Процессы в клетке

Рассмотрим процессы, происходящие в клетке во время ее жизнедеятельности. В живой клетке должно поддерживаться постоянство состава веществ, что осуществляется контролируемым обменом веществ с помощью именно мембран, которые отделяют внутреннюю среду клетки (или внутри клетки) от внешней и являются границами клетки (или ее внутренних участков и тел в ней). Прохождение веществ через мембраны осуществляют липиды (с их водоотталкивающими свойствами) и белки, способные связывать воду, и оно реализуется через физические и биологические механизмы диффузии, транспорта и осмоса.

Диффузия — это процесс перемещения молекул или атомов из областей с большей их концентрацией (или давлением) в сторону областей с меньшей концентрацей (или давлением). Законы диффузии хорошо изучены и вполне применимы к перемещению молекул в живом организме. Особенно важна для биосистем диффузия ионов в водных растворах. Не менее важна роль диффузии в переносе кислорода воздуха через стенки альвеол легких и попадании его в кровь человека.

Диффузия молекулярных ионов через мембраны осуществляется с помощью электрического потенциала внутри клетки. Обладая избирательной проницаемостью, мембраны играют роль «таможни» при перемещении товаров через границу: одни вещества пропускают, другие — задерживают, а третьи — вообще «выдворяют» из клетки. Роль мембран в жизни клеток очень велика. Гибнущая клетка теряет контроль над возможностью регулировать концентрацию веществ через мембрану. Первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости и сбои в работе ее наружной мембраны.

Помимо обычного транспорта — кинетического процесса переноса частиц вещества под действием градиентов электрического или химического потенциала, температуры или давления — в клеточных процессах имеет место и активный транспорт — движение молекул и ионов против градиента концентрации веществ. Такой механизм диффузии назвали осмосом. Этот процесс осуществляется за счет неодинакового осмотического давления в водном растворе по разные стороны биологической мембраны. Вода часто свободно проходит путем осмоса через мембрану, но эта мембрана может быть непроницаема для веществ, растворенных в воде. Любопытно, что вода течет против диффузии этого вещества, но подчиняясь общему закону градиента концентрации воды.

Поэтому вода стремится из более разбавленного раствора, где ее концентрация выше, в более концентрированный раствор вещества, в котором концентрация воды ниже. Не имея возможности непосредственно всасывать и откачивать воду, клетка осуществляет это с помощью осмоса, изменяя концентрацию находящихся в ней растворенных веществ. В результате осмоса выравниваются концентрации раствора по обе стороны мембраны. Активный транспорт в организме, в частности, используется в так называемом натрий-калиевом насосе, который извлекает ионы натрия из клетки и накачивает ионы калия в нее, используя для этого энергию АТФ.

Таким образом, клетка является открытой термодинамической системой, осуществляющей обмен веществом и энергией с окружающей средой, но сохраняющей определенное постоянство внутренней среды. Эти два свойства саморегулирующейся системы — открытость и постоянство — выполняются одновременно, причем за постоянство клетки отвечает обмен веществ (метаболизм). Обмен веществ является тем регулятором, который способствует сохранению системы, он обеспечивает целесообразное реагирование на воздействие окружающей среды. Поэтому необходимым условием обмена веществ является раздражимость живой системы на всех уровнях, которая выступает как фактор системности и целостности системы.