она проходит в 4 раза дольше