Keď sa zoznámite so základnými dielami ľudstva, často si myslíte, že s rozvojom vedy existuje viac otázok ako odpovedí. V 80. a 90. rokoch 20. storočia molekulárna biológia a genetika rozšírili naše chápanie buniek a bunkových interakcií. Bola izolovaná celá trieda bunkových faktorov, ktoré regulujú medzibunkovú interakciu. Je to dôležité pre pochopenie fungovania mnohobunkového ľudského tela a najmä buniek imunitného systému. Ale každý rok biológovia objavujú viac a viac týchto medzibunkových faktorov a je čoraz ťažšie vytvoriť obraz celého organizmu. Existuje teda viac otázok ako odpovedí.

Nevyčerpateľnosť ľudského tela a obmedzené možnosti jeho štúdia vedú k záveru, že sú nevyhnutné okamžité a následné priority výskumu. Takouto prioritou je dnes energia buniek živého ľudského tela. Nedostatočné poznatky o výrobe energie a energetickej výmene buniek v organizme sa stávajú prekážkou pre seriózny vedecký výskum.

Bunka je základnou stavebnou jednotkou tela: všetky orgány a tkanivá sú tvorené bunkami. Je ťažké počítať s úspechom liekov alebo neliekových metód, ak sú vyvinuté bez dostatočných znalostí o bunkovej energii a medzibunkovej energetickej interakcii. Dá sa uviesť dosť príkladov, kde sú široko používané a odporúčané prostriedky zdraviu škodlivé.

V zdravotníctve dominuje vecný prístup. Látka je substancia. Logika liečenia je veľmi jednoduchá: poskytnúť telu potrebné látky (vodu, potravu, vitamíny, stopové prvky a v prípade potreby aj lieky) a odstrániť z tela produkty látkovej výmeny (exkrementy, prebytočné tuky, soli, toxíny atď.). .). Expanzia liekov naďalej triumfuje. Nové generácie ľudí v mnohých krajinách sa stávajú dobrovoľnými účastníkmi rozsiahleho experimentu. Farmaceutický priemysel žiada nových pacientov. Zdravých ľudí je však stále menej.

Tvorcu populárneho drogového sprievodcu sa raz opýtali, koľko drog musel osobne vyskúšať. Žiadna, znela odpoveď. Zdá sa, že tento inteligentný muž mal brilantné znalosti bunkovej biochémie a tieto znalosti dokázal dobre využiť v živote.

Predstavte si miniatúrnu časticu živej hmoty vo forme elipsoidu, disku, gule s priemerom približne 8-15 mikrónov (µm), ktorá je zároveň najkomplexnejším samoregulačným systémom. Bežná živá bunka sa nazýva diferencovaná, akoby sa zdôrazňovalo, že mnohé prvky, ktoré tvoria jej zloženie, sú navzájom jasne oddelené. Pojem "nediferencovaná bunka" spravidla patrí k modifikovanej, napríklad rakovinovej bunke. Diferencované bunky sa líšia nielen štruktúrou, vnútorným metabolizmom, ale aj špecializáciou, napríklad obličkové, pečeňové a srdcové bunky.

Vo všeobecnosti sa bunka skladá z troch zložiek: bunková membrána, cytoplazma, jadro. Zloženie bunkovej membrány spravidla zahŕňa troj-, štvorvrstvovú membránu a vonkajší obal. Dve vrstvy membrány sú zložené z lipidov (tukov), z ktorých prevažnú časť tvoria nenasýtené tuky - fosfolipidy. Bunková membrána má veľmi zložitú štruktúru a rôzne funkcie. Potenciálny rozdiel na oboch stranách membrány môže byť niekoľko stoviek milivoltov. Vonkajší povrch membrány obsahuje záporný elektrický náboj.

Typicky má bunka jedno jadro. Aj keď existujú bunky, ktoré majú dve alebo viac jadier. Funkciou jadra je uchovávať a prenášať dedičné informácie napríklad pri delení buniek, ako aj riadiť všetky fyziologické procesy v bunke. Jadro obsahuje molekuly DNA, ktoré nesú genetický kód bunky. Jadro je uzavreté v dvojvrstvovej membráne.

Cytoplazma tvorí väčšinu bunky a je to bunková tekutina s organelami a inklúziami, ktoré sa v nej nachádzajú. Organely sú trvalé zložky cytoplazmy, ktoré vykonávajú špecifické dôležité funkcie. Z nich nás najviac zaujímajú mitochondrie, ktoré sa niekedy nazývajú aj elektrárňami bunky. Každá mitochondria má dva membránové systémy: vonkajší a vnútorný. Vonkajšia membrána je hladká, lipidy a bielkoviny sú v nej zastúpené rovnomerne. Vnútorná membrána patrí k najzložitejším typom membránových systémov v ľudskom tele. Obsahuje veľa záhybov, nazývaných hrebenatky (cristae), vďaka ktorým sa povrch membrány výrazne zväčšuje. Táto membrána môže byť reprezentovaná ako súbor hubovitých výrastkov smerujúcich do vnútorného priestoru mitochondrií. Na jednu mitochondriu pripadá 10 až 4-10 až 5 takýchto výrastkov.

Okrem toho je vo vnútornej mitochondriálnej membráne o 50-60 enzýmov viac, celkový počet molekúl rôznych typov dosahuje 80. To všetko je potrebné pre chemickú oxidáciu a energetický metabolizmus. Medzi fyzikálnymi vlastnosťami tejto membrány je potrebné poznamenať vysoký elektrický odpor, ktorý je charakteristický pre takzvané konjugačné membrány, ktoré sú schopné akumulovať energiu ako dobrý kondenzátor. Potenciálny rozdiel na oboch stranách vnútornej mitochondriálnej membrány je asi 200-250 mV.

Možno si predstaviť, aká zložitá je bunka, ak napríklad pečeňová bunka hepatocytov obsahuje asi 2000 mitochondrií. Ale v bunke je mnoho ďalších organel, stovky enzýmov, hormónov a iných zložitých látok. Každá organela má svoj vlastný súbor látok, prebiehajú v nej určité fyzikálne, chemické a biochemické procesy. Látky v cytoplazmatickom priestore sú v rovnakom dynamickom stave, neustále sa vymieňajú s organelami a s vonkajším prostredím bunky cez jej membránu.

Ospravedlňujem sa Neodbornému čitateľovi za technické detaily, ale poznať tieto predstavy o bunke je užitočné pre každého človeka, ktorý chce byť zdravý. Musíme obdivovať tento zázrak prírody a zároveň brať do úvahy slabiny bunky, keď liečime. Všimol som si, keď obyčajný analgín viedol k edému tkaniva u mladého zdravého človeka. Je úžasné, ako bez rozmýšľania s akou ľahkosťou iní prehĺtajú tabletky!

Pochopenie zložitosti bunkového fungovania nebude úplné, ak nehovoríme o energii buniek. Energia v bunke sa vynakladá na vykonávanie rôznych prác: mechanické - pohyb tekutiny, pohyb organel; chemická - syntéza zložitých organických látok; elektrické - vytvorenie rozdielu elektrických potenciálov na plazmatických membránach; osmotický – transport látok do bunky a späť. Bez toho, aby sme si dali za úlohu vymenovať všetky procesy, obmedzíme sa na známe tvrdenie: bez dostatočného prísunu energie nie je možné dosiahnuť plné fungovanie bunky.

Odkiaľ bunka berie energiu, ktorú potrebuje? Podľa vedeckých teórií sa chemická energia živín (sacharidy, tuky, bielkoviny) premieňa na energiu makroergických (obsahujúcich veľa energie) väzieb adenozíntrifosfátu (ATP). Tieto procesy prebiehajú v mitochondriách buniek hlavne v cykle trikarboxylových kyselín (Krebsov cyklus) a počas oxidačnej fosforylácie. Energia uložená v ATP sa ľahko uvoľní, keď sa prerušia makroergické väzby, v dôsledku čoho je zabezpečená spotreba energie v tele.

Tieto predstavy však neumožňujú objektívne posúdiť kvantitatívne a kvalitatívne charakteristiky zásobovania energiou a výmeny energie v tkanivách, ako aj stavu bunkovej energie a medzibunkovej interakcie. Pozornosť by sa mala venovať najdôležitejšej otázke (G. N. Petrakovich), na ktorú nemôže odpovedať tradičná teória: v dôsledku akých faktorov sa uskutočňuje medzibunková interakcia? Koniec koncov, ATP sa tvorí a spotrebúva, pričom uvoľňuje energiu, vo vnútri mitochondrií.

Medzitým existuje dostatok dôvodov pochybovať o dobrom zásobovaní energiou orgánov, tkanív, buniek. Dokonca možno priamo konštatovať, že v tomto smere človek nie je príliš dokonalý. Svedčí o tom únava, ktorú mnohí zažívajú každý deň a ktorá začína človeka otravovať už od detstva.

Výpočty ukazujú, že ak by energia v ľudskom tele vznikla vďaka týmto procesom (Krebsov cyklus a oxidačná fosforylácia), tak pri nízkej záťaži by bol energetický deficit 30-50% a pri vysokej záťaži - viac ako 90 %. Potvrdzujú to štúdie amerických vedcov, ktorí dospeli k záveru, že mitochondrie nefungujú správne z hľadiska zásobovania človeka energiou.

Otázky o energii buniek a tkanív by zrejme ešte dlho zostali na okraji cesty, po ktorej sa pomaly uberá teoretická i praktická medicína, keby nenastali dve udalosti. Hovoríme o Novej hypotéze dýchania a objave endogénneho dýchania.

Jednou z najzložitejších otázok je tvorba, akumulácia a distribúcia energie v bunke.

Ako bunka produkuje energiu? Veď nemá ani jadrový reaktor, ani elektráreň, ani parný kotol, ani ten najmenší. Teplota vo vnútri článku je konštantná a veľmi nízka - nie viac ako 40 °. A napriek tomu bunky spracovávajú také množstvo látok a tak rýchlo, že by im to závidel každý moderný kombajn.

Ako sa to stane? Prečo prijatá energia zostáva v bunke a neuvoľňuje sa vo forme tepla? Ako bunka uchováva energiu? Pred zodpovedaním týchto otázok je potrebné povedať, že energia vstupujúca do bunky nie je mechanická ani elektrická, ale chemická energia obsiahnutá v organických látkach. V tomto bode vstupujú do hry termodynamické zákony. Ak je energia obsiahnutá v chemických zlúčeninách, tak sa musí uvoľniť ich spaľovaním a pre celkovú tepelnú bilanciu je jedno, či vyhoria okamžite alebo postupne. Bunka si vyberie druhú cestu.

Pre jednoduchosť prirovnajme článok k „elektrárni“. Špeciálne pre inžinierov dodávame, že „elektráreň“ článku je tepelná. Teraz vyzvime predstaviteľov energetického priemyslu na súťaž: kto získa viac energie z paliva a hospodárnejšie ho využije – článok alebo akákoľvek najhospodárnejšia tepelná elektráreň?

V procese evolúcie bunka vytvorila a zdokonalila svoju „elektráreň“. Príroda sa postarala o všetky jej súčasti. Bunka obsahuje "palivo", "motor-generátor", "regulátory výkonu", "transformátorové rozvodne" a "vysokonapäťové prenosové vedenia". Pozrime sa, ako to celé vyzerá.

Hlavným „palivom“, ktoré bunka spaľuje, sú sacharidy. Najjednoduchšie z nich sú glukóza a fruktóza.

Z každodennej lekárskej praxe je známe, že glukóza je základnou živinou. U ťažko podvyživených pacientov sa podáva intravenózne, priamo do krvného obehu.

Ako zdroje energie sa využívajú aj zložitejšie cukry. Ako taký materiál môže slúžiť napríklad obyčajný cukor, ktorý má vedecký názov „sacharóza“ a skladá sa z 1 molekuly glukózy a 1 molekuly fruktózy. U zvierat je glykogén palivo, polymér pozostávajúci z molekúl glukózy spojených do reťazca. V rastlinách sa nachádza látka podobná glykogénu – ide o známy škrob. Glykogén aj škrob sú rezervné látky. Oba sú odložené na daždivý deň. Škrob sa zvyčajne nachádza v podzemných častiach rastliny, ako sú hľuzy, ako napríklad zemiaky. Veľa škrobu je aj v bunkách dužiny listov rastlín (pod mikroskopom sa škrobové zrnká trblietajú ako malé kúsky ľadu).

Glykogén sa u zvierat hromadí v pečeni a odtiaľ sa podľa potreby využíva.

Všetky komplexnejšie ako glukóza musia byť cukry pred konzumáciou rozložené na ich pôvodné „stavebné kamene“ – molekuly glukózy. Existujú špeciálne enzýmy, ktoré strihajú ako nožnice dlhé reťazce škrobu a glykogénu na samostatné monoméry – glukózu a fruktózu.

Pri nedostatku sacharidov môžu rastliny vo svojej „peci“ využívať organické kyseliny – citrónovú, jablčnú atď.

Klíčiace olejnaté semená spotrebujú tuk, ktorý sa najskôr rozloží a potom sa premení na cukor. Vidno to zo skutočnosti, že pri konzumácii tuku v semenách sa zvyšuje obsah cukru.

Takže sú uvedené druhy paliva. Ale pre klietku je nerentabilné ju okamžite spáliť.

Cukry sa spaľujú v bunke chemicky. Normálne spaľovanie je kombinácia paliva s kyslíkom, jeho oxidácia. Ale na oxidáciu sa látka nemusí spájať s kyslíkom - oxiduje sa, keď sa z nej odoberú elektróny vo forme atómov vodíka. Tento druh oxidácie sa nazýva dehydrogenácii("hydros" - vodík). Cukry obsahujú veľa atómov vodíka a nie sú odštiepené naraz, ale postupne. Oxidáciu v bunke vykonáva súbor špeciálnych enzýmov, ktoré urýchľujú a usmerňujú oxidačný proces. Tento súbor enzýmov a prísna postupnosť ich práce tvoria základ generátora bunkovej energie.

Proces oxidácie v živých organizmoch sa nazýva dýchanie, preto nižšie použijeme tento zrozumiteľnejší výraz. Vnútrobunkové dýchanie, ktoré sa tak nazýva analogicky s fyziologickým procesom dýchania, s ním úzko súvisí. O procesoch dýchania si povieme viac neskôr.

Pokračujme v porovnaní článku s elektrárňou. Teraz v ňom musíme nájsť tie časti elektrárne, bez ktorých bude bežať naprázdno. Je jasné, že energiu získanú spaľovaním sacharidov a tukov musí konzument dodať. To znamená, že je potrebná bunková „vysokonapäťová prenosová linka“. Pre bežnú elektráreň je to pomerne jednoduché – cez tajgu, stepi, rieky sa ťahajú vysokonapäťové drôty a cez ne sa dodáva energia do závodov a tovární.

Článok má aj svoj vlastný, univerzálny „vysokonapäťový drôt“. Iba v ňom sa energia prenáša chemicky a ako „drôt“ samozrejme slúži chemická zlúčenina. Pre pochopenie princípu jej fungovania vnášame do chodu elektrárne malú komplikáciu. Predpokladajme, že energia z vysokonapäťového vedenia nemôže byť dodávaná spotrebiteľovi drôtmi. V tomto prípade bude najjednoduchšie nabíjať elektrické batérie z vysokonapäťového vedenia, prepravovať ich k spotrebiteľovi, prepravovať použité batérie späť atď. V energetike je to, samozrejme, nerentabilné. Podobná metóda v klietke je veľmi prospešná.

Ako batéria v bunke sa používa zlúčenina, ktorá je univerzálna pre takmer všetky organizmy – kyselina adenozíntrifosforečná (už sme o nej hovorili).

Na rozdiel od energie iných fosfoéterových väzieb (2-3 kilokalórie) je väzbová energia koncových (najmä krajných) fosfátových zvyškov v ATP veľmi vysoká (až 16 kcal); tak sa toto spojenie nazýva makroergický».

ATP sa v tele nachádza všade tam, kde je potrebná energia. Syntéza rôznych zlúčenín, práca svalov, pohyb bičíkov v prvokoch - ATP prenáša energiu všade.

"Nabíjanie" ATP v bunke prebieha nasledovne. Pre miesto výdaja energie je vhodná kyselina adenozíndifosforečná - ADP (ATP bez 1 atómu fosforu). Keď môže byť energia viazaná, ADP sa spojí s fosforom, ktorý je v bunke vo veľkých množstvách, a energiu do tohto spojenia „zabudne“. Teraz potrebujeme dopravu. Skladá sa zo špeciálnych enzýmov - fosfoferáz ("fera" - nosím), ktoré na požiadanie "uchopia" ATP a prenesú ho na miesto účinku. Ďalej prichádza na rad posledná, konečná „elektrárenská jednotka“ – znižovacie transformátory. Musia znížiť napätie a poskytnúť spotrebiteľovi už bezpečný prúd. Túto úlohu vykonávajú rovnaké fosfoferázy. Prenos energie z ATP na inú látku sa uskutočňuje v niekoľkých fázach. Najprv sa ATP spojí s touto látkou, potom dôjde k vnútornému preskupeniu atómov fosforu a nakoniec sa komplex rozpadne - ADP sa oddelí a fosfor bohatý na energiu zostane „visieť“ na novej látke. Nová látka sa v dôsledku prebytku energie ukazuje ako oveľa nestabilnejšia a je schopná rôznych reakcií.

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

Kapitola 1

1.1.3. Bunková biochémia (energia)

Procesy svalovej kontrakcie, prenosu nervového vzruchu, syntézy bielkovín atď. sú spojené s nákladmi na energiu. Bunky využívajú energiu iba vo forme ATP. Uvoľňovanie energie obsiahnutej v ATP sa uskutočňuje vďaka enzýmu ATPáze, ktorý je prítomný na všetkých miestach bunky, kde je potrebná energia. Pri uvoľňovaní energie vznikajú molekuly ADP, F, N. Resyntéza ATP sa uskutočňuje najmä vďaka dodávke CRF. Keď CrF odovzdá svoju energiu na resyntézu ATP, vzniknú Cr a F. Tieto molekuly sa šíria cez cytoplazmu a aktivujú enzymatickú aktivitu spojenú so syntézou ATP. Existujú dva hlavné spôsoby tvorby ATP: anaeróbne a aeróbne (Aulik I.V., 1990; Khochachka P., Somero J., 1988 atď.).

anaeróbna dráha alebo anaeróbna glykolýza spojené s enzymatickými systémami umiestnenými na membráne sarkoplazmatického retikula a v sarkoplazme. Keď sa vedľa týchto enzýmov objavia Kr a F, spustí sa reťazec chemických reakcií, počas ktorých sa glykogén alebo glukóza rozkladajú na pyruvát za tvorby molekúl ATP. Molekuly ATP okamžite odovzdajú svoju energiu na resyntézu CRP a ADP a F sa opäť použijú pri glykolýze na vytvorenie novej molekuly ATP. Pyruvát má dve možnosti konverzie:

1) Premeniť sa na Acetyl koenzým A, podstúpiť oxidačnú fosforyláciu v mitochondriách za vzniku molekúl oxidu uhličitého, vody a ATP. Táto metabolická dráha – glykogén-pyruvát-mitochondrie-oxid uhličitý a voda – je tzv aeróbna glykolýza.

2) Pomocou enzýmu LDH M (laktátdehydrogenáza svalového typu) sa pyruvát mení na laktát. Táto metabolická dráha – glykogén-pyruvát-laktát – je tzv anaeróbna glykolýza a je sprevádzaná tvorbou a akumuláciou vodíkových iónov.

aeróbnym spôsobom, alebo oxidatívna fosforylácia spojená s mitochondriálnym systémom. Keď sa Cr a F objavia v blízkosti mitochondrií pomocou mitochondriálnej CPKázy, dôjde k resyntéze CrF v dôsledku ATP vytvoreného v mitochondriách. ADP a P sa vracajú do mitochondrií, aby vytvorili novú molekulu ATP. Syntéza ATP má dve metabolické dráhy:

1) aeróbna glykolýza;
2) oxidácia lipidov (tukov).

Aeróbne procesy sú spojené s absorpciou vodíkových iónov a v pomalých svalových vláknach (MF srdca a bránice) prevláda enzým LDH H (laktátdehydrogenáza srdcového typu), ktorý intenzívnejšie premieňa laktát na pyruvát. Preto počas fungovania pomalých svalových vlákien (SMF) dochádza k rýchlej eliminácii laktátových a vodíkových iónov.

Zvýšenie laktátu a H v MW vedie k inhibícii oxidácie tukov a intenzívna oxidácia tukov vedie k akumulácii citrátu v bunke a inhibuje enzýmy glykolýzy.

Predpokladom existencie každého organizmu je neustály prísun živín a neustále uvoľňovanie konečných produktov chemických reakcií prebiehajúcich v bunkách. Živiny sú využívané organizmami ako zdroj atómov chemických prvkov (predovšetkým atómov uhlíka), z ktorých sa budujú alebo obnovujú všetky štruktúry. Okrem živín telo dostáva aj vodu, kyslík a minerálne soli. Organické látky, ktoré vstupujú do buniek (alebo sa syntetizujú počas fotosyntézy), sa rozkladajú na stavebné bloky - monoméry a posielajú sa do všetkých buniek tela. Časť molekúl týchto látok sa vynakladá na syntézu špecifických organických látok, ktoré sú vlastné tomuto organizmu. Proteíny, lychidy, sacharidy, nukleové kyseliny a ďalšie látky sa syntetizujú v bunkách, ktoré plnia rôzne funkcie (stavebné, katalytické, regulačné, ochranné atď.). Ďalšia časť nízkomolekulárnych organických zlúčenín, ktoré sa dostávajú do buniek, vedie k tvorbe ATP, ktorého molekuly obsahujú energiu určenú priamo na výkon práce. Energia je potrebná na syntézu všetkých špecifických látok tela, udržiavanie jeho vysoko usporiadanej organizácie, aktívny transport látok v bunkách, z jednej bunky do druhej, z jednej časti tela do druhej, na prenos nervových vzruchov, pohyb organizmov a udržiavanie konštantnej telesnej teploty (u vtákov a cicavcov) a na iné účely. Pri premene látok v bunkách vznikajú konečné produkty metabolizmu, ktoré môžu byť pre organizmus toxické a vylučujú sa z neho (napríklad amoniak). Všetky živé organizmy teda neustále spotrebúvajú určité látky z prostredia, premieňajú ich a uvoľňujú do prostredia finálne produkty. Všetky chemické reakcie prebiehajúce v tele sa nazývajú metabolizmus alebo metabolizmus. V závislosti od všeobecného smeru procesov sa rozlišuje katabolizmus a anabolizmus.

Katabolizmus (disimilácia) je súbor reakcií vedúcich k vzniku jednoduchých zlúčenín zo zložitejších. Medzi katabolické reakcie patria napríklad reakcie hydrolýzy polymérov na monoméry a ich rozklad na oxid uhličitý, vodu, amoniak, teda reakcie energetického metabolizmu, pri ktorých dochádza k oxidácii organických látok a syntéze ATP. Anabolizmus (asimilácia) je súbor reakcií na syntézu zložitých organických látok z jednoduchších. Patria sem napríklad fixácia dusíka a biosyntéza bielkovín, syntéza sacharidov z oxidu uhličitého a vody pri fotosyntéze, syntéza polysacharidov, lipidov, nukleotidov, DNA, RNA a ďalších látok. Syntéza látok v bunkách živých organizmov sa často označuje ako výmena plastov a rozklad látok a ich oxidácia sprevádzaná syntézou ATP sa nazýva energetický metabolizmus. Oba typy metabolizmu tvoria základ vitálnej aktivity akejkoľvek bunky, a teda každého organizmu, a navzájom úzko súvisia. Procesy anabolizmu a katabolizmu sú v organizme v stave dynamickej rovnováhy alebo dočasnej prevalencie jedného z nich. Prevaha anabolických procesov nad katabolickými vedie k rastu, hromadeniu hmoty tkaniva a katabolické - k čiastočnej deštrukcii tkanivových štruktúr, uvoľneniu energie. Stav rovnovážneho alebo nerovnovážneho pomeru anabolizmu a katabolizmu závisí od veku. V detstve prevládajú procesy anabolizmu av senilnom veku - katabolizmus. U dospelých sú tieto procesy v rovnováhe. Ich pomer závisí aj od zdravotného stavu, fyzickej alebo psycho-emocionálnej aktivity, ktorú človek vykonáva.

82. Entropia otvorených termodynamických systémov, Prigoginova rovnica.

Entropia je mierou disipácie voľnej energie, preto každý otvorený t/d systém v stacionárnom stave má tendenciu k minimálnej disipácii voľnej energie. Ak sa systém z nejakého dôvodu odklonil od stacionárneho stavu, potom v dôsledku tendencie systému k minimálnej entropii v ňom nastanú vnútorné zmeny, ktoré ho vrátia do stacionárneho stavu. Otvorený systém, termodynamický systém schopný vymieňať si hmotu a energiu s prostredím. V otvorenom systéme teplo prúdi zo systému aj do neho.

Postulát I.R. Prigogine je, že celková zmena entropie dS otvoreného systému môže nastať nezávisle buď v dôsledku výmenných procesov s vonkajším prostredím (deS) alebo v dôsledku vnútorných ireverzibilných procesov (diS): dS = deS + diS. Prigoginova veta. V stacionárnych stavoch s pevnými vonkajšími parametrami je rýchlosť produkcie entropie v otvorenom systéme v dôsledku výskytu ireverzibilných procesov konštantná v čase a minimálna. diS / dt min.

Od objavenia sa jednobunkových organizmov po „vynález“ bunkového jadra a zrodenie množstva ďalších inovácií uplynulo viac ako miliarda rokov. Až potom sa otvorila cesta prvým mnohobunkovým bytostiam, ktoré dali vzniknúť trom ríšam zvierat, rastlín a húb. Európski vedci predložili nové vysvetlenie tejto transformácie, ktoré je v rozpore s myšlienkami, ktoré doteraz existovali.

Všeobecne sa uznáva, že najprv sa dokonalejšie jadrové bunky zrodili z prokaryot, spoliehajúc sa na staré energetické mechanizmy, a až neskôr regrúti získali mitochondrie. Tým posledným bola prisúdená dôležitá úloha v ďalšom vývoji eukaryotov, nie však úloha základného kameňa, ktorý leží v jeho samom základe.

„Ukázali sme, že prvá možnosť nebude fungovať. Na rozvoj zložitosti bunky potrebuje mitochondrie, “vysvetľuje Martin. „Naša hypotéza vyvracia tradičný názor, že prechod na eukaryotické bunky si vyžadoval iba správne mutácie,“ opakuje Lane.

Vyvíjali sa spoločne, pričom endosymbiont postupne zdokonaľoval jednu zručnosť – syntézu ATP. Vnútorná bunka sa zmenšila a preniesla niektoré zo svojich sekundárnych génov do jadra. Takže mitochondrie si zachovali iba tú časť pôvodnej DNA, ktorú potrebovali na to, aby fungovali ako „živá elektráreň“.

Mitochondrie vo vnútri bunky (fluoreskujú zeleno). Vložky: Martin (vľavo) a Lane. Podrobnosti o novej štúdii nájdete v článku Nature a tlačovej správe UCL (fotky Douglas Kline, molevol.de, nick-lane.net).

Vzhľad mitochondrií z hľadiska energie možno porovnať s vynálezom rakety po vozíku, pretože jadrové bunky sú objemovo v priemere tisíckrát väčšie ako bunky bez jadra.

Zdá sa, že to druhé môže rásť aj vo veľkosti a zložitosti zariadenia (tu sú izolované pozoruhodné príklady). Ale na tejto ceste majú drobné stvorenia háčik: ako geometricky rastú, pomer plochy povrchu k objemu rýchlo klesá.

Jednoduché bunky medzitým vytvárajú energiu pomocou membrány, ktorá ich pokrýva. Takže vo veľkej prokaryotickej bunke môže byť veľa miesta pre nové gény, ale jednoducho nemá dostatok energie na syntézu proteínov podľa týchto „návodov“.

Jednoduché zvýšenie záhybov vonkajšej membrány situáciu zvlášť nezachráni (aj keď sú také bunky známe). Pri tomto spôsobe zvyšovania výkonu sa zvyšuje aj počet chýb v prevádzke energetického systému. V bunke sa hromadia nežiaduce molekuly, ktoré ju môžu zničiť.

Počet mitochondrií (zobrazených červenou farbou) v jednej bunke sa pohybuje od jednej kópie (väčšinou v jednobunkových eukaryotoch) po dvetisíc (napríklad v ľudských pečeňových bunkách) (ilustrácia Odra Noel).

Mitochondrie sú geniálny vynález prírody. Zvýšením ich počtu je možné zvýšiť energetický potenciál bunky bez toho, aby sa zväčšil jej vonkajší povrch. Každá mitochondria má navyše zabudované kontrolné a opravné mechanizmy.

A ďalšie plus inovácie: mitochondriálna DNA je malá a veľmi ekonomická. Na jeho kopírovanie nie je potrebné veľa zdrojov. Ale baktérie, aby zvýšili svoje energetické schopnosti, môžu vytvoriť iba veľa kópií celého svojho genómu. Takýto vývoj však rýchlo vedie do energetickej slepej uličky.

Porovnanie energie rôznych buniek a ich schém. a) – priemerný prokaryot ( Escherichia), b) je veľmi veľký prokaryot ( Thiomargarita) a (c) stredné eukaryoty ( Euglena).
Diagramy ukazujú (zhora nadol): výkon (watty) na gram bunky (d), výkon (femtowatty) na gén (e) a výkon (pikowatty) na haploidný genóm (f) (ilustrácie Nick Lane, William Martin/Príroda) .

Autori práce vypočítali, že priemerná eukaryotická bunka by teoreticky mohla niesť 200 000-krát viac génov ako priemerná baktéria. Eukaryoty si možno predstaviť ako knižnicu s veľkým počtom políc – naplňte ju knihami, ako sa vám dosýta. No a rozšírenejší genóm je základom pre ďalšie zlepšovanie štruktúry bunky a jej metabolizmu, vznik nových regulačných okruhov.