Съвременните експериментални изследвания установиха, че клетката е най-сложната структурна и функционална единица от почти всички живи организми, с изключение на вирусите, които са неклетъчни форми на живот. Цитологията изучава структурата, както и жизнената дейност на клетката: дишане, хранене, размножаване, растеж. Тези процеси ще бъдат разгледани в този документ.
Клетъчна структура
С помощта на светлинен и електронен микроскоп биолозите са установили, че растителните и животинските клетки съдържат повърхностен апарат (супрамембранни и субмембранни комплекси), цитоплазма и органели. В животинските клетки над мембраната се намира гликокаликс, който съдържа ензими и осигурява хранене на клетката извън цитоплазмата. В растителните клетки, прокариотите (бактерии и цианобактерии), както и гъбичките, над мембраната се образува клетъчна стена, която се състои от целулоза, лигнин или муреин.
Ядрото е основна органелаеукариоти. Съдържа наследствен материал - ДНК, която прилича на хромозоми. Бактериите и цианобактериите съдържат нуклеоид, който действа като носител на дезоксирибонуклеинова киселина. Всички те изпълняват строго специфични функции, които определят метаболитните клетъчни процеси.
Какво имаме предвид под клетъчно хранене
Жизненоважните прояви на клетката не са нищо друго освен пренос на енергия и нейната трансформация от една форма в друга (според първия закон на термодинамиката). Енергията, намираща се в хранителните вещества в латентно, т.е. свързано състояние, преминава в АТФ молекули. На въпроса какво е клетъчното хранене в биологията има отговор, който взема предвид следните постулати:
- Клетката, тъй като е отворена биосистема, изисква постоянно снабдяване с енергия от външната среда.
- Органични вещества, необходими за храненето, клетката може да получи по два начина:
a) от междуклетъчната среда, под формата на готови съединения;
b) независимо синтезира протеини, въглехидрати и мазнини от въглероден диоксид, амоняк и др.
Следователно всички организми се делят на хетеротрофни и автотрофни, чиито метаболитни характеристики се изучават от биохимията.
Метаболизъм и енергия
Органичните вещества, влизащи в клетката, претърпяват разделяне, в резултат на което се освобождава енергия под формата на ATP или NADP-H2 молекули. Целият набор от реакции на асимилация и дисимилация е метаболизъм. По-долу ще разгледаме етапите на енергийния метаболизъм, които осигуряват хранене на хетеротрофните клетки. Първо протеини, въглехидрати и липидисе разграждат до техните мономери: аминокиселини, глюкоза, глицерол и мастни киселини. След това, по време на смилане без кислород, те претърпяват допълнително разграждане (анаеробно смилане).
По този начин се хранят вътреклетъчни паразити: рикетсии, хламидии и патогенни бактерии, като клостридии. Едноклетъчните дрожди разграждат глюкозата до етилов алкохол, млечнокиселите бактерии до млечна киселина. По този начин, гликолизата, алкохолната, маслена, млечнокисела ферментация са примери за клетъчно хранене, дължащо се на анаеробно смилане в хетеротрофи.
Автотрофия и характеристики на метаболитните процеси
За организмите, живеещи на Земята, основният източник на енергия е Слънцето. Благодарение на него нуждите на жителите на нашата планета са задоволени. Някои от тях синтезират хранителни вещества благодарение на светлинната енергия, наричат се фототрофи. Други - с помощта на енергията на редокс реакциите се наричат хемотрофи. При едноклетъчните водорасли храненето на клетката, снимката на която е представена по-долу, се извършва фотосинтетично.
Зелените растения съдържат хлорофил, който е част от хлоропластите. Той играе ролята на антена, която улавя светлинни кванти. В светлата и тъмната фаза на фотосинтезата протичат ензимни реакции (цикълът на Калвин), които водят до образуването на всички органични вещества, използвани за хранене от въглероден диоксид. Следователно, клетката, която се подхранвапоради използването на светлинна енергия, се нарича автотрофно или фототрофно.
Едноклетъчните организми, наречени хемосинтетици, използват енергията, освободена в резултат на химични реакции, за да образуват органични вещества, например, железните бактерии окисляват железните съединения до фери желязо, а освободената енергия отива за синтеза на глюкоза молекули.
По този начин фотосинтетичните организми улавят светлинната енергия и я преобразуват в енергията на ковалентните връзки на моно- и полизахаридите. След това по връзките на хранителните вериги енергията се прехвърля към клетките на хетеротрофните организми. С други думи, благодарение на фотосинтезата съществуват всички структурни елементи на биосферата. Може да се каже, че една клетка, чието хранене се осъществява по автотрофен начин, „храни” не само себе си, но и всичко, което живее на планетата Земя.
Как се хранят хетеротрофните организми
Клетка, чието хранене зависи от приема на органични вещества от външната среда, се нарича хетеротрофна. Организми като гъбички, животни, хора и паразитни бактерии разграждат въглехидратите, протеините и мазнините с помощта на храносмилателни ензими.
След това получените мономери се абсорбират от клетката и се използват от нея за изграждане на техните органели и живот. Разтворените хранителни вещества влизат в клетката чрез пиноцитоза, докато твърдите хранителни частици влизат в клетката чрез фагоцитоза. Хетеротрофните организми могат да бъдат разделени на сапротрофи и паразити. Първите (например почвени бактерии, гъбички, някои насекоми) се хранят с мъртва органична материя, а вторите (патогенни бактерии, хелминти, паразитни гъби) се хранят с клетки и тъкани на живи организми..
Миксотрофи, тяхното разпространение в природата
Смесеният тип хранене в природата е доста рядък и представлява форма на адаптация (идиоадаптация) към различни фактори на околната среда. Основното условие за миксотрофия е наличието в клетката както на органели, съдържащи хлорофил за фотосинтеза, така и на система от ензими, които разграждат готови хранителни вещества, идващи от околната среда. Например едноклетъчното животно Euglena green съдържа хроматофори с хлорофил в хиалоплазмата.
Когато резервоарът, в който живее евглената, е добре осветен, тя се храни като растение, тоест автотрофно, чрез фотосинтеза. В резултат на това глюкозата се синтезира от въглероден диоксид, който клетката използва като храна. Euglena се храни хетеротрофно през нощта, разграждайки органичната материя с помощта на ензими, разположени в храносмилателните вакуоли. Така учените смятат миксотрофното хранене на клетката за доказателство за единството на произхода на растенията и животните.
Растежът на клетките и връзката му с трофизма
Увеличаването на дължината, масата, обема както на целия организъм, така и на отделните му органи и тъкани се нарича растеж. Невъзможно е без постоянно снабдяване с хранителни вещества на клетките, които служат като строителен материал. За да получите отговор на въпроса как расте една клетка, чието храненепротича автотрофно, е необходимо да се изясни дали е самостоятелен организъм или е част от многоклетъчен индивид като структурна единица. В първия случай растежът ще се извършва по време на интерфазата на клетъчния цикъл. В него интензивно протичат процесите на пластичен обмен. Храненето на хетеротрофните организми е свързано с наличието на храна, идваща от външната среда. Растежът на многоклетъчен организъм се дължи на активирането на биосинтеза в образователните тъкани, както и на преобладаването на анаболните реакции над процесите на катаболизъм.
Ролята на кислорода в храненето на хетеротрофните клетки
Аеробни организми: Някои бактерии, гъбички, животни и хора използват кислород за пълно разграждане на хранителни вещества като глюкоза до въглероден диоксид и вода (цикълът на Кребс). Той се среща в матрицата на митохондриите, съдържаща ензимната система Н + -АТФ-аза, която синтезира АТФ молекули от АДФ. При прокариотни организми като аеробни бактерии и цианобактерии, етапът на дисимилация на кислород се извършва в плазмената мембрана на клетките.
Специфично хранене на гаметите
В молекулярната биология и цитология клетъчното хранене може да се опише накратко като процес на навлизане на хранителни вещества в нея, тяхното разделяне и синтеза на определена порция енергия под формата на молекули АТФ. Трофизмът на гаметите: яйцата и сперматозоидите има някои особености, свързани с високата специфичност на техните функции. Това е особено вярно за женската зародишна клетка, която е принудена да натрупва голям запас от хранителни вещества, главно под формата нажълтък.
След оплождането тя ще ги използва за смачкване и образуване на ембрион. Сперматозоидите в процеса на узряване (сперматогенеза) получават органични вещества от клетките на Сертоли, разположени в семенните тубули. По този начин и двата вида гамети имат високо ниво на метаболизъм, което е възможно поради активния клетъчен трофизъм.
Ролята на минералното хранене
Метаболитните процеси са невъзможни без притока на катиони и аниони, които са част от минералните соли. Например, магнезиевите йони са необходими за фотосинтезата, калиевите и калциевите йони са необходими за работата на митохондриалните ензимни системи, а наличието на натриеви йони, както и карбонатни аниони, е необходимо за поддържане на буферните свойства на хиалоплазмата. Разтворите на минерални соли влизат в клетката чрез пиноцитоза или дифузия през клетъчната мембрана. Минералното хранене е присъщо както на автотрофните, така и на хетеротрофните клетки.
Обобщавайки, ние сме убедени, че значението на клетъчното хранене е наистина голямо, тъй като този процес води до образуването на строителен материал (въглехидрати, протеини и мазнини) от въглероден диоксид в автотрофните организми. Хетеротрофните клетки се хранят с органични вещества, образувани в резултат на жизнената активност на автотрофите. Те използват получената енергия за размножаване, растеж, движение и други жизнени процеси.
