Клетката – отворена система

Едни и същи елементи, други дялове

Живото е изградено от същите химични елементи като неживата природа, но в други съотношения. По маса в тялото най-много е кислородът (около 65 %), по брой атоми – водородът (около 62 %). В земната кора втори е силицият, а въглеродът почти го няма.

Макроелементите са над 0,01 % от масата, микроелементите – от 0,000001 % до 0,01 %, а ултрамикроелементите – под 0,000001 %. Желязото е в хемоглобина, йодът – в хормоните на щитовидната жлеза, калцият – в костите и в сигналите на клетката.

Тежки метали като олово, живак и кадмий вредят по химичен път: йонът им се свързва със сярата в ензима и го блокира. Масата им няма значение. Хелатиращи вещества свързват металните йони. Лечението на отравяне е само в болница.

Водата и йоните

Водната молекула е огъната: ъгълът между водородите е около 104,5°. Кислородът има частичен отрицателен заряд, водородите – частичен положителен. Затова водата е разтворител за йони: около натриевия йон кислородите са насочени към него, около хлорния – водородите.

Между водните молекули има водородни връзки – до четири на молекула. Една водородна връзка е около 22 пъти по-слаба от ковалентната връзка в самата молекула, но те са много и затова водата има голям топлинен капацитет.

Клетката държи вътре други йони, отколкото има вън: натрий около 12 и 145 милимола на литър, калий около 140 и 5, калций около 0,0001 и 1,5. За калция разликата е около 10 000 пъти.

Видове транспорт

При простата дифузия частиците вървят от по-голямата към по-малката концентрация. Кислородът и въглеродният диоксид минават през липидния слой, водата – бавно през него и бързо през канали, а йоните – само през канали. Когато концентрациите се изравнят, частиците продължават да се движат, но нетният поток е нула.

При улеснената дифузия белтък-преносител пропуска глюкозата по разликата в концентрациите. Преносителят се насища: десет пъти повече глюкоза вън дава само около 1,35 пъти по-голям поток. Тя не иска енергия.

Осмозата е движение на водата през мембрана към разтвора с повече разтворено вещество. Червената кръвна клетка в 0,9 % натриев хлорид е нормална, под 0,45 % се пуква, а над 0,9 % се набръчква. Растителната клетка има стена: в чиста вода става изпъната, но не се пуква.

Натриево-калиевата помпа (К⁺–Na⁺ помпа) изнася 3 натриеви и внася 2 калиеви йона за всяка молекула аденозинтрифосфат (АТФ), срещу разликата в концентрациите. При ендоцитоза и екзоцитоза клетката поглъща или изнася големи частици в мехурче от мембраната. И трите искат енергия; без аденозинтрифосфат спират само те, а дифузията и осмозата продължават.

Енергиен бюджет

Една глюкоза дава при гликолиза 2 молекули аденозинтрифосфат (АТФ). С кислород – в митохондриите, чрез цикъла на Кребс и електрон-транспортната верига – общо около 30 до 32 (по-старите учебници казват 38). Без кислород остава само брожението: 2 молекули и млечна киселина. Клетката трябва да разгради около 16 пъти повече глюкоза за същото количество.

Ако аденозинтрифосфатът не стига, помпата работи по-бавно, натрият влиза в клетката и тя набъбва. Клетката е отворена система: поддържа реда си само докато има приток на глюкоза.

Какво опростихме

• Двумерна клетка с една мембрана и дванайсет места за канали, преносители и помпи.
• Една моделна клетка на бозайник с типични концентрации.
• Нервният импулс, рецепторите и саркомерът не се моделират тук.
• Схемата не е кръв и не дава медицински съвети.