Клетки человека (клеточная физиология)

Структура и функции клетки

Что такое клетка?

Это структура, а также функциональная единица жизни. У каждого живого существа есть клетки: бактерии, простейшие, грибы, растения и животные являются основной группой живых существ. Некоторые организмы, состоящие всего из одной клетки, называются одноклеточными. (например, бактерии и простейшие), но животные, включая людей, многоклеточные. Тело взрослого человека состоит примерно из 100 000 000 000 000 клеток! У каждой клетки есть основные потребности для ее поддержания, и системы органов организма в значительной степени построены вокруг обеспечения многих триллионов клеток этими основными потребностями (такими как кислород, пища и удаление отходов).

В организме человека насчитывается около 200 различных видов специализированных клеток. Когда много одинаковых клеток организованы вместе, это называется тканью (например, мышечной тканью, нервной тканью и т. д.). Различные ткани, организованные вместе для общей цели, называются органами (например, желудок – это орган, а также кожа, мозг и т.д.).

Представления о структуре клетки значительно изменились за последние годы. Ранние биологи рассматривали клетки как простые мембранные мешочки, содержащие жидкость и несколько плавающих частиц. Современные биологи знают, что клетки невообразимо сложнее. Поэтому для любого физиолога важно глубокое знание различных клеточных органелл и их функций. Если клетки человека здоровы, то этот человек здоров. Все физиологические процессы, болезни, рост и развитие могут быть описаны на клеточном уровне.

Специализированные клетки человеческого тела

Хотя в организме существуют специализированные клетки – как по структуре, так и по функциям – все клетки имеют сходство в своей структурной организации и метаболических потребностях (таких как поддержание уровня энергии путем превращения углеводов в АТФ и использование генов для создания и поддержания белков).

Вот некоторые из различных типов специализированных клеток в организме человека:

• Нервные клетки: также называемые нейронами, эти клетки находятся в нервной системе и функционируют для обработки и передачи информации. Они являются основными компонентами головного, спинного мозга и периферических нервов. Они используют химические синапсы, которые могут вызывать электрические сигналы, называемые потенциалами действия (для передачи сигналов по всему телу).
• Эпителиальные клетки: Функции эпителиальных клеток включают секрецию, поглощение, защиту, межклеточный транспорт, распознавание ощущений и избирательную проницаемость. Эпителий выстилает как наружные (кожу), так и внутренние полости.
• Экзокринные клетки: эти клетки выделяют продукты через протоки, такие как слизь, пот или пищеварительные ферменты. Продукты этих клеток поступают непосредственно в орган-мишень через протоки. Например, желчь из желчного пузыря попадает непосредственно в двенадцатиперстную кишку через желчный проток.
• Эндокринные клетки: эти клетки похожи на экзокринные клетки, но выделяют свои продукты непосредственно в кровоток, а не через проток. Эндокринные клетки находятся по всему телу, но сосредоточены в железах, выделяющих гормоны, таких как гипофиз. Продукты эндокринных клеток распространяются по всему организму в кровотоке, но воздействуют на определенные органы через рецепторы на клетках органов-мишеней. Например, гормон эстроген действует специфически на матку и грудь женщин, потому что в клетках этих органов-мишеней есть рецепторы эстрогена.
• Клетки крови: наиболее распространенные типы клеток крови:

• красные кровяные клетки (эритроциты). Основная функция красных кровяных телец заключается в сборе кислорода в легких и доставке его через кровь к тканям организма. Газообмен осуществляется путем простой диффузии.
• различные типы белых кровяных клеток (лейкоцитов). Они вырабатываются в костном мозге и помогают организму бороться с инфекционными заболеваниями и чужеродными объектами в иммунной системе. Лейкоциты находятся в системе кровообращения, лимфатической системе, селезенке и других тканях организма.

Размер клетки

Клетки являются наименьшими структурными и функциональными живыми единицами в нашем организме, но играют большую роль в обеспечении правильного функционирования нашего организма. Многие клетки никогда не увеличиваются в размерах, как яйцеклетки, после того, как они впервые образуются из родительской клетки. Типичные стволовые клетки размножаются, удваиваются в размерах, затем размножаются снова.

Большая часть содержимого цитозоли, такого как эндомембранная система и цитоплазма, легко масштабируется до больших размеров в более крупных клетках. Если клетка становится слишком большой, нормального количества ДНК в клетке может быть недостаточно для обеспечения клетки РНК. Крупные клетки часто реплицируют свои хромосомы в аномально большом количестве или становятся многоядерными.

Большие клетки, которые в основном предназначены для хранения питательных веществ, могут иметь гладкую поверхностную мембрану, но метаболически активные крупные клетки часто имеют своего рода складку мембраны клеточной поверхности, чтобы увеличить площадь поверхности, доступную для транспортных функций.

Клеточная организация

Несколько различных молекул взаимодействуют, образуя органеллы в нашем организме. Каждый тип органелл выполняет определенную функцию. Органеллы выполняют жизненно важные функции, которые поддерживают жизнь наших клеток.

Клеточные мембраны

Граница клетки, иногда называемая плазматической мембраной, отделяет внутренние метаболические процессы от внешней среды и контролирует движение веществ в клетку и из нее. Эта мембрана очень избирательна в отношении того, что она пропускает. Эта характеристика называется «селективной проницаемостью». Например, это позволяет кислороду и питательным веществам проникать в клетку, удерживая токсины и отходы жизнедеятельности. Плазматическая мембрана представляет собой двойную фосфолипидную мембрану, или липидный бислой, с неполярными гидрофобными хвостами, направленными внутрь мембраны, и полярными гидрофильными головками, образующими внутреннюю и внешнюю поверхности мембраны.

Белок и холестерин

Белки и молекулы холестерина разбросаны по гибкой фосфолипидной мембране. Периферические белки свободно прикрепляются к внутренней или внешней поверхности плазматической мембраны. Интегральные белки лежат поперек мембраны, простираясь изнутри наружу. Различные белки разбросаны по гибкой матрице молекул фосфолипидов, что-то вроде айсбергов, плавающих в океане, и это называется жидкой мозаичной моделью клеточной мембраны.

Фосфолипидный бислой избирательно проницаем. Только маленькие незаряженные полярные молекулы могут свободно проходить через мембрану. Некоторые из этих молекул представляют собой H₂О и CO₂, гидрофобные (неполярные) молекулы, такие как O₂, и растворимые в липидах молекулы, такие как углеводороды. Другие молекулы нуждаются в помощи мембранного белка, чтобы проникнуть. Существует множество мембранных белков, которые выполняют различные функции:

• Канальные белки: белки, которые обеспечивают проходы через мембраны для определенных гидрофильных или водорастворимых веществ, таких как полярные и заряженные молекулы. Во время транспортировки энергия не используется, поэтому этот тип перемещения называется облегченной диффузией.
• Транспортные белки: белки, которые тратят энергию (АТФ) для переноса материалов через мембрану. Когда энергия используется для обеспечения прохода материалов, этот процесс называется активным переносом.
• Белки распознавания: белки, которые различают идентичность соседних клеток. Эти белки имеют олигосахаридные или короткие полисахаридные цепи, отходящие от их клеточной поверхности.
• Белки адгезии: белки, которые прикрепляют клетки к соседним клеткам или обеспечивают якоря для внутренних нитей и канальцев, которые придают клетке стабильность.
• Рецепторные белки: белки, которые инициируют специфические клеточные реакции, когда с ними связываются гормоны или другие триггерные молекулы.
• Белки переноса электронов: белки, которые участвуют в перемещении электронов от одной молекулы к другой во время химических реакций.

Пассивный транспорт через клеточную мембрану

Пассивный транспорт описывает перемещение веществ по градиенту концентрации и не требует использования энергии:

• Объемный поток – это коллективное движение веществ в одном направлении в ответ на силу, такую как давление. Движение крови по сосуду является примером объемного потока.
• Простая диффузия, или диффузия, представляет собой чистое перемещение веществ из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Это движение происходит в результате случайного и постоянного движения, характерного для всех молекул (атомов или ионов), и не зависит от движения других молекул.
• Облегченная диффузия – это диффузия растворенных веществ через канальные белки в плазматической мембране. Вода может свободно проходить через плазматическую мембрану без помощи специализированных белков (хотя этому способствуют аквапорины).
• Осмос – это диффузия молекул воды через селективно проницаемую мембрану. Когда вода попадает в организм путем осмоса, внутри организма может повышаться гидростатическое или осмотическое давление.
• Диализ – это диффузия растворенных веществ через селективно проницаемую мембрану.

Активный транспорт через клеточную мембрану

Активный транспорт – это движение растворенных веществ против градиента и требует затрат энергии, обычно в форме АТФ. Активный транспорт достигается с помощью одного из этих двух механизмов:

Белковые насосы:

• Транспортные белки в плазматической мембране переносят растворенные вещества, такие как малые ионы (Na +, K +, Cl-, H +), аминокислоты и моносахариды.
• Белки, участвующие в активном транспорте, также известны как ионные насосы.
• Белок связывается с молекулой вещества, подлежащего транспортировке, на одной стороне мембраны, затем он использует выделенную энергию (АТФ) для изменения своей формы и высвобождает ее на другой стороне.
• Белковые насосы специфичны, для каждой молекулы, которую нужно транспортировать, есть свой насос.
• Белковые насосы являются катализаторами в расщеплении АТФ → АДФ + фосфата, поэтому их называют ферментами АТФазы.
• Натрий-калиевый насос (также называемый ферментом Na + / K +-АТФазой) активно перемещает натрий из клетки и калий в клетку. Эти насосы находятся в мембране практически каждой клетки и необходимы для передачи нервных импульсов и мышечных сокращений.

Везикулярный транспорт.

• Везикулы или другие тела в цитоплазме перемещают макромолекулы или крупные частицы через плазматическую мембрану. Типы везикулярного транспорта включают:
  1. Экзоцитоз, который описывает процесс слияния пузырьков с плазматической мембраной и высвобождения их содержимого наружу клетки. Этот процесс распространен, когда клетка производит вещества для экспорта.
  2. Эндоцитоз, который описывает захват вещества вне клетки, когда плазматическая мембрана сливается, чтобы поглотить его. Вещество впоследствии попадает в цитоплазму, заключенную в пузырьки.

Существует три вида эндоцитоза:

• Фагоцитоз или клеточное поедание происходит, когда растворенные вещества попадают в клетку. Плазматическая мембрана поглощает твердый материал, образуя фагоцитарный пузырь.
• Пиноцитоз или клеточное опьянение возникает, когда плазматическая мембрана сворачивается внутрь, образуя канал, позволяющий растворенным веществам проникать в клетку. Когда канал закрыт, жидкость окружена пиноцитарным пузырьком.
• Рецепторно-опосредованный эндоцитоз возникает, когда специфические молекулы в жидкости, окружающей клетку, связываются со специализированными рецепторами в плазматической мембране. Как и при пиноцитозе, плазматическая мембрана сворачивается внутрь и образуется пузырь.

Примечание: Определенные гормоны способны воздействовать на определенные клетки посредством рецептор-опосредованного эндоцитоза.

Части клетки

Цитоплазма

Гелеобразный материал внутри клеточной мембраны называется цитоплазмой. Это жидкая матрица, цитозоль, которая состоит на 80-90% из воды, солей, органических молекул и многих ферментов, которые катализируют реакции, наряду с растворенными веществами, такими как белки и питательные вещества. Цитоплазма играет важную роль в клетке, выступая в качестве «молекулярного супа», в котором органеллы взвешены и удерживаются вместе жировой мембраной.

Внутри плазматической мембраны клетки цитоплазма окружает ядерную оболочку и цитоплазматические органеллы. Она играет механическую роль, перемещаясь внутри мембраны и прижимаясь к клеточной мембране, помогая поддерживать форму и консистенцию клетки и, опять же, обеспечивать суспензию органелл. Это также место для хранения химических веществ, необходимых для жизни, которые участвуют в жизненно важных метаболических реакциях, таких как анаэробный гликолиз и синтез белка.

Клеточная мембрана предотвращает утечку цитоплазмы. Она содержит много различных органелл, которые считаются нерастворимыми компонентами цитоплазмы, такими как:

• митохондрии;
• лизосомы;
• пероксисомы;
• рибосомы;
• несколько вакуолей и цитоскелетов, а также сложные структуры клеточных мембран,

такие как эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи, каждая из которых выполняет определенные функции в клетке.

• Цитоскелет

Нитевидные белки, составляющие цитоскелет, постоянно перестраиваются, чтобы адаптироваться к постоянно меняющимся потребностям клетки. Это помогает клеткам сохранять свою форму и позволяет клеткам и их содержимому перемещаться. Цитоскелет позволяет определенным клеткам, таким как нейтрофилы и макрофаги, совершать амебоидные движения.

Сеть состоит из трех элементов: микротрубочек, актиновых нитей и промежуточных волокон.

• Микротрубочки

Микротрубочки функционируют как каркас, по которому органеллы и пузырьки перемещаются внутри клетки. Они являются самыми толстыми из структур цитоскелета. Они представляют собой длинные полые цилиндры, состоящие из белковых субъединиц, называемых тубулинами. Микротрубочки образуют митотические веретена, механизм, который разделяет хромосомы между двумя клетками в процессе клеточного деления. Без митотических веретен клетки не могли бы размножаться.

Микротрубочки, промежуточные нити и микрофиламенты представляют собой три белковых волокна уменьшающегося диаметра соответственно. Все они участвуют в установлении формы или движений цитоскелета, внутренней структуры клетки.

• Микрофиламенты

Микрофиламенты обеспечивают механическую поддержку клетки, определяют форму клетки и в некоторых случаях обеспечивают движение клетки. Они состоят из белка актина и участвуют в подвижности клеток. Они находятся почти в каждой клетке, но преобладают в мышечных клетках и в клетках, которые перемещаются, меняя форму, таких как фагоциты (белые кровяные клетки, которые очищают организм от бактерий и других чужеродных захватчиков).

• Органеллы

Органеллы – это тела, встроенные в цитоплазму, которые служат для физического разделения различных метаболических процессов, происходящих в клетках. Каждая органелла похожа на отдельные маленькие фабрики, отвечает за производство определенного продукта, который используется в других частях клетки или тела.

Клетки всех живых существ делятся на две большие категории: прокариоты и эукариоты. Бактерии (и археи) являются прокариотами, что означает, что у них отсутствует ядро или другие связанные с мембраной органеллы. К эукариотам относятся все простейшие, грибы, растения и животные (включая людей), и эти клетки характеризуются ядром (в котором находятся хромосомы), а также множеством других органелл. Клетки человека значительно различаются.

Ядро

Управляет клеткой, содержит генетический материал (ДНК). Ядро – самая большая из органелл клетки. Клетки могут иметь более одного ядра или вообще не иметь ядра. Клетки скелетных мышц содержат более одного ядра, тогда как эритроциты вообще не содержат ядра. Ядро ограничено ядерной оболочкой, фосфолипидным бислоем, похожим на плазматическую мембрану. Пространство между этими двумя слоями представляет собой цистерну ядрышка.

Ядро содержит ДНК, наследственную информацию в клетке. Обычно ДНК распределена внутри ядра в виде нитевидной матрицы, называемой хроматином. Когда клетка начинает делиться, хроматин конденсируется в палочковидные тела, называемые хромосомами, каждая из которых перед делением состоит из двух длинных молекул ДНК и различных молекул гистонов. Гистоны служат для организации длинной ДНК, свертывая ее в пучки, называемые нуклеосомами. Внутри ядра также видны одно или несколько ядрышек, каждое из которых состоит из ДНК в процессе производства компонентов рибосом. Рибосомы отправляются в цитоплазму, где они собирают аминокислоты в белки. Ядро также служит местом разделения хромосом во время деления клетки.

Хромосомы

Внутри каждого клеточного ядра находятся хромосомы. Хромосомы состоят из хроматина, который состоит из белков и нитей дезоксирибонуклеиновой кислоты. Дезоксирибонуклеиновая кислота – это ДНК, генетический материал, имеющий форму витой лестницы, также называемой двойной спиралью. У людей 23 пары хромосом. Синдром Дауна и синдром Кри-дю-Чата возникают в результате аномального количества хромосом.

Центриоли

Центриоли представляют собой стержневидные структуры, состоящие из 9 пучков, каждый из которых содержит по три микротрубочки. Две перпендикулярно расположенные центриоли, окруженные белками, составляют центросому. Центриоли очень важны в клеточном делении, где они организуют митотические веретена, которые разделяют хромосому.

Центриоли и базальные тела действуют как центры организации микротрубочек. Пара центриолей (заключенных в центросому), расположенных вне ядерной оболочки, дает начало микротрубочкам, которые составляют веретенообразный аппарат, используемый во время деления клетки. Базальные тела находятся у основания каждого жгутика и реснички и, по-видимому, организуют их развитие.

Рибосомы

Рибосомы играют активную роль в сложном процессе синтеза белка, где они служат структурами, облегчающими соединение аминокислот. Каждая рибосома состоит из большой и малой субъединиц, которые состоят из рибосомных белков и рибосомных РНК. Их можно найти либо в группах, называемых полирибосомами, в цитоплазме, либо поодиночке. Иногда они прикрепляются к эндоплазматическому ретикулуму.

Митохондрии

Митохондрии – это органеллы, которые функционируют как «электростанция» клетки, вырабатывая АТФ, универсальную форму энергии, используемую всеми клетками. Они преобразуют питательные вещества, такие как глюкоза, в топливо (АТФ), которое могут использовать клетки организма. Митохондрии – это крошечные мешковидные структуры, расположенные вблизи ядра. Маленькие полочки, называемые кристами, образуются из складок во внутренней мембране. Клетки, которые метаболически активны, такие как клетки мышц, печени и почек, имеют высокие энергетические потребности и, следовательно, имеют больше митохондрий.

Митохондрии уникальны тем, что у них есть собственная митохондриальная ДНК (отдельная от ДНК, которая находится в ядре). Считается, что эукариоты произошли от одной клетки, живущей внутри другой клетки, а митохондрии имеют много общих черт со свободноживущими бактериями (похожие хромосомы, похожие рибосомы и т. д.).

Эндоплазматический ретикулум

Эндоплазматический означает «внутри плазмы», а ретикулум означает «сеть».

Сложная трехмерная внутренняя мембранная система из сплющенных листов, мешочков и трубок, которые играют важную роль в производстве белков и транспортировке клеточных продуктов, также участвует в метаболизме жиров и производстве различных материалов. В поперечном разрезе они выглядят как серия лабиринтоподобных каналов, часто тесно связанных с ядром. Когда присутствуют рибосомы, грубый ER соединяет полисахаридные группы с полипептидами, поскольку они собираются рибосомами. Гладкая ER, без рибосом, отвечает за различные виды деятельности, включая синтез липидов и гормонов, особенно в клетках, которые производят эти вещества для экспорта из клетки.

Грубый эндоплазматический ретикулум имеет характерный бугристый вид из-за множества покрывающих его рибосом. Это сайт, где синтезируются белки, не предназначенные для цитоплазмы.

Гладкий эндоплазматический ретикулум обеспечивает множество функций, включая синтез и деградацию липидов, а также хранение ионов кальция. В клетках печени гладкая ER участвует в расщеплении токсинов, лекарств и токсичных побочных продуктов клеточных реакций.

Аппарат Гольджи

«Упаковывает» клеточные продукты в мешочки, называемые везикулами, чтобы продукты могли пересекать клеточную мембрану и выходить из клетки. Аппарат Гольджи является центральной системой доставки для клетки. Это группа сплющенных мешочков, расположенных так же, как стопка чаш. Они функционируют для модификации и упаковки белков и липидов в пузырьки, маленькие мешочки сферической формы, которые отходят от концов аппарата Гольджи. Везикулы часто мигрируют в плазматическую мембрану и сливаются с ней, высвобождая свое содержимое за пределы клетки. Аппарат Гольджи также транспортирует липиды и создает лизосомы и органеллы, участвующие в пищеварении.

Вакуоли

Пространства в цитоплазме, которые иногда служат для переноса материалов к клеточной мембране для вывода наружу клетки. Вакуоли образуются во время эндоцитоза, когда отщипываются участки клеточной мембраны.

Лизосомы

Лизосомы представляют собой мешковидные компартменты, которые содержат ряд мощных разлагающих ферментов. Они встроены в аппарат Гольджи. Они расщепляют вредные клеточные продукты и отходы, клеточный мусор и чужеродных захватчиков, таких как бактерии, а затем вытесняют их из клетки. Болезнь Тея-Сакса и болезнь Помпе – это всего лишь две из неисправностей лизосом или их пищеварительных белков.

Пероксисомы

Органеллы, в которых кислород используется для окисления веществ, расщепления липидов и детоксикации определенных химических веществ. Пероксисомы самовоспроизводятся путем увеличения, а затем деления. Они распространены в клетках печени и почек, которые расщепляют потенциально вредные вещества. Пероксисомы могут преобразовывать перекись водорода, токсин, состоящий из H₂О₂, в H₂O.

Внеклеточные структуры

• Внеклеточный матрикс

Клетки человека, как и другие клетки животных, не имеют жесткой клеточной стенки. Человеческие клетки имеют важную и изменчивую структуру за пределами клеточной мембраны, называемую внеклеточным матриксом. Иногда эта матрица может быть обширной и твердой (примеры – кальцинированный костный матрикс, хрящевой матрикс), в то время как в других случаях она состоит из слоя внеклеточных белков и углеводов. Эта матрица отвечает за связывание клеток друг с другом и невероятно важна для того, как клетки физически и физиологически взаимодействуют друг с другом.

• Жгутики

Многие прокариоты имеют жгутики, позволяющие, например, бактерии E. coli продвигаться вверх по уретре, вызывая ИМП (инфекцию мочевыводящих путей). Однако в человеческих клетках (и фактически в большинстве эукариотических клеток) отсутствуют жгутики. Это имеет смысл, поскольку люди многоклеточны, и отдельным клеткам не нужно плавать. Очевидным исключением из этого правила является сперма, и действительно, каждый сперматозоид приводится в движение одним жгутиком. Жгутик сперматозоида состоит из микротрубочек.

• Реснички

Реснички особенно заметны у одноклеточных простейших, где они бьются синхронно, чтобы проворно перемещать клетки в воде. Они состоят из расширений клеточной мембраны, которые содержат микротрубочки. Когда они присутствуют у людей, они обычно находятся в большом количестве на одной поверхности клеток, где вместо перемещения клеток они перемещают материалы. Мукоцилиарный эскалатор дыхательной системы состоит из секретирующих слизь клеток, выстилающих трахею и бронхи, и реснитчатых эпителиальных клеток, которые перемещают слизь все время вверх. Таким образом, споры плесени, бактерии и мусор попадают в слизь, удаляются из трахеи и проталкиваются в пищевод (для проглатывания в яму с кислотой). В яйцеводах реснички перемещают яйцеклетку из яичника в матку, путешествие, которое занимает несколько дней.

Клеточные соединения

Плазматические мембраны соседних клеток обычно разделены внеклеточными жидкостями, которые обеспечивают транспортировку питательных веществ и отходов в кровоток и из него. Однако в некоторых тканях мембраны соседних клеток могут соединяться и образовывать соединение. Распознаются три типа клеточных соединений:

• Десмосомы – это белковые соединения между соседними клетками. Внутри плазматической мембраны десмосома имеет структуру в форме диска, от которой в цитоплазму отходят белковые волокна. Десмосомы действуют как точечные сварные швы, удерживая вместе ткани, которые подвергаются значительному стрессу, такие как наша кожа или сердечная мышца.
• Плотные соединения – это плотно сшитые швы между клетками. Соединение полностью окружает каждую клетку, предотвращая перемещение материала между клетками. Плотные соединения характерны для клеток, выстилающих пищеварительный тракт, где материалы должны проходить через клетки, а не межклеточные пространства, для проникновения в кровоток.
• Щелевые соединения – это узкие туннели, которые непосредственно соединяют цитоплазму двух соседних клеток, состоящие из белков, называемых коннексонами. Эти белки позволяют проходить только ионам и небольшим молекулам. Таким образом, щелевые соединения обеспечивают связь между клетками посредством обмена материалами или передачи электрических импульсов.

Клеточный метаболизм

Клеточный метаболизм – это общая энергия, выделяемая и потребляемая клеткой. Метаболизм описывает все химические реакции, которые происходят в организме. Некоторые реакции, называемые анаболическими реакциями, создают необходимые продукты. Другие реакции, называемые катаболическими реакциями, расщепляют продукты. Наше тело выполняет как анаболические, так и катаболические реакции одновременно и круглосуточно, двадцать четыре часа в сутки, чтобы поддерживать тело живым и функционирующим. Даже когда мы спим, наши клетки заняты метаболизмом.

• Катаболизм: процесс высвобождения энергии, при котором химическое вещество или пища используются (расщепляются) путем разложения или разложения на более мелкие кусочки.
• Анаболизм: Анаболизм – это полная противоположность катаболизму. В этой части метаболизма клетка потребляет энергию для продуцирования молекул покрупнее, путем соединения мелких.

Энергетические молекулы

Аденозинтрифосфат (А/Т/Ф). Это клеточная валюта. Когда клетке нужно использовать энергию, например, когда ей нужно перемещать вещества через клеточную мембрану с помощью активной транспортной системы, она «платит» молекулами А/Т/Ф. Общее количество А/Т/Ф в организме человека в любой момент времени составляет около 0,1 моля. Энергия, используемая клетками человека, требует ежедневного гидролиза от 200 до 300 молей А/Т/Ф. Это означает, что каждая молекула А/Т/Ф перерабатывается от 2000 до 3000 раз в течение одного дня. А/Т/Ф не может храниться, следовательно, ее потребление должно строго следовать за ее синтезом. В час в организме создается, и затем перерабатывается 1 килограмм А/Т/Ф. Взглянув на это с другой стороны, одна клетка использует около 10 миллионов АТФ в секунду для удовлетворения своих метаболических потребностей и перерабатывает все свои АТФ примерно каждые 20-30 секунд.

Дыхание клетки – это процесс высвобождения энергии, при котором молекулы сахара расщепляются серией реакций, а химическая энергия преобразуется в энергию, запасенную в молекулах А/Т/Ф.

Гликолиз – расщепление глюкозы (начало дыхания клетки)

Цикл Кребса разделен на 8 этапов:

1. Субъединица ацетил-КоА, содержащая уксусную кислоту, соединяется с оксалоацетатом с образованием молекулы цитрата. Ацетилкоэнзим А действует только как переносчик уксусной кислоты от одного фермента к другому. После этапа 1 кофермент высвобождается путем гидролиза, так что он может соединиться с другой молекулой уксусной кислоты, чтобы снова начать цикл Кребса.
2. Молекула лимонной кислоты подвергается изомеризации. Гидроксильная группа и молекула водорода удаляются из структуры цитрата в форме воды. Два атома углерода образуют двойную связь до тех пор, пока молекула воды не будет добавлена обратно. Только теперь гидроксильная группа и молекула водорода меняются местами по отношению к исходной структуре молекулы цитрата. Таким образом, образуется изоцитрат.
3. На этом этапе молекула изоцитрата окисляется молекулой NAD. Молекула NAD восстанавливается атомом водорода и гидроксильной группой. NAD связывается с атомом водорода и уносит другой атом водорода, оставляя карбонильную группу. Эта структура очень нестабильна, поэтому высвобождается молекула CO₂, образующая альфа-кетоглутарат.
4. На этом этапе наш друг, кофермент А, возвращается для окисления молекулы альфа-кетоглутарата. Молекула NAD снова восстанавливается с образованием NADH и выходит с другим водородом. Эта нестабильность приводит к высвобождению карбонильной группы в виде диоксида углерода, а на ее месте образуется тиоэфирная связь между бывшим альфа-кетоглутаратом и коферментом А с образованием молекулы комплекса сукцинил-кофермент А.
5. Молекула воды сбрасывает свои атомы водорода до кофермента А. Затем свободно плавающая фосфатная группа вытесняет кофермент А и образует связь с сукциниловым комплексом. Затем фосфат переносится в молекулу GDP для получения энергетической молекулы GTP. Он оставляет после себя молекулу сукцината.
6. На этом этапе сукцинат окисляется молекулой FAD (флавиндениндинуклеотид). Причуда удаляет два атома водорода из сукцината и заставляет образовываться двойную связь между двумя атомами углерода, создавая таким образом фумарат.
7. Фермент добавляет воду к молекуле фумарата с образованием малата. Малат создается путем добавления одного атома водорода к атому углерода, а затем добавления гидроксильной группы к углероду рядом с концевой карбонильной группой.
8. На этом последнем этапе молекула малата окисляется молекулой NAD. Углерод, который нес гидроксильную группу, теперь превращается в карбонильную группу. Конечным продуктом является оксалоацетат, который затем может соединяться с ацетилкоэнзимом А и начинать цикл Кребса заново.

Система переноса электронов

Самая сложная система из всех. В дыхательной цепи реакции окисления и восстановления происходят неоднократно как способ транспортировки энергии. Дыхательную цепь также называют цепью переноса электронов. В конце цепочки кислород принимает электрон и образуется вода.

Окислительно-восстановительная (ОКВР) реакция

Это одновременный окислительно-восстановительный процесс, при котором происходит клеточный метаболизм, такой как окисление сахара в организме человека, посредством серии очень сложных процессов переноса электронов.

Химический взгляд на окислительно-восстановительные процессы заключается в том, что окисляемое вещество передает электроны восстанавливаемому веществу. Таким образом, в реакции окисляется вещество (он же восстановитель) теряет электроны, в то время как восстанавливаемое вещество (иначе – окислитель) получает электроны.

Окислительно-восстановительное состояние отражается в балансе нескольких наборов метаболитов (например, лактата и пирувата, β-гидроксибутирата и ацетоацетата), взаимопревращение которых зависит от этих соотношений. Аномальное окислительно-восстановительное состояние может развиться в различных опасных ситуациях, таких как гипоксия, шок и сепсис.

Клеточные строительные блоки

Какие основные классы молекул находятся в клетках?

Липиды

Термин более конкретно используется для обозначения жирных кислот и их производных (включая три-, ди- и моноглицериды и фосфолипиды), а также других жирорастворимых стеролсодержащих метаболитов, таких как холестерин. Липиды выполняют множество функций в живых организмах, включая хранение энергии, служат структурными компонентами клеточных мембран и составляют важные сигнальные молекулы. Хотя термин «липид» иногда используется как синоним жира, последний на самом деле является подгруппой липидов, называемых триглицеридами, и его не следует путать с термином «жирная кислота».

Углеводы

Молекулы углеводов состоят из углерода, водорода и кислорода. У них есть общая формула Cn(H₂О)n. Существует несколько подсемейств, основанных на молекулярном размере.

Углеводы – это химические соединения, которые содержат атомы кислорода, водорода и углерода, и никаких других элементов. Они состоят из моносахаридных сахаров различной длины цепи.

Определенные углеводы являются важной формой хранения и транспортировки энергии в большинстве организмов, включая растения и животных. Углеводы классифицируются по количеству сахарных единиц: моносахариды (такие как глюкоза и фруктоза), дисахариды (такие как сахароза и лактоза), олигосахариды и полисахариды (такие как крахмал, гликоген и целлюлоза).

Простейшими углеводами являются моносахариды, которые представляют собой небольшие прямоцепочечные альдегиды и кетоны с добавлением многих гидроксильных групп, обычно по одной на каждый углерод, кроме функциональной группы. Другие углеводы состоят из моносахаридных единиц и расщепляются при гидролизе. Они могут быть классифицированы как дисахариды, олигосахариды или полисахариды, в зависимости от того, содержат ли они две, несколько или много моносахаридных единиц.

Белки

Все белки содержат углерод, водород, кислород и азот. Некоторые также содержат фосфор и серу. Строительными блоками белков являются аминокислоты. Существует 20 различных видов аминокислот, используемых человеческим организмом. Они соединяются пептидными связями, образуя длинные молекулы, называемые полипептидами. Полипептиды собираются в белки. Белки имеют четыре уровня структуры:

• Первичный

Первичная структура – это последовательность аминокислот, связанных в полипептиде.

• Вторичный

Вторичная структура образована водородными связями между аминокислотами. Полипептид может сворачиваться в спираль или образовывать гофрированный лист.

• Третичный

Третичная структура относится к трехмерному складыванию спирали или гофрированного листа.

• Четвертичный

Четвертичная структура относится к пространственным отношениям между полипептидами в белке.

• Шестиугольник

Шестиугольная структура относится к кистевым отношениям между бипептидами у человека.

Ферменты

Биологическая молекула, которая катализирует химическую реакцию. Ферменты необходимы для жизни, потому что большинство химических реакций в живых клетках протекают слишком медленно или приводят к образованию различных продуктов без ферментов. Большинство ферментов представляют собой белки, и слово «фермент» часто используется для обозначения белкового фермента. Некоторые молекулы РНК также обладают каталитической активностью, и чтобы отличить их от белковых ферментов, их называют РНК-ферментами или рибозимами.

Глоссарий

Активный транспорт: перемещение растворенных веществ против градиента и требует затрат энергии

Аденозинтрифосфат (АТФ): источник энергии клетки

Массовый поток: коллективное движение веществ в одном направлении в ответ на силу

Клетки: микроскопическая фундаментальная единица, из которой состоит все живое

Клеточная мембрана: граница клетки, иногда называемая плазматической мембраной

Цитоплазма: водоподобное вещество, заполняющее клетки. Цитоплазма состоит из цитозоля и клеточных органелл, за исключением клеточного ядра. Цитозоль состоит из воды, солей, органических молекул и многих ферментов, которые катализируют реакции. Цитоплазма удерживает все клеточные органеллы за пределами ядра, поддерживает форму и консистенцию клетки и служит местом хранения химических веществ.

Цитоскелет: состоит из нитевидных белков, помогает клеткам сохранять свою форму и позволяет клеткам и их содержимому перемещаться

Диализ: диффузия растворенных веществ через селективно проницаемую мембрану. Чаще всего слышно, когда у пациента почечная недостаточность. В медицине диализ — это вид заместительной почечной терапии, который используется для обеспечения искусственной замены утраченной функции почек из-за почечной недостаточности. Это лечение, поддерживающее жизнь, и не лечит никаких заболеваний почек.

Эндокринные клетки: похожи на экзокринные клетки, но выделяют свои продукты непосредственно в кровоток, а не через проток

Эндоцитоз: захват вещества вне клетки, когда плазматическая мембрана сливается, чтобы поглотить его

Эндоплазматический ретикулум: органеллы, которые играют важную роль в производстве белков и транспортировке клеточных продуктов; также участвуют в метаболизме жиров и производстве различных материалов

Эпителиальные клетки: клетки, которые помогают в секреции, поглощении, защите, трансклеточном транспорте, распознавании ощущений и избирательной проницаемости

Экзокринные клетки: клетки, которые выделяют продукты через протоки, такие как слизь, пот или пищеварительные ферменты

Экзоцитоз: процесс слияния пузырьков с плазматической мембраной и высвобождения их содержимого наружу клетки

Облегченная диффузия: диффузия растворенных веществ через канальные белки в плазматической мембране

Аппарат Гольджи: «упаковывает» клеточные продукты в мешочки, называемые везикулами, чтобы продукты могли пересекать клеточную мембрану и выходить из клетки

Гликолиз: процесс, при котором сахара (глюкоза) превращаются в кислоту

Лизосомы: мешковидные ячейки, содержащие ряд мощных разлагающих ферментов

Микрофиламенты: обеспечивают механическую поддержку клетки, определяют форму клетки и в некоторых случаях обеспечивают движение клетки

Микротрубочки: функционируют как каркас, по которому органеллы и пузырьки перемещаются внутри клетки

Митохондрии: органеллы, которые функционируют как «электростанция» клетки, вырабатывая АТФ

Ядро: управляет клеткой; содержит генетический материал

Органеллы: тела, встроенные в цитоплазму, которые служат для физического разделения различных метаболических процессов, происходящих в клетках

Осмос: диффузия молекул воды через селективно проницаемую мембрану из области с высокой концентрацией растворенных веществ в область с низкой концентрацией растворенных веществ.

Пассивный транспорт: перемещение веществ по градиенту концентрации, не требующее использования энергии

Пероксисомы: органеллы, в которых кислород используется для окисления веществ, расщепления липидов и детоксикации определенных химических веществ

Фагоцитоз: форма эндоцитоза, при которой крупные частицы обволакиваются клеточной мембраной (обычно более крупной) клетки и усваиваются, образуя фагосому, или «пищевую вакуоль». У животных фагоцитоз осуществляется специализированными клетками, называемыми фагоцитами, которые служат для удаления инородных тел и, таким образом, борются с инфекцией. У позвоночных к ним относятся более крупные макрофаги и более мелкие гранулоциты, типы клеток крови. Бактерии, мертвые клетки тканей и мелкие минеральные частицы — все это примеры объектов, которые могут подвергаться фагоцитозу.

Пиноцитоз: также называемый клеточным питьем, является формой эндоцитоза, процесса, при котором мелкие частицы поглощаются клеткой путем расщепления на более мелкие частицы. Затем частицы образуют маленькие пузырьки, которые впоследствии соединяются с лизосомами для гидролиза или расщепления частиц. Для этого процесса требуется аденозинтрифосфат (АТФ).

Рецепторно-опосредованный эндоцитоз: происходит, когда специфические молекулы в жидкости, окружающей клетку, связываются со специализированными рецепторами в плазматической мембране

Красные кровяные тельца (эритроциты): клетки, которые собирают кислород в легких и доставляют его через кровь к тканям организма

Рибосомы: играют активную роль в сложном процессе синтеза белка, где они служат структурами, облегчающими соединение аминокислот

Простая диффузия: чистое перемещение веществ из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией

Вакуоли: пространства в цитоплазме, которые иногда служат для переноса веществ к клеточной мембране для вывода наружу клетки

Белые кровяные тельца (лейкоциты): образуются в костном мозге и помогают организму бороться с инфекционными заболеваниями и чужеродными объектами в иммунной системе.

Список литературы:

1. Основы микробиологии: учебник / К.А. Мудрецова-Висс, В.П. Дедюхина, Е.В., Масленникова; , Владивостокский университет экономики и сервиса. – 5-е изд., исправленное, пересмотренное и дополненное. – М.: ИНФРА-М, 2014.
2. Асонов Н. Р., Микробиология. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Колос, 1997 — 352 с.: ил. —(Учебники и учеб. Пособия для студентов высших учеб. заведений).
3. Микробиология: Учебное пособие. — 2&е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2017 — 496 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература).