Клетка как открытая система
Клетка — не изолированный «мешок» с веществами, а открытая система: она постоянно получает из окружающей среды вещества и энергию, выводит продукты обмена и воспринимает сигналы. Благодаря этому клетка поддерживает относительно постоянный состав внутренней среды, растёт, делится и отвечает на изменения условий.
Что значит «открытая система»
Система называется открытой, если она обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Клетка соответствует всем трём признакам. Через клеточную мембрану в неё поступают вода, минеральные соли, кислород, углекислый газ и питательные вещества; из клетки выходят продукты обмена. Мембрана отделяет клетку от внешней среды, но не прекращает обмен: её свойство избирательной проницаемости позволяет пропускать одни вещества легче других.
Открытая система — система, которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Клетка является открытой системой, потому что её жизнедеятельность невозможна без постоянного обмена с внешней средой.
Клетка сохраняет целостность благодаря динамическому равновесию: вещества непрерывно поступают и расходуются, но их содержание в нормальных условиях остаётся в допустимых пределах. Такое поддержание относительного постоянства внутренней среды называют гомеостазом. Он не означает полного отсутствия изменений: состав клетки меняется, однако регулируемые процессы не позволяют изменениям стать опасными.
| Вид обмена | Что происходит | Примеры |
|---|---|---|
| Веществом | Поступление исходных веществ и удаление продуктов обмена | Поглощение кислорода, воды, глюкозы; выделение углекислого газа |
| Энергией | Получение, преобразование и использование энергии | Синтез АТФ, фотосинтез, клеточное дыхание |
| Информацией | Приём и передача сигналов, хранение и реализация наследственной информации | Рецепция гормона, работа нервного сигнала, экспрессия гена |
Обмен веществом через мембрану
Перемещение веществ через мембрану бывает пассивным и активным. Пассивный транспорт не требует непосредственных затрат энергии АТФ: частицы перемещаются по градиенту концентрации — из области, где их больше, в область, где их меньше. Его основой часто является диффузия. Вода перемещается особым способом — осмосом, то есть диффузией воды через избирательно проницаемую мембрану.
При простой диффузии небольшие неполярные молекулы, например кислород и углекислый газ, проходят через фосфолипидный слой. Заряженные частицы и крупные полярные молекулы обычно используют белки-переносчики или белковые каналы. Такой процесс называют облегчённой диффузией: энергия АТФ не расходуется, но нужен мембранный белок.
Активный транспорт идёт против градиента концентрации и требует энергии. Например, белок-переносчик может переносить ионы из области с меньшей концентрацией в область с большей. Крупные частицы и капли жидкости переносятся в пузырьках: эндоцитозом внутрь клетки, экзоцитозом наружу.
При пассивном транспорте частицы движутся по электрохимическому градиенту и не расходуют АТФ. При активном транспорте вещества перемещаются против градиента, поэтому требуется энергия клетки.
Какой процесс непосредственно требует затрат АТФ?
Энергия: получение, преобразование и расход
Клетка не может использовать энергию пищи или света напрямую для большинства реакций. Она преобразует её в энергию химических связей АТФ — аденозинтрифосфата. При отщеплении остатка фосфорной кислоты АТФ превращается в АДФ, а высвободившаяся энергия используется для синтеза веществ, активного транспорта, движения и других процессов.
Основной способ получения энергии у большинства организмов — клеточное дыхание. При наличии кислорода органические вещества, например глюкоза, окисляются до углекислого газа и воды. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть запасается в АТФ. У растений и некоторых других организмов световая энергия захватывается при фотосинтезе и используется для синтеза органических веществ.
Энергия постоянно проходит через клетку, но не «создаётся из ничего». Она поступает в форме света или химической энергии питательных веществ, преобразуется и частично рассеивается в окружающую среду как тепло. Поэтому клетка является открытой системой и по энергии.
Информационный обмен и регуляция
Клетка получает информацию о внешней среде с помощью рецепторов. Рецептор — молекула, чаще всего мембранный белок, которая узнаёт определённый сигнал: гормон, медиатор, молекулу питательного вещества или изменение освещённости. После связывания сигнала запускается цепь реакций внутри клетки. Ответом может быть изменение обмена веществ, движения, деления или активности генов.
Информация передаётся не только снаружи внутрь. Клетки многоклеточного организма обмениваются сигналами друг с другом: выделяют химические вещества, контактируют мембранами или передают импульсы. Информация о строении и работе клетки хранится в ДНК. При делении клетки наследственная информация копируется и передаётся дочерним клеткам, а отдельные участки ДНК используются для синтеза РНК и белков.
- Сигнал воспринимается рецептором.
- В клетке изменяется активность ферментов или генов.
- Формируется ответ: синтез вещества, движение, деление или изменение транспорта.
- После прекращения сигнала клетка возвращается к исходному состоянию или переходит в новое регулируемое состояние.
Рассмотрим животную клетку, помещённую в раствор с меньшей концентрацией растворённых веществ, чем внутри клетки.
Следовательно, в гипотоническом растворе животная клетка набухает и при чрезмерном поступлении воды может разрушиться. Растительная клетка обычно не лопается: клеточная стенка ограничивает растяжение, а возникающее тургорное давление препятствует дальнейшему поступлению воды.
Не путайте осмос с перемещением растворённых веществ: при осмосе через мембрану движется вода. Не считайте любую диффузию активным транспортом: наличие мембранного белка ещё не означает расход АТФ. Не говорите, что клетка «производит энергию»: она получает её из внешних источников и преобразует, а часть энергии рассеивает в виде тепла.
Как связаны три вида обмена
Обмен веществом, энергией и информацией нельзя рассматривать полностью отдельно. Информация регулирует, какие белки синтезируются и какие реакции идут. Белки мембраны обеспечивают транспорт веществ, а ферменты ускоряют реакции обмена. Для активного транспорта и синтеза белков нужна энергия АТФ. В свою очередь, поступление веществ и кислорода позволяет получать АТФ.
| Процесс | Роль в открытой системе | Что обеспечивает |
|---|---|---|
| Поступление веществ | Доставка сырья и кислорода | Синтез веществ и получение энергии |
| Клеточное дыхание | Преобразование энергии органических веществ | АТФ для работы клетки |
| Выделение продуктов | Удаление углекислого газа и других ненужных веществ | Поддержание внутреннего состава |
| Восприятие сигналов | Получение информации о среде | Регуляция ответа клетки |
| Поддержание гомеостаза | Согласование всех обменных процессов | Относительное постоянство условий внутри клетки |
Проверь себя
Главное
- Клетка — открытая система: она обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией.
- Пассивный транспорт идёт по градиенту без прямых затрат АТФ; активный транспорт требует энергии и может идти против градиента.
- АТФ служит универсальным переносчиком энергии для многих клеточных процессов.
- Рецепторы принимают сигналы, а ДНК хранит наследственную информацию и управляет синтезом белков.
- Согласованная работа транспорта, обмена энергии и регуляции поддерживает гомеостаз клетки.