Kiedy zapoznajesz się z podstawowymi dziełami ludzkości, często myślisz sobie, że wraz z rozwojem nauki pojawia się więcej pytań niż odpowiedzi. W latach 80. i 90. XX wieku biologia molekularna i genetyka poszerzyły naszą wiedzę na temat komórek i interakcji komórkowych. Wyodrębniono całą klasę czynników komórkowych regulujących interakcje międzykomórkowe. Jest to ważne dla zrozumienia funkcjonowania wielokomórkowego organizmu człowieka, a zwłaszcza komórek układu odpornościowego. Ale każdego roku biolodzy odkrywają coraz więcej tych czynników międzykomórkowych i coraz trudniej jest odtworzyć obraz całego organizmu. Pytań jest więc więcej niż odpowiedzi.

Niewyczerpalność ludzkiego ciała i ograniczone możliwości jego badania prowadzą do wniosku, że konieczne są natychmiastowe i późniejsze priorytety badawcze. Takim priorytetem jest dziś energia komórek żywego organizmu ludzkiego. Niedostateczna wiedza na temat wytwarzania energii i wymiany energii w komórkach organizmu staje się przeszkodą w poważnych badaniach naukowych.

Komórka jest podstawową jednostką strukturalną organizmu: wszystkie narządy i tkanki składają się z komórek. Trudno liczyć na sukces leków lub metod nielekowych, jeśli są one opracowywane bez wystarczającej wiedzy na temat energii komórkowej i międzykomórkowych interakcji energetycznych. Można podać wystarczająco dużo przykładów tam, gdzie szeroko stosowane i zalecane środki zaradcze są szkodliwe dla zdrowia.

W opiece zdrowotnej dominuje podejście merytoryczne. Substancja jest substancją. Logika uzdrawiania jest niezwykle prosta: dostarczać organizmowi niezbędnych substancji (wody, pożywienia, witamin, pierwiastków śladowych i w razie potrzeby leków) oraz usuwać z organizmu produkty przemiany materii (odchody, nadmiar tłuszczów, soli, toksyn itp.) .). Ekspansja leków nadal triumfuje. Nowe pokolenia ludzi w wielu krajach stają się dobrowolnymi uczestnikami zakrojonego na szeroką skalę eksperymentu. Przemysł farmaceutyczny potrzebuje nowych pacjentów. Ludzi zdrowych jest jednak coraz mniej.

Twórca popularnego poradnika o narkotykach został kiedyś zapytany o to, ile narkotyków osobiście musiał wypróbować. Żadne, brzmiała odpowiedź. Najwyraźniej ten inteligentny człowiek miał genialną wiedzę na temat biochemii komórki i potrafił ją dobrze wykorzystać w życiu.

Wyobraźmy sobie miniaturową cząsteczkę żywej materii w postaci elipsoidy, dysku, kuli o średnicy około 8-15 mikronów (µm), która jest jednocześnie najbardziej złożonym układem samoregulującym. Nazywa się zwykłą żywą komórkę zróżnicowaną, jakby podkreślając, że wiele elementów składających się na jej skład jest wyraźnie oddzielonych względem siebie. Pojęcie „komórki niezróżnicowanej” z reguły odnosi się do zmodyfikowanej, na przykład komórki rakowej. Zróżnicowane komórki różnią się nie tylko budową, metabolizmem wewnętrznym, ale także specjalizacją, np. komórki nerek, wątroby, serca.

Ogólnie komórka składa się z trzech elementów: błony komórkowej, cytoplazmy, jądra. Skład błony komórkowej z reguły obejmuje trzy-, czterowarstwową błonę i zewnętrzną powłokę. Dwie warstwy błony składają się z lipidów (tłuszczów), z których większość to tłuszcze nienasycone - fosfolipidy. Błona komórkowa ma bardzo złożoną budowę i różnorodne funkcje. Różnica potencjałów po obu stronach membrany może wynosić kilkaset miliwoltów. Zewnętrzna powierzchnia membrany zawiera ujemny ładunek elektryczny.

Zwykle komórka ma jedno jądro. Chociaż istnieją komórki, które mają dwa lub więcej jąder. Funkcją jądra jest przechowywanie i przekazywanie informacji dziedzicznych, na przykład podczas podziału komórki, a także kontrolowanie wszystkich procesów fizjologicznych w komórce. Jądro zawiera cząsteczki DNA, które niosą kod genetyczny komórki. Jądro otoczone jest dwuwarstwową błoną.

Cytoplazma stanowi większość komórki i jest płynem komórkowym, w którym znajdują się organelle i inkluzje. Organelle są stałymi składnikami cytoplazmy, które pełnią określone ważne funkcje. Spośród nich najbardziej interesują nas mitochondria, które czasami nazywane są elektrowniami komórkowymi. Każde mitochondrium ma dwa systemy membranowe: zewnętrzną i wewnętrzną. Błona zewnętrzna jest gładka, lipidy i białka są w niej jednakowo reprezentowane. Błona wewnętrzna należy do najbardziej złożonych rodzajów systemów membranowych w organizmie człowieka. Zawiera wiele fałd, zwanych przegrzebkami (cristae), dzięki którym znacznie zwiększa się powierzchnia błony. Błonę tę można przedstawić jako zestaw wypustek w kształcie grzyba skierowanych do wewnętrznej przestrzeni mitochondriów. Na mitochondrium przypada od 10 do 4-10 do 5 takich odrostów.

Ponadto w wewnętrznej błonie mitochondrialnej jest 50-60 więcej enzymów, całkowita liczba cząsteczek różnych typów sięga 80. Wszystko to jest niezbędne do utleniania chemicznego i metabolizmu energetycznego. Wśród właściwości fizycznych tej membrany należy zwrócić uwagę na wysoki opór elektryczny, który jest charakterystyczny dla tzw. membran sprzęgających, które są zdolne do akumulacji energii jak dobry kondensator. Różnica potencjałów po obu stronach wewnętrznej błony mitochondrialnej wynosi około 200-250 mV.

Można sobie wyobrazić, jak złożona jest komórka, jeśli na przykład komórka wątroby hepatocytu zawiera około 2000 mitochondriów. Ale w komórce jest wiele innych organelli, setki enzymów, hormonów i innych złożonych substancji. Każda organella ma swój własny zestaw substancji; przeprowadzane są w niej pewne procesy fizyczne, chemiczne i biochemiczne. Substancje w przestrzeni cytoplazmatycznej znajdują się w tym samym stanie dynamicznym, nieustannie wymieniają się z organellami i ze środowiskiem zewnętrznym komórki poprzez jej błonę.

Przepraszam Czytelnika Niespecjalistę za szczegóły techniczne, ale wiedza o komórce jest przydatna dla każdej osoby, która chce być zdrowa. Musimy podziwiać ten cud natury i jednocześnie brać pod uwagę słabości komórki podczas leczenia. Zaobserwowałem, że zwykła analginka doprowadziła do obrzęku tkanek u młodej, zdrowej osoby. To niesamowite, jak bez zastanowienia, z jaką łatwością inni połykają tabletki!

Zrozumienie złożoności funkcjonowania komórek nie będzie pełne, jeśli nie będziemy mówić o energii komórek. Energia w komórce jest wydawana na wykonywanie różnych prac: mechanicznych - ruch płynu, ruch organelli; chemiczna - synteza złożonych substancji organicznych; elektryczne - tworzenie różnicy potencjałów elektrycznych na błonach plazmatycznych; osmotyczny - transport substancji do komórki iz powrotem. Nie stawiając sobie zadania wyliczenia wszystkich procesów, ograniczamy się do dobrze znanego stwierdzenia: bez wystarczającego zaopatrzenia w energię nie można osiągnąć pełnego funkcjonowania komórki.

Skąd komórka czerpie potrzebną energię? Zgodnie z teoriami naukowymi energia chemiczna składników odżywczych (węglowodanów, tłuszczów, białek) jest zamieniana na energię makroergicznych (zawierających dużo energii) wiązań adenozynotrójfosforanu (ATP). Procesy te zachodzą w mitochondriach komórek głównie w cyklu kwasów trójkarboksylowych (cykl Krebsa) oraz podczas fosforylacji oksydacyjnej. Energia zmagazynowana w ATP jest łatwo uwalniana w przypadku zerwania wiązań makroergicznych, w wyniku czego następuje zużycie energii w organizmie.

Jednak idee te nie pozwalają na obiektywną ocenę ilościowej i jakościowej charakterystyki zaopatrzenia w energię i wymiany energii w tkankach, a także stanu energii komórkowej i interakcji międzykomórkowych. Należy zwrócić uwagę na najważniejsze pytanie (G. N. Petrakovich), na które tradycyjna teoria nie może odpowiedzieć: z powodu jakich czynników zachodzi interakcja międzykomórkowa? W końcu ATP jest tworzone i zużywane, uwalniając energię, wewnątrz mitochondriów.

Tymczasem jest wystarczająco dużo powodów, by wątpić w dobrostan zaopatrzenia w energię narządów, tkanek, komórek. Można nawet wprost stwierdzić, że dana osoba nie jest pod tym względem bardzo doskonała. Świadczy o tym zmęczenie, którego wielu doświadcza każdego dnia i które zaczyna denerwować osobę od dzieciństwa.

Z obliczeń wynika, że ​​gdyby energia w organizmie produkowana była w wyniku tych procesów (cykl Krebsa i fosforylacja oksydacyjna), to przy małym obciążeniu deficyt energetyczny wyniósłby 30-50%, a przy dużym obciążeniu ponad 90%. Potwierdzają to badania amerykańskich naukowców, którzy doszli do wniosku, że mitochondria nie funkcjonują prawidłowo w zakresie dostarczania człowiekowi energii.

Pytania o energię komórek i tkanek zapewne długo leżałyby na poboczu drogi, wzdłuż której powoli posuwa się medycyna teoretyczna i praktyczna, gdyby nie dwa zdarzenia. Mówimy o Nowej Hipotezie Oddychania i odkryciu Oddychania Endogennego.

Jednym z najbardziej złożonych zagadnień jest powstawanie, gromadzenie i dystrybucja energii w komórce.

Jak komórka wytwarza energię? Nie ma przecież ani reaktora jądrowego, ani elektrowni, ani kotła parowego, choćby najmniejszego. Temperatura wewnątrz komórki jest stała i bardzo niska - nie więcej niż 40 °. A mimo to komórki przetwarzają taką ilość substancji i tak szybko, że pozazdrościłby im każdy nowoczesny kombajn.

Jak to się stało? Dlaczego otrzymana energia pozostaje w komórce, a nie jest uwalniana w postaci ciepła? Jak komórka magazynuje energię? Zanim odpowiemy na te pytania, należy powiedzieć, że energia wchodząca do komórki nie jest energią mechaniczną ani elektryczną, ale energią chemiczną zawartą w substancjach organicznych. W tym momencie wchodzą w grę prawa termodynamiki. Jeżeli energia zawarta jest w związkach chemicznych, to musi być uwolniona przez ich spalanie, a dla ogólnego bilansu cieplnego nie ma znaczenia, czy wypalają się natychmiast, czy stopniowo. Komórka wybiera drugą ścieżkę.

Dla uproszczenia porównajmy ogniwo do „elektrowni”. Specjalnie dla inżynierów dodajemy, że „elektrownia” ogniwa jest termiczna. A teraz wyzwijmy przedstawicieli branży energetycznej na pojedynek: kto z paliwa uzyska więcej energii i oszczędniej ją zużyje - ogniwo czy jakakolwiek, najbardziej ekonomiczna elektrownia cieplna?

W procesie ewolucji komórka stworzyła i udoskonaliła swoją „elektrownię”. Natura zadbała o wszystkie jego części. Ogniwo zawiera „paliwo”, „generator silnikowy”, „regulatory mocy”, „podstacje transformatorowe” i „linie przesyłowe wysokiego napięcia”. Zobaczmy, jak to wszystko wygląda.

Głównym „paliwem” spalanym przez komórkę są węglowodany. Najprostsze z nich to glukoza i fruktoza.

Z codziennej praktyki lekarskiej wiadomo, że glukoza jest niezbędnym składnikiem odżywczym. U ciężko niedożywionych pacjentów podawany jest dożylnie, bezpośrednio do krwioobiegu.

Bardziej złożone cukry są również wykorzystywane jako źródła energii. Na przykład zwykły cukier, który ma naukową nazwę „sacharoza” i składa się z 1 cząsteczki glukozy i 1 cząsteczki fruktozy, może służyć jako taki materiał. U zwierząt glikogen jest paliwem, polimerem składającym się z cząsteczek glukozy połączonych łańcuchem. W roślinach znajduje się substancja podobna do glikogenu - jest to dobrze znana skrobia. Zarówno glikogen, jak i skrobia są substancjami rezerwowymi. Oba są przełożone na deszczowy dzień. Skrobia zwykle znajduje się w podziemnych częściach rośliny, takich jak bulwy, takie jak ziemniaki. Dużo skrobi znajduje się również w komórkach miąższu liści roślin (pod mikroskopem ziarna skrobi błyszczą jak małe kawałki lodu).

Glikogen gromadzi się u zwierząt w wątrobie i stamtąd jest wykorzystywany w razie potrzeby.

Cukry, bardziej złożone niż glukoza, muszą zostać rozbite na ich oryginalne „cegiełki” – cząsteczki glukozy przed spożyciem. Istnieją specjalne enzymy, które jak nożyczki tną długie łańcuchy skrobi i glikogenu na oddzielne monomery - glukozę i fruktozę.

Przy braku węglowodanów rośliny mogą wykorzystywać w swoim „piecu” kwasy organiczne - cytrynowy, jabłkowy itp.

Kiełkujące nasiona oleiste zużywają tłuszcz, który jest najpierw rozkładany, a następnie przekształcany w cukier. Można to zauważyć na podstawie faktu, że w miarę spożywania tłuszczu w nasionach zawartość cukru wzrasta.

Tak więc wymienione są rodzaje paliw. Ale natychmiastowe spalenie klatki jest nieopłacalne.

Cukry są spalane w komórce chemicznie. Normalne spalanie to połączenie paliwa z tlenem, jego utlenianie. Ale do utleniania substancja nie musi łączyć się z tlenem - utlenia się, gdy odbiera się jej elektrony w postaci atomów wodoru. Ten rodzaj utleniania nazywa się odwodornienie(„hydros” - wodór). Cukry zawierają wiele atomów wodoru i są one odszczepiane nie wszystkie na raz, ale po kolei. Utlenianie w komórce przeprowadzane jest przez zestaw specjalnych enzymów, które przyspieszają i kierują procesem utleniania. Ten zestaw enzymów i ścisła kolejność ich działania stanowią podstawę komórkowego generatora energii.

Proces utleniania w organizmach żywych nazywany jest oddychaniem, dlatego poniżej użyjemy tego bardziej zrozumiałego wyrażenia. Oddychanie wewnątrzkomórkowe, nazwane tak przez analogię do fizjologicznego procesu oddychania, jest z nim ściśle związane. O procesach oddychania porozmawiamy później.

Kontynuujmy porównanie ogniwa z elektrownią. Teraz musimy znaleźć w nim te części elektrowni, bez których będzie działać bezczynnie. Oczywiste jest, że energia uzyskana ze spalania węglowodanów i tłuszczów musi być dostarczona do konsumenta. Oznacza to, że potrzebna jest komórkowa „linia przesyłowa wysokiego napięcia”. W przypadku zwykłej elektrowni jest to stosunkowo proste - przewody wysokiego napięcia są przeciągane przez tajgę, stepy, rzeki, a energia jest dostarczana przez nie do fabryk i fabryk.

Ogniwo posiada również swój własny, uniwersalny „przewód wysokiego napięcia”. Tylko w nim energia jest przekazywana chemicznie i oczywiście związek chemiczny służy jako „drut”. Aby zrozumieć zasadę jej działania, wprowadzamy małą komplikację w działanie elektrowni. Załóżmy, że energia z linii wysokiego napięcia nie może być dostarczona do konsumenta przewodami. W takim przypadku najłatwiej będzie ładować akumulatory elektryczne z linii wysokiego napięcia, transportować je do konsumenta, transportować zużyte akumulatory z powrotem itp. W energetyce jest to oczywiście nieopłacalne. Metoda podobna do klatki jest bardzo korzystna.

Jako baterię w ogniwie stosuje się związek, który jest uniwersalny dla prawie wszystkich organizmów - kwas adenozynotrójfosforowy (już o tym rozmawialiśmy).

W przeciwieństwie do energii innych wiązań fosfoeterowych (2-3 kilokalorie), energia wiązania końcowych (zwłaszcza skrajnych) reszt fosforanowych w ATP jest bardzo wysoka (do 16 kilokalorii); więc to połączenie nazywa się makroergiczny».

ATP znajduje się w organizmie wszędzie tam, gdzie potrzebna jest energia. Synteza różnych związków, praca mięśni, ruch wici u pierwotniaków - ATP przenosi energię wszędzie.

„Ładowanie” ATP w komórce odbywa się w następujący sposób. Kwas adenozynodifosforowy - ADP (ATP bez 1 atomu fosforu) jest odpowiedni do miejsca uwalniania energii. Kiedy energia może zostać związana, ADP łączy się z fosforem, którego w komórce jest w dużych ilościach i „unieruchamia” energię w to połączenie. Teraz potrzebujemy transportu. Składa się ze specjalnych enzymów - fosfoferazy ("fera" - noszę), które na żądanie "chwytają" ATP i przenoszą go w miejsce działania. Następnie przychodzi kolej na ostatni, końcowy „blok elektrowni” – transformatory obniżające napięcie. Muszą obniżyć napięcie i podać konsumentowi już bezpieczny prąd. Rolę tę pełnią te same fosfoferazy. Przeniesienie energii z ATP do innej substancji odbywa się w kilku etapach. Najpierw ATP łączy się z tą substancją, potem następuje wewnętrzne przegrupowanie atomów fosforu, a na końcu kompleks się rozpada - ADP zostaje oddzielony, a energetyczny fosfor pozostaje „wiszący” na nowej substancji. Nowa substancja okazuje się być znacznie bardziej niestabilna ze względu na nadmiar energii i jest zdolna do różnych reakcji.

V. N. Seluyanov, V. A. Rybakov, M. P. Shestakov

Rozdział 1

1.1.3. biochemia komórki (energia)

Procesy skurczu mięśni, przekazywanie impulsu nerwowego, synteza białek itp. wiążą się z kosztami energetycznymi. Komórki wykorzystują energię wyłącznie w postaci ATP. Uwalnianie energii zawartej w ATP odbywa się za sprawą enzymu ATPazy, który jest obecny we wszystkich miejscach komórki, gdzie potrzebna jest energia. W miarę uwalniania energii powstają cząsteczki ADP, F, N. Resynteza ATP odbywa się głównie dzięki podaży CRF. Kiedy CrF oddaje swoją energię do resyntezy ATP, powstają Cr i F. Cząsteczki te rozprzestrzeniają się w cytoplazmie i aktywują aktywność enzymatyczną związaną z syntezą ATP. Istnieją dwa główne sposoby powstawania ATP: beztlenowe i tlenowe (Aulik I.V., 1990; Khochachka P., Somero J., 1988 itd.).

szlak beztlenowy Lub glikoliza beztlenowa związane z układami enzymatycznymi zlokalizowanymi na błonie retikulum sarkoplazmatycznego oraz w sarkoplazmie. Kiedy obok tych enzymów pojawiają się Kr i F, uruchamiany jest łańcuch reakcji chemicznych, podczas których glikogen lub glukoza rozkłada się do pirogronianu z utworzeniem cząsteczek ATP. Cząsteczki ATP natychmiast oddają swoją energię na resyntezę CRP, a ADP i F są ponownie wykorzystywane w glikolizie do utworzenia nowej cząsteczki ATP. Pirogronian ma dwie możliwości konwersji:

1) Przekształca się w acetylo-koenzym A, ulega fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach, tworząc cząsteczki dwutlenku węgla, wody i ATP. Ten szlak metaboliczny - glikogen-pirogronian-mitochondria-dwutlenek węgla i woda - nazywa się glikoliza tlenowa.

2) Za pomocą enzymu LDH M (dehydrogenaza mleczanowa typu mięśniowego) pirogronian jest przekształcany w mleczan. Ten szlak metaboliczny - glikogen-pirogronian-mleczan - nazywa się glikoliza beztlenowa i towarzyszy mu powstawanie i gromadzenie się jonów wodorowych.

sposób aerobowy, lub fosforylacja oksydacyjna, związana z układem mitochondrialnym. Kiedy Cr i F pojawiają się w pobliżu mitochondriów za pomocą mitochondrialnej CPKazy, zachodzi resynteza CrF z powodu ATP utworzonego w mitochondriach. ADP i P wracają do mitochondriów, tworząc nową cząsteczkę ATP. Istnieją dwa szlaki metaboliczne syntezy ATP:

1) tlenowa glikoliza;
2) utlenianie lipidów (tłuszczów).

Procesy tlenowe są związane z wchłanianiem jonów wodorowych, aw wolnych włóknach mięśniowych (MF serca i przepony) przeważa enzym LDH H (dehydrogenaza mleczanowa typu sercowego), który intensywniej przekształca mleczany w pirogronian. Dlatego podczas pracy wolnych włókien mięśniowych (SMF) następuje szybka eliminacja jonów mleczanowych i wodorowych.

Wzrost mleczanu i H w MW prowadzi do zahamowania utleniania tłuszczu, a intensywne utlenianie tłuszczu prowadzi do gromadzenia się cytrynianu w komórce, co hamuje enzymy glikolizy.

Warunkiem istnienia każdego organizmu jest stały dopływ składników odżywczych i ciągłe uwalnianie końcowych produktów reakcji chemicznych zachodzących w komórkach. Substancje odżywcze są wykorzystywane przez organizmy jako źródło atomów pierwiastków chemicznych (przede wszystkim atomów węgla), z których budowane są lub odnawiane są wszystkie struktury. Oprócz składników odżywczych organizm otrzymuje również wodę, tlen i sole mineralne. Substancje organiczne, które dostają się do komórek (lub są syntetyzowane podczas fotosyntezy) są rozkładane na cegiełki - monomery i wysyłane do wszystkich komórek organizmu. Część cząsteczek tych substancji jest wydawana na syntezę określonych substancji organicznych właściwych dla tego organizmu. Białka, liczi, węglowodany, kwasy nukleinowe i inne substancje są syntetyzowane w komórkach, które pełnią różne funkcje (budowlane, katalityczne, regulacyjne, ochronne itp.). Kolejna część niskocząsteczkowych związków organicznych, które dostają się do komórek, trafia do powstania ATP, którego cząsteczki zawierają energię przeznaczoną bezpośrednio do wykonania pracy. Energia jest niezbędna do syntezy wszystkich specyficznych substancji organizmu, utrzymania jego wysoce uporządkowanej organizacji, aktywnego transportu substancji w komórkach, z jednej komórki do drugiej, z jednej części ciała do drugiej, do przekazywania impulsów nerwowych, przemieszczania się organizmów i utrzymywania stałej temperatury ciała (u ptaków i ssaków) oraz do innych celów. W trakcie przemian substancji w komórkach powstają końcowe produkty przemiany materii, które mogą być toksyczne dla organizmu i są z niego wydalane (np. amoniak). Tak więc wszystkie żywe organizmy nieustannie pobierają określone substancje ze środowiska, przetwarzają je i uwalniają do środowiska produkty końcowe. Całość reakcji chemicznych zachodzących w organizmie nazywa się metabolizmem lub metabolizmem. W zależności od ogólnego kierunku zachodzących procesów wyróżnia się katabolizm i anabolizm.

Katabolizm (dysymilacja) to zespół reakcji prowadzących do powstania prostych związków z bardziej złożonych. Do reakcji katabolicznych zalicza się np. reakcje hydrolizy polimerów do monomerów i rozpadu tych ostatnich do dwutlenku węgla, wody, amoniaku, czyli reakcje metabolizmu energetycznego, podczas których utleniane są substancje organiczne i syntezowany jest ATP. Anabolizm (asymilacja) to zespół reakcji syntezy złożonych substancji organicznych z prostszych. Należą do nich np. wiązanie azotu i biosynteza białek, synteza węglowodanów z dwutlenku węgla i wody podczas fotosyntezy, synteza polisacharydów, lipidów, nukleotydów, DNA, RNA i innych substancji. Syntezę substancji w komórkach organizmów żywych często określa się mianem wymiany plastycznej, a rozpad substancji i ich utlenianie, któremu towarzyszy synteza ATP, nazywa się metabolizmem energetycznym. Oba typy metabolizmu stanowią podstawę życiowej aktywności każdej komórki, a co za tym idzie każdego organizmu, i są ze sobą ściśle powiązane. Procesy anabolizmu i katabolizmu zachodzą w organizmie w stanie dynamicznej równowagi lub przejściowej dominacji jednego z nich. Przewaga procesów anabolicznych nad katabolicznymi prowadzi do wzrostu, gromadzenia masy tkankowej, a katabolicznych do częściowego zniszczenia struktur tkankowych, uwolnienia energii. Stan równowagi lub stosunek nierównowagi anabolizmu i katabolizmu zależy od wieku. W dzieciństwie dominują procesy anabolizmu, aw wieku starczym – katabolizmu. U dorosłych procesy te są w równowadze. Ich stosunek zależy również od stanu zdrowia, aktywności fizycznej lub psychoemocjonalnej wykonywanej przez osobę.

82. Entropia otwartych układów termodynamicznych, równanie Prigogine'a.

Entropia jest miarą rozpraszania energii swobodnej, dlatego każdy otwarty układ t/d w stanie stacjonarnym dąży do minimalnego rozpraszania energii swobodnej. Jeżeli z jakiegoś powodu układ odbiegał od stanu stacjonarnego, to wskutek dążenia układu do minimalnej entropii zachodzą w nim zmiany wewnętrzne, przywracając go do stanu stacjonarnego. Układ otwarty, termodynamiczny układ zdolny do wymiany materii i energii z otoczeniem. W systemie otwartym ciepło przepływa zarówno z systemu, jak i do niego.

Postulat I.R. Prigogine polega na tym, że całkowita zmiana entropii dS otwartego systemu może zachodzić niezależnie albo w wyniku procesów wymiany ze środowiskiem zewnętrznym (deS), albo w wyniku wewnętrznych procesów nieodwracalnych (diS): dS = deS + diS. Twierdzenie Prigogine'a. W stanach stacjonarnych o ustalonych parametrach zewnętrznych tempo wytwarzania entropii w układzie otwartym w wyniku występowania procesów nieodwracalnych jest stałe w czasie i minimalne co do wielkości. diS / dt min.

Od pojawienia się organizmów jednokomórkowych do „wynalezienia” jądra komórkowego i narodzin szeregu innych innowacji minęło ponad miliard lat. Dopiero wtedy otworzyła się droga dla pierwszych istot wielokomórkowych, które dały początek trzem królestwom zwierząt, roślin i grzybów. Europejscy naukowcy przedstawili nowe wyjaśnienie tej transformacji, które jest sprzeczne z dotychczasowymi koncepcjami.

Powszechnie przyjmuje się, że najpierw doskonalsze komórki jądrowe rodziły się z prokariontów, opierając się na starych mechanizmach energetycznych, a dopiero później rekruci nabywali mitochondria. Tym ostatnim przypisywano ważną rolę w dalszej ewolucji eukariontów, ale nie rolę kamienia węgielnego leżącego u samych jej fundamentów.

„Pokazaliśmy, że pierwsza opcja nie zadziała. Aby rozwinąć złożoność komórki, potrzebuje ona mitochondriów ”- wyjaśnia Martin. „Nasza hipoteza obala tradycyjny pogląd, że przejście do komórek eukariotycznych wymagało jedynie odpowiednich mutacji” — powtarza Lane.

Rozwijali się razem, podczas gdy endosymbiont stopniowo doskonalił jedną umiejętność - syntezę ATP. Wewnętrzna komórka zmniejszyła swój rozmiar i przeniosła część swoich drugorzędowych genów do jądra. Tak więc mitochondria zachowały tylko tę część oryginalnego DNA, która była im potrzebna do pracy jako „żywa elektrownia”.

Mitochondria wewnątrz komórki (zielona fluorescencja). Wstawki: Martin (po lewej) i Lane. Szczegóły nowego badania można znaleźć w artykule Nature oraz komunikacie prasowym UCL (zdjęcia: Douglas Kline, molevol.de, nick-lane.net).

Wygląd mitochondriów pod względem energetycznym można porównać do wynalezienia rakiety po wózku, ponieważ komórki jądrowe mają średnio tysiąc razy większą objętość niż komórki bez jądra.

Wydaje się, że ten ostatni może również rosnąć w rozmiarze i złożoności urządzenia (tutaj są pojedyncze uderzające przykłady). Ale na tej ścieżce maleńkie stworzenia mają haczyk: gdy rosną geometrycznie, stosunek powierzchni do objętości gwałtownie maleje.

Tymczasem proste komórki wytwarzają energię za pomocą pokrywającej je membrany. Tak więc w dużej komórce prokariotycznej może być dużo miejsca na nowe geny, ale po prostu nie ma dość energii, aby zsyntetyzować białka zgodnie z tymi „instrukcjami”.

Prosty wzrost fałd błony zewnętrznej nie ratuje szczególnie sytuacji (chociaż takie komórki są znane). Przy tej metodzie zwiększania mocy wzrasta również ilość błędów w działaniu systemu energetycznego. W komórce gromadzą się niepożądane cząsteczki, które mogą ją zniszczyć.

Liczba mitochondriów (pokazanych na czerwono) w jednej komórce waha się od jednej kopii (głównie u jednokomórkowych eukariotów) do dwóch tysięcy (na przykład w ludzkich komórkach wątroby) (ilustracja: Odra Noel).

Mitochondria to genialny wynalazek natury. Zwiększając ich liczbę, można zwiększyć potencjał energetyczny komórki bez powiększania jej zewnętrznej powierzchni. Co więcej, każde mitochondrium ma również wbudowane mechanizmy kontrolne i naprawcze.

I jeszcze jeden plus innowacji: DNA mitochondrialne jest małe i bardzo ekonomiczne. Kopiowanie nie wymaga wielu zasobów. Ale bakterie, aby zwiększyć swoje możliwości energetyczne, mogą tworzyć tylko wiele kopii całego swojego genomu. Ale taki rozwój szybko prowadzi do impasu energetycznego.

Porównanie energii różnych ogniw i ich schematów. a) – przeciętny prokariota ( Escherichia), b) jest bardzo dużym prokariotem ( tiomargarita) i (c) średni eukariont ( Euglena).
Diagramy pokazują (od góry do dołu): moc (waty) na gram komórki (d), moc (femtowaty) na gen (e) i moc (pikowaty) na haploidalny genom (f) (ilustracje: Nick Lane, William Marcin/Natura).

Autorzy pracy obliczyli, że przeciętna komórka eukariotyczna mogłaby teoretycznie przenosić 200 000 razy więcej genów niż przeciętna bakteria. Eukariota można traktować jak bibliotekę z dużą liczbą półek - wypełnij ją książkami do woli. Otóż ​​bardziej rozbudowany genom jest podstawą do dalszej poprawy struktury komórki i jej metabolizmu, powstania nowych obwodów regulacyjnych.