Эукариотическая клетка

В почках также имеет место  активный транспорт: из проксимальных  извитых канальцев почки активно транспортируются натрий и глюкоза, а в корковом веществе почки - натрий.

Эндоцитоз и экзоцитоз

Эндоцитоз и экзоцитоз - это  два активных процесса, посредством  которых различные материалы  транспортируются через мембрану либо в клетки (эндоцитоз), либо из клеток (экзоцитоз).

При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивания или выросты, которые затем, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки или вакуоли. Различают два типа эндоцитоза:

1. Фагоцитоз-поглощение твердых  частиц. Специализированные клетки, осуществляющие фагоцитоз, называются фагоцитами; эту функцию выполняют, например, некоторые виды лейкоцитов. Мембранный мешочек, обволакивающий поглощаемую частицу, называют фагоцитозной вакуолью.

2. Пиноцитоз - поглощение  жидкого материала (раствор, коллоидный  раствор, суспензия). Часто при  этом образуются очень мелкие  пузырьки. В таком случае говорят  о микропиноцитозе и пузырьки  называют микропиноцитозными.

Пиноцитоз характерен для  амебоидных простейших и для многих других (часто амебоидных) клеток, таких, как лейкоциты, клетки зародыша, клетки печени и некоторые клетки почек, участвующие в водно-солевом обмене. Удается наблюдать пиноцитоз также и в клетках растений.

Экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу. Таким способом различные материалы выводятся из клеток: из пищеварительных вакуолей удаляются оставшиеся непереваренными плотные частицы, а из секреторных клеток путем «пиноцитоза наоборот» выводится их жидкий секрет.

Все процессы жизнедеятельности  клеток происходят с затратой энергии, которая поступает извне и  преобразовывается специальными органалами клетки: в растительной клетке –  это хлоропласт, в животной –  митахондрии. Процессы преобразования энергии называется фотосинтез (растительная клетка), синтез АТФ – животная клетка.

 

Хлоропласты

У эукариот фотосинтез происходит в особых органеллах, называемых хлоропластами. Хлоропласты рассеяны в цитоплазме, их число варьирует от одного примерно до ста. У высших растений Хлоропласты  на срезе обычно имеют двояковыпуклую форму, а при взгляде сверху выглядят округлыми. Диаметр хлоропластов около 3-10 мкм (в среднем 5 мкм), так что они хорошо видны в световой микроскоп. У водорослей форма хлоропластов более разнообразна.

Хлоропласты образуются из небольших  недифференцированных телец, называемых иропластидами; такие тельца имеются в растущих частях растения (в клетках меристемы), они окружены двойной мембраной - будущей оболочкой хлоропласта. В хлоропластах всегда содержатся хлорофилл и другие фотосинтетические пигменты, локализованные в системе мембран, которые погружены в основное вещество хлоропластастрому.

Детали строения хлоропластов выявляются с помощью электронного микроскопа. Мембранная система –  это то место, где протекают световые реакции. Темновые реакции фотосинтеза  происходят в строме. 

 

Биохимия фотосинтеза

Процесс фотосинтеза обычно описывают уравнением:                  

 _{Энергия  света}

6CO₂ + 6Н₂О ————> С₆Н₁₂О₆ + 6O₂.             

                                                                             _{Хлорофилл}

 

Им удобно пользоваться, когда  надо показать, что образуется одна молекула сахара, но при этом не следует  забывать, что это всего лишь суммарное  отображение многих событий. Несколько  лучший вариант:

 
                 

 _{Энергия  света}

СО₂ + Н₂О —————> [СН₂О] + О₂.                   

 _{Хлорофилл}

 

Такого соединения, как  СН₂О, не существует, но эта формула отражает состав углевода.

 

Источник кислорода

Глядя на приведенное выше уравнение, химик сразу же задумается о том, к какому типу относится  эта реакция, а ответить на этот вопрос нельзя, если не знать, из чего - из двуокиси углерода или воды - образуется выделяющийся кислород. Казалось бы, ответ ясен: из двуокиси углерода; в таком случае осталось бы только присоединить углерод к воде, и получился бы углевод. Но прямо ответить на этот вопрос удалось только после того, как в 40-е годы в биологических исследованиях начали применять.

Массовое число обычного изотопа кислорода равно 16, поэтому его обозначают lб0 (8 протонов, 8 нейтронов). А один из редких изотопов имеет массовое число 18 (¹⁸О). Это стабильный изотоп, но его можно обнаружить благодаря его несколько большей массе. Для этого используют масс-спектрометр - очень важный аналитический прибор, способный улавливать разницу между массами отдельных атомов и молекул. В 1941 г. был поставлен эксперимент, результаты которого можно выразить следующим образом:

 

СО₂ + Н₂¹⁸О -> [СН₂О] + ¹⁸O₂.

 

Так было установлено, что  источником кислорода служит вода. Из уравнения видно, что из каждой молекулы воды выделяется один атом кислорода. В сбалансированном виде уравнение  должно выглядеть так:

 
          

 _{Энергия  света}

СО₂ + 2H₂¹⁸O ————> [СН₂О] + ¹⁸О₂ + Н₂О.                           

    _{Хлорофилл}

 

Это самое точное итоговое уравнение фотосинтеза; к тому же из него дополнительно вытекает, что вода в процессе фотосинтеза не только используется, но и образуется. Рассмотренный выше эксперимент косвенно подтверждал полученные примерно в это же время данные Ван-Нила о том, что фотосинтезирующие бактерии совсем не выделяют кислорода, хотя и используют СО₂. Ван-Нил пришел к выводу, что всем фотосинтезирующим организмам необходим источник водорода; у растений это вода, причем выделяется кислород; а, например, у серобактерий это сероводород, и вместо кислорода выделяется сера: 

 

 

        _{Энергия света}

CO₂ + 2H₂S ——————> [СН₂О] + 2S + Н₂О.               

           _{Хлорофилл}

 

Это уравнение для серобактерий полностью аналогично уравнению для растений.

Упомянутые эксперименты позволили глубже понять природу фотосинтеза. Они показали, что фотосинтез включает две стадии, первая из которых состоит в получении водорода. У растений водород получается путем расщепления воды на кислород и водород; для этого расщепления нужна энергия, которую и дает свет (отсюда и сам процесс стали называть фотолизом (греч. photos-свет, lysis-расщепление). Кислород выделяется как ненужный побочный продукт. Во второй стадии водород соединяется с СO₂ и образуется углевод. Присоединение водорода - это один из примеров химической реакции, называемой восстановлением.

Тот факт, что фотосинтез является двухстадийным процессом, был впервые установлен в 20-е-30-е годы. Для первой стадии характерны так называемые световые реакции, для которых нужен свет. На второй стадии свет не нужен, и поэтому соответствующие реакции, хотя они тоже происходят на свету, назвали темповыми реакциями. Сейчас выяснено, что это два отдельных набора реакций, которые к тому же разделены и в пространстве: световые реакции происходят в мембранах хлоропластов, а темновые - в их строме.

Когда было установлено, что  фотосинтез складывается из световых реакций и следующих за ними темновых реакций, к концу 50-х годов осталось только выяснить, что же это за реакции.

 

Световые реакции

В 1958 г. Арнон и его сотрудники показали, что на свету изолированные  хлоропласты могут синтезировать АТФ из АДФ и фосфата (фосфорилирование), восстанавливать НАДФ до НАДФ-Н₂ и выделять кислород.

Арнон показал также, что  СО₂ можно восстановить до углевода даже в темноте, при условии что в среде присутствуют АТФ и НАДФ • Н₂. Это позволяло думать, что роль световых реакций состоит лишь в образовании АТФ и НАДФ-Нд. Арнон обратил внимание на сходство этого процесса с дыханием, при котором тоже происходит фосфорилирование АДФ. Для фосфорилирования нужна энергия. При дыхании энергия высвобождается в результате окисления питательных веществ пищи (чаще всего глюкозы), и потому этот процесс называют окислительным фосфорилированием. При фотосинтезе источником энергии служит свет, и соответствующий процесс назвали фотофосфорили-рованием. Таким образом, окислительное фосфорилирование - это превращение АДФ и Ф_н в АТФ за счет химической энергии, получаемой из пищи в процессе дыхания, а фотофосфорилирование-это такое же превращение с использованием энергии света в процессе фотосинтеза (Ф_н - неорганический фосфат).

Арнон совершенно верно предсказал, что фото-фосфорилирование, как и  окислительное фосфорилирование, должно быть сопряжено с переносом электронов в мембранах. Перенос электронов - это основа для понимания как фотосинтеза, так и дыхания.

Процесс преобразования энергии  в животных клетках происходит с  помощью митахондрий.

 

Митохондрии

Митохондрии имеются во всех эукариотических клетках. Эти органеллы - главное место аэробной дыхательной  активности клетки. Впервые наблюдал Митохондрии в виде гранул в мышечных клетках Кёлликер в 1850 г. Позднее, в 1898 г., Михаэлис показал, что они играют важную роль в дыхании: в его опытах митохондрии вызывали изменение цвета окислительно-восстановительных индикаторов.

Число митохондрии в клетке очень непостоянно; оно зависит  от вида организма и от природы  клетки. В клетках, в которых потребность в энергии велика, содержится много митохондрии (в одной печеночной клетке, например, их может быть около 1000). В менее активных клетках митохондрии гораздо меньше. Чрезвычайно сильно варьируют также размеры и форма митохондрии. Митохондрии могут быть спиральными, округлыми, вытянутыми, чашевидными и даже разветвленными; в более активных клетках они обычно крупнее. Длина митохондрии колеблется в пределах 1,5-10 мкм, а ширина - в пределах 0,25-1,00 мкм.

Митохондрии способны изменять свою форму, а некоторые могут  также перемещаться в особо активные участки клетки. Такое перемещение (которому способствует ток цитоплазмы) позволяет клетке сосредоточивать большее число митохондрии в тех местах, где выше потребность в АТФ. В других случаях положение митохондрии более постоянно (как, например, в летательных мышцах насекомых).

 

Синтез АТФ

Изучением этого вопроса  активно занимаются больше 30 лет  однако четкого представления о  механиз мах синтеза АТФ нас  пока еще нет. В последнее время  усиленно обсуждаются главным образом  две гипотезы: гипотеза химического  сопряжения и хемиосмотическая гипотеза.

 

Гипотеза химического  сопряжения

Согласно этой гипотезе, синтез АТФ сопряжен с переносом электронов при посредстве одного или нескольких «высокоэнергетических» промежуточных  Энергия, высвобождаемая при переносе в окислительно-восстановительных  реакциях дыхательной цепи, используется в нескольких ее звеньях для образования  высокоэнергетической связи в одном  из таких продуктов. Затем при  фосфорилировании АДФ эта энергия  переходит к высокоэнергетической связи АТФ. До сих пор, однако, обнаружить подобные промежуточные продукты не удалось, и до тех пор, пока их существование не подтвердится, эту гипотезу нельзя считать убедительной.

 

Хемиосмотическая гипотеза

Большее признание завоевала  гипотеза, выдвинутая Митчеллом в 1961 г. Он полагал, что синтез АТФ находится  в тесной зависимости от того, каким  образом электроны и протоны  передаются по дыхательной цепи. Ниже перечислены условия, соблюдения которых требует эта гипотеза.

 

1. Внутренняя митохондриальная  мембрана должна быть интактна  и непроницаема для протонов (ионов  водорода), направляющихся снаружи  внутрь.     

2. В результате активности  дыхательной (электрон-транспортной) цепи ионы водорода поступают  в нее изнутри, из матрикса, а освобождаются на наружной  стороне мембраны.

3. Движение ионов водорода, направленное изнутри наружу, приводит  к их накоплению, вследствие чего  между двумя сторонами митохондриальной  мембраны возникает градиент  рН. Это может быть связано  с тем, что ферменты, принимающие  и отдающие ионы водорода, расположены  в мембране определенным образом  и поэтому могут принимать  ионы водорода только изнутри  и отдавать их только наружу.

4. Сам по себе градиент  рН не мог бы поддерживаться, так как ионы водорода диффундировали  бы обратно в митохондрию. Поддержание  такого градиента требует затраты  энергии. Предполагается, что энергию  поставляет перенос электронов  по электронтранспортной (дыхательной)  цепи.

5. Эта энергия используется  затем для синтеза АТФ. Синтез  АТФ, таким образом, поддерживается  наличием градиента рН.

6. АТФ образуется в результате  фосфорилирования АДФ:

 

АДФ + Ф_Н  = АТФ + Н₂O.  

 

По закону действующих  масс удаление воды должно ускорять реакцию, идущую слева направо, т. е. благоприятствовать образованию АТФ. Согласно теории Митчелла, фермент, ответственный за образование  воды при синтезе АТФ, ориентирован в мембране таким образом, освобождаются  с внутренней стороны мембраны, где  значение рН выше (т.е. концентрация Н'1'меньше), а гидроксильные ионы (ОН")-с  наружной стороны, где рН ниже (т.е. концентрация Н4" больше). Таким образом, вода, образующаяся при синтезе АТФ, быстро удаляется, и это стимулирует синтез,

Из гипотезы Митчелла ясно, почему мембрана должна быть интактной (в моменты, ответственные за прохождение  ионов водорода и за образование  воды, так что любое изменение  структуры мембраны неминуемо сказалось  бы также на расположении ферментов  и на их структуре). Объяснимо и  требование непроницаемости мембраны для ионов водорода (в направлении  снаружи внутрь): в основе гипотезы лежит представление о трансмембранном  градиенте рН, атакой градиент не мог  бы поддерживаться, если бы мембрана была полностью проницаемой. Следует  отметить также, что гипотеза обходится  без каких бы то ни было промежуточных  продуктов в процессе синтеза  АТФ.