Khi làm quen với những công trình nền tảng của nhân loại, bạn thường thấy mình nghĩ rằng với sự phát triển của khoa học, có nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời. Trong những năm 1980 và 1990, sinh học phân tử và di truyền học đã mở rộng hiểu biết của chúng ta về tế bào và các tương tác tế bào. Toàn bộ lớp nhân tố tế bào điều hòa sự tương tác giữa các tế bào đã được phân lập. Điều này rất quan trọng để hiểu được hoạt động của cơ thể người đa bào và đặc biệt là các tế bào của hệ thống miễn dịch. Nhưng mỗi năm các nhà sinh học phát hiện ra ngày càng nhiều các yếu tố gian bào này và việc tái tạo bức tranh toàn bộ sinh vật ngày càng trở nên khó khăn hơn. Vì vậy, có nhiều câu hỏi hơn là có câu trả lời.

Sự không cạn kiệt của cơ thể con người và khả năng nghiên cứu hạn chế dẫn đến kết luận rằng các ưu tiên nghiên cứu trước mắt và tiếp theo là cần thiết. Một ưu tiên như vậy ngày nay là năng lượng của các tế bào của cơ thể con người sống. Kiến thức không đầy đủ về sản xuất năng lượng và trao đổi năng lượng của các tế bào trong cơ thể trở thành một trở ngại cho việc nghiên cứu khoa học nghiêm túc.

Tế bào là đơn vị cấu trúc cơ bản của cơ thể: tất cả các cơ quan và mô đều được tạo thành từ tế bào. Rất khó để tin tưởng vào sự thành công của thuốc hoặc các phương pháp không dùng thuốc nếu chúng được phát triển mà không có kiến ​​thức đầy đủ về năng lượng tế bào và tương tác năng lượng giữa các tế bào. Có thể đưa ra đủ các ví dụ về nơi các biện pháp được khuyến cáo và sử dụng rộng rãi có hại cho sức khỏe.

Phương pháp tiếp cận thực chất đang chiếm ưu thế trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe. Chất là chất. Logic của việc chữa bệnh cực kỳ đơn giản: cung cấp cho cơ thể những chất cần thiết (nước, thức ăn, vitamin, nguyên tố vi lượng và nếu cần là thuốc) và loại bỏ các sản phẩm chuyển hóa ra khỏi cơ thể (phân, mỡ thừa, muối, chất độc, v.v.) .). Việc mở rộng các loại thuốc tiếp tục thành công. Những thế hệ mới của người dân ở nhiều quốc gia đang trở thành những người tự nguyện tham gia vào một cuộc thử nghiệm quy mô lớn. Ngành công nghiệp dược phẩm đòi hỏi những bệnh nhân mới. Tuy nhiên, ngày càng có ít người khỏe mạnh.

Người sáng tạo ra một hướng dẫn sử dụng thuốc phổ biến đã từng được hỏi về việc cá nhân anh ta phải thử bao nhiêu loại thuốc. Không, là câu trả lời. Rõ ràng, người đàn ông thông minh này có kiến ​​thức tuyệt vời về sinh hóa tế bào và có thể sử dụng kiến ​​thức này để sử dụng tốt trong cuộc sống.

Hãy tưởng tượng một hạt vật chất sống thu nhỏ, ở dạng ellipsoid, đĩa, quả bóng, đường kính khoảng 8-15 micron (µm), đồng thời là hệ thống tự điều chỉnh phức tạp nhất. Một tế bào sống bình thường được gọi là biệt hóa, như thể nhấn mạnh rằng nhiều yếu tố tạo nên thành phần của nó được tách biệt rõ ràng tương đối với nhau. Theo quy luật, khái niệm "tế bào không biệt hóa" thuộc về một tế bào ung thư đã được sửa đổi, chẳng hạn. Các tế bào biệt hóa không chỉ khác nhau về cấu trúc, chuyển hóa bên trong mà còn khác nhau về chuyên môn hóa, ví dụ như tế bào thận, gan và tim.

Nói chung, một tế bào bao gồm ba thành phần: màng tế bào, tế bào chất, nhân. Thành phần của màng tế bào, theo quy luật, bao gồm một màng ba, bốn lớp và một lớp vỏ bên ngoài. Hai lớp của màng được cấu tạo bởi lipid (chất béo), phần lớn trong số đó là chất béo không bão hòa - phospholipid. Màng tế bào có cấu trúc rất phức tạp và chức năng đa dạng. Hiệu điện thế ở cả hai mặt của màng có thể là vài trăm milivôn. Mặt ngoài của màng chứa điện tích âm.

Thông thường, một tế bào có một nhân. Mặc dù có những tế bào có từ hai nhân trở lên. Chức năng của nhân là lưu trữ và truyền thông tin di truyền, ví dụ, trong quá trình phân chia tế bào, cũng như kiểm soát tất cả các quá trình sinh lý trong tế bào. Nhân chứa các phân tử ADN mang mã di truyền của tế bào. Nhân được bao bọc trong một lớp màng hai lớp.

Tế bào chất tạo nên phần lớn của tế bào và là một chất lỏng của tế bào với các bào quan và thể vùi nằm trong đó. Các bào quan là thành phần vĩnh viễn của tế bào chất thực hiện các chức năng quan trọng cụ thể. Trong số này, chúng tôi quan tâm nhất đến ty thể, đôi khi được gọi là trung tâm năng lượng của tế bào. Mỗi ty thể có hai hệ thống màng: bên ngoài và bên trong. Màng ngoài nhẵn, lipid và protein được thể hiện bằng nhau trong đó. Màng trong thuộc loại hệ thống màng phức tạp nhất trong cơ thể con người. Nó chứa nhiều nếp gấp, được gọi là hình sò (cristae), do đó bề mặt màng tăng lên đáng kể. Màng này có thể được biểu diễn như một tập hợp các mầm hình nấm hướng vào không gian bên trong của ti thể. Có 10 đến 4-10 đến 5 lần phát triển như vậy trên mỗi ty thể.

Ngoài ra, có thêm 50-60 enzym trong màng trong ti thể, tổng số phân tử các loại lên tới 80. Tất cả điều này là cần thiết cho quá trình oxy hóa hóa học và chuyển hóa năng lượng. Trong số các tính chất vật lý của màng này, cần lưu ý đến khả năng chịu điện cao, đặc trưng cho cái gọi là màng liên hợp, có khả năng tích lũy năng lượng giống như một tụ điện tốt. Hiệu điện thế ở cả hai bên của màng trong ty thể là khoảng 200-250 mV.

Người ta có thể tưởng tượng một tế bào phức tạp như thế nào nếu, ví dụ, một tế bào gan của tế bào gan chứa khoảng 2000 ty thể. Nhưng có rất nhiều bào quan khác trong tế bào, hàng trăm loại enzim, kích thích tố và các chất phức tạp khác. Mỗi bào quan có một tập hợp các chất riêng; một số quá trình vật lý, hóa học và sinh hóa được thực hiện trong đó. Các chất trong tế bào chất ở cùng một trạng thái động, chúng liên tục trao đổi với các bào quan và với môi trường bên ngoài của tế bào qua màng của nó.

Tôi xin lỗi Độc giả không phải là chuyên gia về các chi tiết kỹ thuật, nhưng rất hữu ích khi biết những ý tưởng này về tế bào cho mỗi người muốn khỏe mạnh. Chúng ta phải khâm phục điều kỳ diệu này của thiên nhiên, đồng thời phải tính đến những điểm yếu của tế bào khi chúng ta điều trị. Tôi đã quan sát thấy khi analgin bình thường dẫn đến phù nề mô ở một người trẻ khỏe mạnh. Thật là tuyệt vời làm sao, không cần suy nghĩ, những người khác nuốt viên thuốc một cách dễ dàng!

Sự hiểu biết về sự phức tạp của hoạt động tế bào sẽ không đầy đủ nếu chúng ta không nói về năng lượng của tế bào. Năng lượng trong tế bào được sử dụng để thực hiện các công việc khác nhau: cơ học - chuyển động của chất lỏng, chuyển động của các bào quan; hóa học - tổng hợp các chất hữu cơ phức tạp; điện - tạo ra sự khác biệt về điện thế trên màng plasma; thẩm thấu - vận chuyển các chất vào tế bào và trở lại. Không tự đặt cho mình nhiệm vụ liệt kê tất cả các quá trình, chúng ta tự giam mình trong một tuyên bố nổi tiếng: không cung cấp đủ năng lượng, không thể đạt được chức năng đầy đủ của tế bào.

Tế bào lấy năng lượng cần thiết ở đâu? Theo lý thuyết khoa học, năng lượng hóa học của các chất dinh dưỡng (carbohydrate, chất béo, protein) được chuyển đổi thành năng lượng của các liên kết macroergic (chứa nhiều năng lượng) của adenosine triphosphate (ATP). Các quá trình này được thực hiện trong ty thể của tế bào chủ yếu trong chu trình axit tricarboxylic (chu trình Krebs) và trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Năng lượng dự trữ trong ATP dễ dàng được giải phóng khi các liên kết macroergic bị phá vỡ, kết quả là cung cấp năng lượng tiêu thụ trong cơ thể.

Tuy nhiên, những ý tưởng này không cho phép đánh giá khách quan các đặc điểm định lượng và định tính của việc cung cấp năng lượng và trao đổi năng lượng trong các mô, cũng như trạng thái năng lượng tế bào và tương tác giữa các tế bào. Cần chú ý đến câu hỏi quan trọng nhất (G. N. Petrakovich) mà lý thuyết truyền thống không thể trả lời được: tương tác giữa các tế bào được thực hiện nhờ những yếu tố nào? Sau cùng, ATP được hình thành và tiêu thụ, giải phóng năng lượng, bên trong ty thể.

Trong khi đó, có đủ lý do để nghi ngờ sự hạnh phúc của việc cung cấp năng lượng cho các cơ quan, mô, tế bào. Thậm chí có thể nói trực tiếp rằng một người không hoàn hảo lắm về mặt này. Điều này được chứng minh bằng sự mệt mỏi mà nhiều người phải trải qua mỗi ngày, và điều này bắt đầu làm phiền một người từ thời thơ ấu.

Các tính toán cho thấy rằng nếu năng lượng trong cơ thể con người được tạo ra do các quá trình này (chu trình Krebs và quá trình phosphoryl hóa oxy hóa), thì ở mức tải thấp, mức thiếu hụt năng lượng sẽ là 30-50% và ở mức tải cao - nhiều hơn 90%. Điều này được khẳng định bởi các nghiên cứu của các nhà khoa học Mỹ, họ đã đưa ra kết luận rằng ty thể không hoạt động bình thường trong việc cung cấp năng lượng cho một người.

Các câu hỏi về năng lượng của các tế bào và mô có lẽ đã nằm yên bên đường trong một thời gian dài, cùng với đó, y học lý thuyết và thực hành đang dần di chuyển, nếu hai sự kiện không xảy ra. Chúng ta đang nói về Giả thuyết mới về Hô hấp và khám phá về Hô hấp Nội sinh.

Một trong những vấn đề phức tạp nhất là sự hình thành, tích tụ và phân phối năng lượng trong tế bào.

Làm thế nào để một tế bào sản xuất năng lượng? Rốt cuộc, nó không có lò phản ứng hạt nhân, cũng không có nhà máy điện, cũng không có lò hơi, dù là lò nhỏ nhất. Nhiệt độ bên trong phòng giam không đổi và rất thấp - không quá 40 °. Và bất chấp điều này, các tế bào xử lý một lượng chất nhanh chóng đến mức bất kỳ sự kết hợp hiện đại nào cũng phải ghen tị với chúng.

Làm thế nào điều này xảy ra? Tại sao năng lượng nhận được vẫn ở trong tế bào, và không được giải phóng dưới dạng nhiệt? Làm thế nào để một tế bào lưu trữ năng lượng? Trước khi trả lời những câu hỏi này, cần phải nói rằng năng lượng đi vào tế bào không phải là năng lượng cơ học hoặc điện năng, mà là năng lượng hóa học chứa trong các chất hữu cơ. Tại thời điểm này, các định luật nhiệt động lực học phát huy tác dụng. Nếu năng lượng được chứa trong các hợp chất hóa học, thì nó phải được giải phóng bằng quá trình đốt cháy của chúng, và đối với sự cân bằng nhiệt tổng thể, không quan trọng là chúng bị đốt cháy ngay lập tức hay dần dần. Ô chọn đường dẫn thứ hai.

Để đơn giản hơn, hãy so sánh tế bào với một "nhà máy điện". Đặc biệt đối với các kỹ sư, chúng tôi nói thêm rằng "nhà máy điện" của tế bào là nhiệt. Bây giờ chúng ta hãy thử thách các đại diện năng lượng trong một cuộc thi: ai sẽ nhận được nhiều năng lượng hơn từ nhiên liệu và sử dụng nó tiết kiệm hơn - tế bào hay bất kỳ nhà máy nhiệt điện nào, tiết kiệm nhất?

Trong quá trình tiến hóa, tế bào đã tạo ra và cải tiến "nhà máy điện" của mình. Thiên nhiên đã chăm sóc tất cả các bộ phận của nó. Ô chứa "nhiên liệu", "động cơ-máy phát", "bộ điều chỉnh điện", "trạm biến áp" và "đường dây tải điện cao thế". Hãy xem tất cả trông như thế nào.

"Nhiên liệu" chính được đốt cháy bởi tế bào là cacbohydrat. Đơn giản nhất trong số đó là glucose và fructose.

Từ thực hành y tế hàng ngày, người ta biết rằng glucose là một chất dinh dưỡng thiết yếu. Ở những bệnh nhân suy dinh dưỡng nghiêm trọng, nó được tiêm tĩnh mạch, trực tiếp vào máu.

Các loại đường phức tạp hơn cũng được sử dụng làm nguồn năng lượng. Ví dụ, đường thông thường, có tên khoa học là "sucrose" và bao gồm 1 phân tử glucose và 1 phân tử fructose, có thể dùng làm nguyên liệu như vậy. Ở động vật, glycogen là nhiên liệu, một loại polymer bao gồm các phân tử glucose liên kết trong một chuỗi. Trong thực vật, có một chất tương tự như glycogen - đây là loại tinh bột được nhiều người biết đến. Cả glycogen và tinh bột đều là chất dự trữ. Cả hai đều được hoãn lại vì một ngày mưa. Tinh bột thường được tìm thấy trong các bộ phận dưới đất của cây, chẳng hạn như củ, như khoai tây. Trong tế bào cùi của lá cây cũng có nhiều tinh bột (soi dưới kính hiển vi, hạt tinh bột lấp lánh như những cục nước đá nhỏ).

Glycogen tích tụ trong gan động vật và được sử dụng từ đó khi cần thiết.

Tất cả đều phức tạp hơn glucose, đường phải được chia nhỏ thành các "khối xây dựng" ban đầu của chúng - các phân tử glucose trước khi tiêu thụ. Có những enzym đặc biệt có thể cắt, giống như kéo, các chuỗi dài của tinh bột và glycogen thành các monome riêng biệt - glucose và fructose.

Khi thiếu cacbohydrat, thực vật có thể sử dụng các axit hữu cơ trong "lò" của chúng - xitric, malic, v.v.

Hạt có dầu nảy mầm tiêu thụ chất béo, chất béo này đầu tiên được phân hủy và sau đó chuyển hóa thành đường. Điều này có thể thấy là khi chất béo trong hạt được tiêu thụ, hàm lượng đường tăng lên.

Vì vậy, các loại nhiên liệu được liệt kê. Nhưng nếu đốt ngay cái lồng thì không có lãi.

Đường được đốt cháy trong tế bào về mặt hóa học. Quá trình đốt cháy bình thường là sự kết hợp của nhiên liệu với oxy, quá trình oxy hóa của nó. Nhưng đối với quá trình oxy hóa, một chất không cần phải kết hợp với oxy - nó bị oxy hóa khi các điện tử bị lấy đi khỏi nó ở dạng nguyên tử hydro. Loại oxy hóa này được gọi là khử hydro("hydros" - hydro). Đường chứa nhiều nguyên tử hydro, và chúng được tách ra không phải cùng một lúc mà lần lượt được tách ra. Quá trình oxy hóa trong tế bào được thực hiện bởi một tập hợp các enzym đặc biệt giúp đẩy nhanh và chỉ đạo quá trình oxy hóa. Tập hợp các enzym này và trình tự hoạt động nghiêm ngặt của chúng tạo thành nền tảng của bộ tạo năng lượng tế bào.

Quá trình oxy hóa trong cơ thể sống được gọi là quá trình hô hấp, vì vậy chúng ta sẽ sử dụng cách diễn đạt dễ hiểu hơn dưới đây. Hô hấp nội bào, được đặt tên tương tự với quá trình sinh lý của hô hấp, có liên quan chặt chẽ với nó. Chúng ta sẽ nói rõ hơn về các quá trình của quá trình hô hấp ở phần sau.

Hãy tiếp tục so sánh một tế bào với một nhà máy điện. Bây giờ chúng ta cần tìm trong đó những bộ phận của nhà máy điện, nếu không có nó nó sẽ chạy không tải. Rõ ràng là năng lượng thu được từ quá trình đốt cháy cacbohydrat và chất béo phải được cung cấp cho người tiêu dùng. Điều này có nghĩa là cần phải có một “đường truyền điện áp cao” di động. Đối với một nhà máy điện thông thường, điều này tương đối đơn giản - các dây điện cao thế được kéo qua rừng taiga, thảo nguyên, sông ngòi và năng lượng được cung cấp thông qua chúng cho các nhà máy và nhà máy.

Tế bào cũng có "dây điện cao thế" phổ thông của riêng nó. Chỉ trong nó, năng lượng được truyền theo phương pháp hóa học, và tất nhiên, một hợp chất hóa học đóng vai trò như một “sợi dây”. Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động của nó, chúng tôi xin giới thiệu một vấn đề nhỏ trong quá trình vận hành nhà máy điện. Giả sử rằng năng lượng từ đường dây cao áp không thể được cung cấp cho người tiêu dùng bằng dây dẫn. Trong trường hợp này, dễ dàng nhất là sạc pin điện từ đường dây cao áp, vận chuyển đến người tiêu dùng, vận chuyển pin đã qua sử dụng trở lại ... Trong lĩnh vực năng lượng, tất nhiên, điều này là không có lãi. Một phương pháp tương tự như lồng rất có lợi.

Như một pin trong tế bào, một hợp chất được sử dụng phổ biến cho hầu hết mọi sinh vật - axit adenosine triphosphoric (chúng ta đã nói về nó).

Không giống như năng lượng của các liên kết photphoether khác (2-3 kilocalories), năng lượng liên kết của các gốc photphat ở đầu tận cùng (đặc biệt là cực) trong ATP rất cao (lên đến 16 kilocalories); vì vậy kết nối này được gọi là macroergic».

ATP được tìm thấy trong cơ thể ở bất cứ nơi nào cần năng lượng. Sự tổng hợp các hợp chất khác nhau, hoạt động của các cơ, sự di chuyển của roi trong động vật nguyên sinh - ATP mang năng lượng đi khắp nơi.

Quá trình "sạc" ATP trong tế bào diễn ra như sau. Adenosine diphosphoric acid - ADP (ATP không có 1 nguyên tử photpho) thích hợp cho nơi giải phóng năng lượng. Khi năng lượng có thể được liên kết, ADP kết hợp với phốt pho, có số lượng lớn trong tế bào, và "bất tử" năng lượng vào kết nối này. Bây giờ chúng ta cần phương tiện đi lại. Nó bao gồm các enzym đặc biệt - phosphopherase ("fera" - tôi mang), theo yêu cầu, "lấy" ATP và chuyển nó đến vị trí hoạt động. Tiếp theo là đến lượt của "đơn vị nhà máy điện" cuối cùng - máy biến áp bậc thang. Họ phải hạ điện áp và cung cấp một dòng điện đã an toàn cho người tiêu dùng. Vai trò này được thực hiện bởi các phosphopherase giống nhau. Việc chuyển năng lượng từ ATP sang chất khác được thực hiện qua nhiều giai đoạn. Đầu tiên, ATP kết hợp với chất này, sau đó xảy ra sự sắp xếp lại bên trong các nguyên tử phốt pho, và cuối cùng, phức hợp bị phá vỡ - ADP bị tách ra, và phốt pho giàu năng lượng vẫn "treo" trên chất mới. Chất mới hóa ra không bền hơn nhiều do dư thừa năng lượng và có khả năng xảy ra nhiều phản ứng khác nhau.

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

Chương 1

1.1.3. Hóa sinh tế bào (năng lượng)

Các quá trình co cơ, truyền xung thần kinh, tổng hợp protein, v.v. đi kèm với chi phí năng lượng. Tế bào chỉ sử dụng năng lượng dưới dạng ATP. Việc giải phóng năng lượng có trong ATP được thực hiện nhờ vào enzym ATPase, enzym này có ở tất cả những nơi cần năng lượng của tế bào. Khi năng lượng được giải phóng, các phân tử ADP, F, N. được hình thành. Quá trình tổng hợp ATP được thực hiện chủ yếu do sự cung cấp CRF. Khi CrF nhường năng lượng cho quá trình tổng hợp ATP, Cr và F được hình thành, các phân tử này lan truyền trong tế bào chất và kích hoạt hoạt động của enzym liên quan đến tổng hợp ATP. Có hai cách hình thành ATP chính: kỵ khí và hiếu khí (Aulik I.V., 1990; Khochachka P., Somero J., 1988, v.v.).

con đường kỵ khí hoặc đường phân kỵ khí liên kết với các hệ thống enzim nằm trên màng của lưới cơ chất và trong cơ quan. Khi Kr và F xuất hiện bên cạnh các enzym này, một chuỗi phản ứng hóa học được khởi động, trong đó glycogen hoặc glucose bị phân hủy thành pyruvate với sự hình thành các phân tử ATP. Các phân tử ATP ngay lập tức cung cấp năng lượng cho quá trình tổng hợp CRP, ADP và F lại được sử dụng trong quá trình đường phân để tạo thành phân tử ATP mới. Pyruvate có hai khả năng chuyển đổi:

1) Biến thành Acetyl coenzyme A, trải qua quá trình phosphoryl oxy hóa trong ti thể để tạo thành các phân tử carbon dioxide, nước và ATP. Con đường trao đổi chất này - glycogen-pyruvate-ty thể-carbon dioxide và nước - được gọi là đường phân hiếu khí.

2) Với sự trợ giúp của enzyme LDH M (lactate dehydrogenase loại cơ), pyruvate được chuyển thành lactate. Con đường chuyển hóa này - glycogen-pyruvate-lactate - được gọi là đường phân kỵ khí và kèm theo đó là sự hình thành và tích tụ các ion hydro.

cách hiếu khí, hoặc quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, liên kết với hệ thống ty thể. Khi Cr và F xuất hiện gần ti thể với sự trợ giúp của CPKase ti thể, quá trình tái tổng hợp CrF xảy ra do ATP được hình thành trong ti thể. ADP và P được quay trở lại ty thể để tạo thành phân tử ATP mới. Có hai con đường trao đổi chất để tổng hợp ATP:

1) đường phân hiếu khí;
2) quá trình oxy hóa lipid (chất béo).

Các quá trình hiếu khí có liên quan đến sự hấp thụ các ion hydro, và trong các sợi cơ chậm (MF của tim và cơ hoành), enzyme LDH H (lactate dehydrogenase của loại tim) chiếm ưu thế, giúp chuyển hóa lactate thành pyruvate một cách mạnh mẽ hơn. Do đó, trong quá trình hoạt động của các sợi cơ chậm (SMF), có sự đào thải nhanh chóng các ion lactat và hydro.

Sự gia tăng lactate và H trong MW dẫn đến ức chế quá trình oxy hóa chất béo, và quá trình oxy hóa chất béo tăng cường dẫn đến sự tích tụ citrate trong tế bào, và nó ức chế các enzym đường phân.

Điều kiện tiên quyết cho sự tồn tại của bất kỳ sinh vật nào là cung cấp liên tục các chất dinh dưỡng và giải phóng liên tục các sản phẩm cuối cùng của các phản ứng hóa học xảy ra trong tế bào. Các chất dinh dưỡng được sinh vật sử dụng như một nguồn nguyên tử của các nguyên tố hóa học (chủ yếu là nguyên tử cacbon), từ đó tất cả các cấu trúc được xây dựng hoặc đổi mới. Ngoài các chất dinh dưỡng, cơ thể còn nhận được nước, oxy và muối khoáng. Các chất hữu cơ đi vào tế bào (hoặc được tổng hợp trong quá trình quang hợp) sẽ được phân hủy thành các khối xây dựng - đơn phân và được gửi đến tất cả các tế bào của cơ thể. Một phần phân tử của các chất này được dùng để tổng hợp các chất hữu cơ cụ thể vốn có trong sinh vật này. Protein, lychids, carbohydrate, axit nucleic và các chất khác được tổng hợp trong các tế bào thực hiện các chức năng khác nhau (xây dựng, xúc tác, điều hòa, bảo vệ, v.v.). Một phần khác của các hợp chất hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp đi vào tế bào sẽ tạo thành ATP, các phân tử này chứa năng lượng trực tiếp cho hoạt động. Năng lượng cần thiết cho sự tổng hợp tất cả các chất cụ thể của cơ thể, duy trì tổ chức có trật tự cao, vận chuyển tích cực các chất bên trong tế bào, từ tế bào này sang tế bào khác, từ bộ phận này sang bộ phận khác của cơ thể, để truyền các xung thần kinh, chuyển động của sinh vật, duy trì nhiệt độ cơ thể không đổi (ở chim và động vật có vú) và cho các mục đích khác. Trong quá trình chuyển hóa các chất trong tế bào, các sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất được hình thành, có thể gây độc cho cơ thể và được đào thải ra ngoài (ví dụ amoniac). Như vậy, tất cả các cơ thể sống không ngừng tiêu thụ một số chất từ ​​môi trường, biến đổi chúng và thải ra môi trường những sản phẩm cuối cùng. Tổng số các phản ứng hóa học xảy ra trong cơ thể được gọi là quá trình trao đổi chất hay chuyển hóa. Tùy thuộc vào hướng chung của các quá trình, dị hóa và đồng hóa được phân biệt.

Dị hóa (phân hủy) là một tập hợp các phản ứng dẫn đến sự hình thành các hợp chất đơn giản từ các hợp chất phức tạp hơn. Các phản ứng dị hóa bao gồm, ví dụ, các phản ứng thủy phân polyme thành monome và sự phân hủy sau này thành carbon dioxide, nước, amoniac, tức là các phản ứng chuyển hóa năng lượng, trong đó các chất hữu cơ bị oxy hóa và ATP được tổng hợp. Đồng hóa (đồng hóa) là một tập hợp các phản ứng để tổng hợp các chất hữu cơ phức tạp từ những chất đơn giản hơn. Chúng bao gồm, ví dụ, cố định nitơ và sinh tổng hợp protein, tổng hợp carbohydrate từ carbon dioxide và nước trong quá trình quang hợp, tổng hợp polysaccharide, lipid, nucleotide, DNA, RNA và các chất khác. Quá trình tổng hợp các chất trong tế bào của cơ thể sống thường được gọi là quá trình chuyển hóa nhựa, và sự phân hủy các chất và quá trình oxy hóa của chúng, kèm theo sự tổng hợp ATP, được gọi là quá trình chuyển hóa năng lượng. Cả hai kiểu trao đổi chất này tạo nên cơ sở cho hoạt động sống của bất kỳ tế bào nào, và do đó, của bất kỳ sinh vật nào, và có liên quan chặt chẽ với nhau. Các quá trình đồng hóa và dị hóa diễn ra trong cơ thể ở trạng thái cân bằng động hoặc tạm thời tồn tại một trong số chúng. Sự chiếm ưu thế của các quá trình đồng hóa so với dị hóa dẫn đến tăng trưởng, tích tụ khối lượng mô và dị hóa - phá hủy một phần cấu trúc mô, giải phóng năng lượng. Trạng thái cân bằng hay không cân bằng tỷ lệ đồng hóa và dị hóa phụ thuộc vào tuổi. Trong thời thơ ấu, các quá trình đồng hóa chiếm ưu thế, và ở tuổi già - quá trình dị hóa. Ở người lớn, các quá trình này cân bằng. Tỷ lệ của chúng cũng phụ thuộc vào tình trạng sức khỏe, hoạt động thể chất hoặc tâm lý-tình cảm của một người.

82. Entropy của hệ nhiệt động lực học mở, phương trình Prigogine.

Entropy là thước đo sự tiêu tán năng lượng tự do, do đó, bất kỳ hệ t / d mở nào ở trạng thái dừng đều có xu hướng tiêu tán năng lượng tự do tối thiểu. Nếu vì một lý do nào đó mà hệ thống bị lệch khỏi trạng thái tĩnh, thì do hệ thống có xu hướng đạt đến mức entropi tối thiểu, các thay đổi bên trong xảy ra trong nó, đưa nó trở lại trạng thái tĩnh. Hệ thống mở, nhiệt động lực học một hệ thống có khả năng trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường. Trong một hệ thống mở, nhiệt chảy cả từ hệ thống và vào nó.

Định đề I.R. Prigogine là tổng thay đổi trong entropy dS của một hệ thống mở có thể xảy ra độc lập do các quá trình trao đổi với môi trường bên ngoài (deS) hoặc do các quá trình không thuận nghịch bên trong (diS): dS = deS + diS. Định lý Prigogine. Ở trạng thái tĩnh với các thông số bên ngoài cố định, tốc độ sản sinh entropi trong một hệ thống mở do sự xuất hiện của các quá trình không thuận nghịch là không đổi theo thời gian và nhỏ nhất về độ lớn. diS / dt phút.

Hơn một tỷ năm đã trôi qua từ khi xuất hiện các sinh vật đơn bào cho đến “phát minh” ra nhân tế bào và sự ra đời của một số phát kiến ​​khác. Chỉ khi đó, con đường mới mở ra cho những sinh vật đa bào đầu tiên, nơi phát sinh ra ba giới động vật, thực vật và nấm. Các nhà khoa học châu Âu đã đưa ra một lời giải thích mới cho sự biến đổi này, điều này trái ngược với những ý tưởng đã tồn tại cho đến nay.

Người ta thường chấp nhận rằng lúc đầu các tế bào hạt nhân hoàn hảo hơn được sinh ra từ sinh vật nhân sơ, dựa trên các cơ chế năng lượng cũ, và chỉ những tân binh sau này mới có được các ti thể. Các sinh vật sau được giao một vai trò quan trọng trong sự tiến hóa hơn nữa của sinh vật nhân chuẩn, nhưng không phải là vai trò của nền tảng cơ bản nó.

“Chúng tôi đã chỉ ra rằng tùy chọn đầu tiên sẽ không hoạt động. Martin giải thích để phát triển sự phức tạp của tế bào, nó cần có ty thể. “Giả thuyết của chúng tôi bác bỏ quan điểm truyền thống rằng quá trình chuyển đổi sang tế bào nhân thực chỉ cần những đột biến thích hợp,” Lane nhắc lại ông.

Chúng phát triển cùng nhau, trong khi nội bộ dần dần mài dũa một kỹ năng - tổng hợp ATP. Tế bào bên trong giảm kích thước và chuyển một số gen thứ cấp của nó vào nhân. Vì vậy, ty thể chỉ giữ lại phần DNA ban đầu mà chúng cần để hoạt động như một “nhà máy điện sống”.

Ti thể bên trong tế bào (màu xanh lục huỳnh quang). Insets: Martin (trái) và Lane. Chi tiết về nghiên cứu mới có thể được tìm thấy trong bài báo trên Nature và thông cáo báo chí của UCL (ảnh của Douglas Kline, molvol.de, nick-lane.net).

Sự xuất hiện của ti thể về mặt năng lượng có thể được so sánh với việc phát minh ra tên lửa sau xe đẩy, bởi vì các tế bào hạt nhân trung bình có thể tích lớn hơn một nghìn lần so với các tế bào không có nhân.

Có vẻ như cái thứ hai cũng có thể phát triển về kích thước và độ phức tạp của thiết bị (có những ví dụ nổi bật riêng biệt ở đây). Nhưng trên con đường này, những sinh vật nhỏ bé đang chờ đợi một cú bắt: khi chúng phát triển về mặt hình học, tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích giảm nhanh chóng.

Trong khi đó, các tế bào đơn giản tạo ra năng lượng với sự trợ giúp của một lớp màng bao bọc chúng. Vì vậy, trong một tế bào nhân sơ lớn có thể có nhiều chỗ cho các gen mới, nhưng nó chỉ đơn giản là không có đủ năng lượng để tổng hợp protein theo những “chỉ dẫn” này.

Sự gia tăng đơn giản các nếp gấp của màng ngoài không đặc biệt cứu vãn tình hình (mặc dù các tế bào như vậy đã được biết đến). Với phương pháp tăng công suất này, số lỗi trong hoạt động của hệ thống năng lượng cũng tăng lên. Các phân tử không mong muốn tích tụ trong tế bào có thể phá hủy nó.

Số lượng ty thể (được hiển thị bằng màu đỏ) trong một tế bào thay đổi từ một bản sao (chủ yếu ở sinh vật nhân thực đơn bào) đến hai nghìn (ví dụ, trong tế bào gan người) (minh họa bởi Odra Noel).

Ti thể là một phát minh sáng giá của tự nhiên. Bằng cách tăng số lượng của chúng, có thể tăng tiềm năng năng lượng của tế bào mà không làm phát triển bề mặt bên ngoài của nó. Hơn nữa, mỗi ty thể cũng có sẵn các cơ chế kiểm soát và sửa chữa.

Và một điểm cộng khác của sự đổi mới: DNA ty thể nhỏ và rất kinh tế. Nó không yêu cầu nhiều tài nguyên để sao chép nó. Nhưng vi khuẩn, để tăng khả năng năng lượng của chúng, chỉ có thể tạo ra nhiều bản sao của bộ gen hoàn chỉnh của chúng. Nhưng sự phát triển như vậy nhanh chóng dẫn đến sự bế tắc về năng lượng.

So sánh năng lượng của các tế bào khác nhau và sơ đồ của chúng. a) - prokaryote trung bình ( Escherichia), b) là một prokaryote rất lớn ( Thiomargarita) và (c) eukaryote giữa ( Euglena).
Biểu đồ hiển thị (từ trên xuống dưới): công suất (watt) trên gam tế bào (d), công suất (femtowatts) trên mỗi gen (e) và công suất (picowatts) trên mỗi bộ gen đơn bội (f) (minh họa bởi Nick Lane, William Martin / Tự nhiên).

Các tác giả của công trình đã tính toán rằng về mặt lý thuyết, tế bào nhân thực trung bình có thể mang nhiều gen hơn 200.000 lần so với vi khuẩn bình thường. Sinh vật nhân chuẩn có thể được coi như một thư viện với số lượng lớn các giá sách - hãy lấp đầy nó với những cuốn sách phù hợp với trái tim bạn. Chà, một bộ gen mở rộng hơn là cơ sở để cải thiện hơn nữa cấu trúc của tế bào và sự trao đổi chất của nó, sự xuất hiện của các mạch điều hòa mới.