Потоки вещества, энергии и информации в клетке

В живой клетке происходят многочисленные процессы. Среди них можно выделить потоки информации, энергии и веществ. Хотя это не единственные механизмы, которые существуют в клетке для обеспечения жизнедеятельности, они являются основными.

Три потока складываются в совокупность взаимосвязанных метаболических процессов. При этом определенные процессы связаны с конкретными клеточными структурами, упорядочены во времени и пространстве.

Поток информации в клетке

Благодаря потоку информации клетка приобретает структуру живого, выработанную эволюцией ее предков. Также поток информации обеспечивает поддержание процессов жизнедеятельности в клетке, передачу информации о клеточной структуре и функциональности в ряду поколений.

В клетке информация хранится в ДНК хромосом, которые у эукариот локализованы в ядре. Такие макромолекулы и структуры как мРНК, тРНК, рибосомы, различные ферменты переносят информацию в цитоплазму и осуществляют ее трансляцию, что можно понимать как реализацию информации.

Синтезированные полипептиды принимают третичную и четвертичную структуру и в основном используются как ферменты или структурные белки.

В потоке информации в клетках эукариот также участвуют геномы митохондрий и хлоропластов.

Поток энергии

Поток энергии в клетке обеспечивается дыхательным обменом, фотосинтезом, хемосинтезом, брожением. Последние три процесса характерны только для определенных групп организмов.

Дыхательный обмен включает реакции расщепления органических веществ: глюкозы, жирных кислот, аминокислот. Энергия, которая выделяется в этих реакциях, идет на синтез высококалорийных молекул АТФ.

Впоследствии энергия АТФ преобразуется в какую-либо работу: осуществляется синтез веществ, поддерживается осмос, движение и др. Так в клетках поперечно-полосатой мускулатуры система, состоящая из сократительных белков и фермента аденозинтрифосфатазы, расщепляет АТФ. Высвобождающаяся при этом энергия используется для выполнения механического движения.

АТФ относится к группе макроэргических соединений. В них энергия, запасенная в химических связях, доступна для использования в биологических процессах.

Главный клеточный органоид дыхательного обмена, а, следовательно, и потока энергии, – митохондрия. В ней происходит окислительное фосфорилирование, приводящее к синтезу большого количества молекул АТФ. Однако в цитоплазме протекает немаловажный этап дыхательного обмена — гликолиз — анаэробное расщепление глюкозы.

При гликолизе глюкоза окисляется не полностью, извлекается лишь около 10% заключенной в ее связях энергии. Продукт гликолиза — пируват — поступает для дальнейшего окисления в митохондрии. Здесь протекает аэробное (с участием молекулярного кислорода) дыхание.

В растительных клетках в потоке энергии также участвует фотосинтез, при котором происходит преобразование энергии света в энергию химических связей.

Энергетические процессы в клетках весьма эффективны. Коэффициент полезного действия митохондрий может достигать 60%.

Поток веществ в клетке

В клетках поток веществ тесно связан с реакциями дыхательного обмена, которые помимо поставки энергии обеспечивают клетку веществами, необходимыми для синтеза разнообразных соединений. Такими строительными блоками являются многие продукты расщепления питательных веществ.

Поток веществ объединяет метаболические пути расщепления и синтеза углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот.

Большое разнообразие строительных блоков поставляет цикл Кребса, функционирующий в матриксе митохондрий. Через него проходят многие соединения, являющиеся промежуточными продуктами синтеза основных молекул клетки.

В цикле Кребса происходит выбор пути превращения определенного соединения, переключение обмена клетки с одного пути на другой, например, с углеводного на жировой.

В общей сложности поток веществ в клетке можно представить как поступление в нее одних веществ, из расщепление, синтез необходимых веществ и выведение из клетки ненужных ей веществ.