Метаболизм элементов. Антогонизм ионов, синергизм, аддивтивность

Физиология минерального питания

Процесс потребления энергии и веществ называется питанием. Энергия необходима для того, чтобы:

- осуществлялся синтез веществ, необходимых для роста организма;

- сокращались мышцы и передавались нервные импульсы;

- вещества могли транспортироваться из клетки в клетку;

- температура тела поддерживалась постоянной.

Это только основные процессы, для которых необходима энергия. Кроме того, энергия используется организмами для создания электрических разрядов, биолюминесценции и многого другого.

Не каждый тип энергии пригоден для использования. Организмы можно классифицировать по источникам поглощения энергии следующим образом:

- хемотрофы синтезируют органические вещества за счёт энергии химических связей.

- фототрофы синтезируют органические вещества за счёт энергии света;

Процесс фототрофного питания называется фотосинтезом. Фототрофы – это растения и некоторые бактерии (в том числе синезелёные водоросли). К хемотрофам относятся многие бактерии.

Организмы, живущие за счет неорганических источников углерода (например, углекислого газа), называются автотрофами. Те же, кто использует органические источники углерода, называются гетеротрофами. К автотрофам относят все растения и некоторые бактерии. Гетеротрофы – животные, грибы и большинство бактерий. Некоторые организмы (например, эвгленовые) нельзя отнести только к одной из этих категорий, поскольку они могут питаться как автотрофно, так и гетеротрофно. Такие организмы называются миксотрофными.

В целом можно сказать, что гетеротрофы зависят от автотрофов, поставляющих им органические вещества.

Хемосинтезирующие бактерии получают энергию от различных химических реакций – окисления водорода, серы, железа, аммиака и других веществ. Вот некоторые реакции, освобождающие энергию:

2NH₃ + 3O₂ → 2HNO₂ + 2H₂O + Q.

2HNO₂ + O₂ → 2HNO₃ + Q.

4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃ + 4CO₂ + Q.

2S + 3O₂ + 2H₂O → 2H₂SO₄ + Q.

Отметим также, что автотрофное питание не закачивается хемосинтезом и фотосинтезом. Важную роль играет получение растениями и животными минеральных веществ. Их недостаток приводит к различным заболеваниям.

Перенос веществ между организмом и средой - необходимый этап в процессах обмена веществ. Это - поглощение пищевых материалов и вынос отходов, поглощение кислорода и удаление углекислого газа, перенос неорганических ионов, воды и других веществ. Способы и механизмы поглощения и выделения веществ различаются у организмов разного уровня сложности - у одноклеточных и многоклеточных, животных и растений. На высших уровнях организации - у многоклеточных животных - в эти процессы включаются мышечные и ресничные механизмы: преследование и захват добычи, глотание и перистальтика по кишечнику у позвоночных, нагнетание водных потоков и фильтрация планктона у сидячих беспозвоночных - например, у двустворчатых моллюсков мидии, гребешка. У высших растений для транспорта воды и солей от корней к стеблю и листьям большое значение имеет осмотическая диффузия - движение растворов по градиенту концентрации, то есть из среды с высокой концентрацией вещества в среду с низкой концентрацией. Этот транспорт имеет простую физико-химическую основу и не требует энергетических затрат. Движение синтезированных веществ (сахаров) в обратную сторону, напротив, требует энергии.

Переносу малых молекул часто способствует их связывание с более крупными молекулами-переносчиками. Типичный пример - перенос кислорода из атмосферного воздуха, вдыхаемого через легкие, в кровь и далее во все клетки организма (для окисления пищевых субстратов и извлечения энергии - см. сегмент 13). В этом случае кислород из полости легких под осмотическим давлением поступает в кровеносные капилляры, далее в специальные клетки - эритроциты (красные кровяные тельца), где химически связывается с особым белком гемоглобином. Принцип связывания кислорода с гемоглобином очень прост. В составе этого белка имеются атомы железа, которые и окисляются кислородом - железо временно превращается в окисел (как обычное железо на воздухе превращается в ржавчину). Однако связь железа с кислородом непрочная, так что по мере углубления эритроцитов в ткани организма, где собственная концентрация кислорода ниже, гемоглобин отдает связанный с ним кислород, который теперь диффундирует в клетки, а далее в митохондрии. Решающее значение в транспорте кислорода имеет конфигурация (третичная структура) молекулы гемоглобина, от которой зависит окислительно-восстановительная способность связанного железа. При заболевании, которое называется серповидно-клеточной анемией (эритроциты имеют нетипичную форму серпа), замена всего одной аминокислоты в составе гемоглобина так изменяет его форму, что делает железо не эффективным в отношении кислорода. Дыхание нарушается.

Критическим моментом в транспорте веществ между организмом и средой - будь то одно- или многоклеточный, животный или растительный организм - является преодоление клеточных оболочек. Оболочка клетки включает липидно-белковую мембрану (плазмалемму) и углеводную стенку.

Клеточная стенка, даже очень толстая, как у растительных клеток, не представляет серьезного препятствия для воды и растворенных в ней веществ, но плазмалемма имеет настоящие барьерные свойства, так как ее основу составляют два слоя липидов (жиров), практически не проницаемых для водных растворов (см. рис. 2, 3 - строение липидов и мембран). Через билипидный слой легко проникают лишь газы (мелкие электрически нейтральные молекулы) и жирорастворимые вещества (спирты, ацетон и др.). Но клетке нужны прежде всего питательные органические и минеральные вещества. Для переноса заряженных частиц - ионов, а также небольших органических молекул - аминокислот, сахаров и т.п. в липидной мембране вставлены многочисленные белковые поры. Мембрана представляет как бы белковую мозаику по липидному фону. Белки мембранных пор, как и большинство других белков, взаимодействуют с водой, так что пора представляет фактически водный канал. Однако благодаря белковой компоненте каждый такой канал имеет избирательную проницаемость - для ионов K+, Na+, Ca ₂ +, Cl- и др. Вместе с ионами в клетку проникают и связанные с ними органические молекулы - сахара и аминокислоты, так осуществляется питание клеток. Рассмотренный случай представляет пассивный транспорт веществ, он не требует затрат энергии. Совершенно особый тип каналов представляют ионные насосы, способные перекачивать ионы против градиента их концентрации. Как следует из самого термина, насосы могут работать только с затратой энергии, и такой способ перемещения веществ называют активным транспортом. Белковая пора насоса способна расщеплять молекулу АТФ и за счет извлеченной энергии проталкивать ионы против их диффузионной силы. Созданный таким образом наружный избыток ионов возвращается обратно пассивным путем, но несет с собой нужные органические вещества. Так сочетание активного и пассивного транспорта обеспечивает питание клеток. Избыток ионов натрия снаружи клетки используется также для возбуждения электрического тока и проведения нервного возбуждения (см. сегмент 19).

Даже поверхностное рассмотрение механизмов мембранного транспорта веществ показывает, что, как и в случае мышечного сокращения, работа по активному транспорту сводится к обратимой конформационной перестройке молекул белковых пор с преобразованием энергии АТФ. Направленный в обратную сторону пассивный транспорт ионов и питательных веществ представляет простую диффузию, но является следствием предшествующего активного транспорта. Все эти процессы подчиняются в основе известным физико-химическим закономерностям.

Дата добавления: 2014-01-05