12.4.2. 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 вешества 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.

12.4.3. Клеточные мембраны

Мембраны могут менять свою проницаемость под воздейст­вием химических и физических факторов, в том числе в резуль­тате деполяризации мембраны при прохождении электрического импульса через систему нейронов и воздействия на нее. Нейрон — это отрезок нервного волокна. Если на одном его конце дей­ствует раздражитель, то возникает электрический импульс. Его величина около 0,01 В для мышечных клеток человека, и он рас­пространяется со скоростью порядка 4 м/с. Когда импульс дохо­дит до синапса — соединения нейронов, которое можно рассмат­ривать как своеобразное реле, передающее сигнал от одного нейрона на другой, то электрический импульс преобразуется в химический в результате выделения нейромедиаторов — специ­фических веществ—посредников. При попадании молекулы по­средника в щель между нейронами нейромедиатор путем диффу­зии достигает конца щели и возбуждает следующий нейрон.

Однако нейрон реагирует только в том случае, если на его по­верхности имеются особые молекулы — рецепторы, которые могут связывать лишь данный медиатор и не реагировать на дру­гой, что происходит не только на мембране, но и в любом орга­не, например в мышце, вызывая ее сокращение. Сигналы-им- пульсы через синапсы могут тормозить или усиливать передачу возбуждения, и поэтому нейроны исполняют логические функ­ции («и», «или»), что в известной мере и послужило Н. Винеру основанием считать, что вычислительные процессы в мозге жи­вого организма и в ЭВМ идут принципиально по одной и той же схеме. Тогда информационный подход позволяет единым обра­зом описывать неживую и живую природу.

Процесс воздействия сигнала на мембрану заключается в из­менении ее высокого электрического сопротивления, так как разность потенциалов на ней тоже около 0,01 В. Уменьшение сопротивления приводит к увеличению импульса электрического тока, и возбуждение передается дальше в виде нервного импуль­са, изменяя при этом возможность прохождения через мембрану определенных ионов. Таким образом, информация в организме может передаваться в сочетании — химическим и физическим механизмами, и это обеспечивает надежность и многообразие каналов ее передачи и переработки в живой системе.

Внутриклеточные мембраны за счет своей гибкости могут по­глощать и выделять наружу отдельные ионы, молекулы и конгло­мераты из многих молекул. Отдельные части мембраны образуют выступы, которые обволакивают частицы, и они оказываются внутри. Этот процесс называют эндоцитозом. При экоцитозе эти выступы «выпихивают» частицы за пределы клетки. Все вещества, попавшие в клетку, растворяются в цитоплазме через пищевари­тельные вакуоли и перерабатываются с помощью лизосом.

С процессами клеточного дыхания, когда в митохондриях клетки образуются молекулы АТФ, обеспечивая ее необходимой энергией, тесно связаны и процессы обычного дыхания живого организма, для которого требуется кислород, получаемый в ре­зультате фотосинтеза.