Потребность клетки в кислороде удовлетворяют в основном клетки легких и крови. При вдохе кислород воздуха проходит носоглотку, гортань, трахею и попадает в бронхи и в легкие. Клетки легких производят интенсивный газообмен с кровью. Молекулы кислорода прикрепляются к специально для этого существующим клеткам крови (эритроцитам), а углекислый газ и другие отработанные продукты жизнедеятельности клеток переходят из крови в клетки легких и выбрасывается с выдохом. Подробнее о системе дыхания будет рассказано в главе 1.3.
Клетке, как и любому живому существу, необходимы питательные вещества. Она потребляет углеводы для производства энергии, белки – для построения своих белков, размножения, регулирования внутриклеточных процессов, производства энергии и жиры – для производства и накопления энергии и строительства своей мембраны, некоторых гормонов и органелл. При этом для потребления клеткой белки, жиры и углеводы необходимо специальным образом приготовить. Это делают клетки органов пищеварения.
Все углеводы состоят из отдельных «единиц», которые называются сахариды (глюкозоподобные молекулы). Они делятся на две группы: простые и сложные. Углеводы, содержащие один сахарид, называются моносахариды (глюкоза, фруктоза), два – дисахариды (лактоза – молочный сахар, сахароза – тростниковый сахар), больше двух – полисахариды (крахмал, целлюлоза)[18].
Клетки потребляют глюкозу, поэтому цель переваривания углеводов – превращение углеводов в глюкозу. Это превращение начинается во рту под действием ферментов слюны и продолжается под действием ферментов, выделяемых клетками поджелудочной железы, в двенадцатиперстной кишке и тонком кишечнике. В конечном счете все углеводы превращаются в глюкозу, которая всасывается в кровь из тонкого кишечника.
В переваривании углеводов ведущую роль играет поджелудочная железа, находящаяся, как следует из ее названия, прямо под желудком. В этой железе имеется около миллиона скоплений бета-клеток, красиво названных островками Лангерганса. Эти клетки производят один из самых известных гормонов[19] – инсулин, который регулирует углеводный обмен. Мы уже знаем, что клетки любят обмениваться сообщениями и используют для этого сигнальные молекулы. Гормоны тоже своего рода сигнальные молекулы, только эти сигналы вырабатываются в специальных железах и носят характер строгого приказа, которые клетки должны неукоснительно выполнять.
Инсулин передает команду мышечным клеткам открыть специальные проходы в мембране для прохода молекул глюкозы, необходимой для функционирования клетки. Если в крови имеется некоторый избыток глюкозы, инсулин передает команду клеткам печени переработать его в гликоген, который, по существу, представляет собой соединенные в единую молекулу тысячи молекул глюкозы. Если избыток глюкозы всё еще остается в крови, через инсулин передается команда клеткам жира переработать его в жир про запас.
Всем этим довольно сложным процессом руководит мозг. Точнее, расположенная в нем маленькая железа гипоталамус (это название полезно запомнить; «гипо» в переводе с греческого «под», а «таламус» – «камера»). Этот маленький орган руководит практически всеми гормонами в нашем организме.
Если глюкозы в крови не хватает для питания клеток, тот же гипоталамус дает команду на выделение, теперь уже альфа-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы, гормона глюкагона (совсем легко запомнить: «гонит глюкозу»), который обеспечивает распад определенной части гликогена, запасенного в печени, и выделение глюкозы в кровь.
Так клетка обеспечивает себе постоянный доступ к глюкозе – основному источнику энергии.
Для строительства своих внутренних органов-органелл, производства ферментов и гормонов, а также, при особой необходимости, для производства энергии клетка нуждается в белках. Как мы знаем, белки – основные элементы жизни. Некоторые читатели могут припомнить слова Энгельса: «Жизнь есть способ существования белковых тел»[20].
Все белки состоят из 20 аминокислот. Они являются теми элементами, из которых строятся все белки, от соединения небольшого количества аминокислот, называемых пептидами, до огромных белковых соединений, содержащих тысячи аминокислот. Важнейшим свойством белков, на основе которого, собственно, и построена жизнь, является их способность соединяться друг с другом, образуя прочную межмолекулярную связь.
Клетке для жизни нужны именно аминокислоты. Нужные ей белки из аминокислот она умеет производить сама. Получить из съедаемых белков аминокислоты, то есть переварить белки, ей помогают другие клетки.
Клетки слизистой желудка производят желудочный сок, содержащий соляную кислоту и ферменты (пепсин и др.). Они расщепляют белки пищи на аминокислоты, которые всасываются в кровь и доставляются к каждой клетке организма.
Жиры (липиды) нужны клетке для строительства и ремонта мембран, некоторых органелл, производства ряда гормонов и энергии. В жире вдвое больше энергии, чем в углеводах и белках (в грамме жира – 9,3 кал, в грамме углеводов и белков – 4 кал).
Жиры состоят из глицерина[21] и жирных кислот, которые бывают насыщенные и ненасыщенные[22]. Переваривание жира, то есть его расщепление на глицерин и жирные кислоты в двенадцатиперстной кишке и тонком кишечнике осуществляет фермент (липаза), который производит поджелудочная железа. Для эффективного действия липазы[23] жир нужно превратить в эмульсию с очень мелкими каплями. Это делает желчь: смешиваясь с жиром, она образует капельки, к которым легко присоединяется липаза. В дальнейшем жирные кислоты и глицерин используются в клетке для получения энергии. Отходами этого процесса являются углекислый газ и вода.
Клетке, как и человеку, для счастливой жизни необходима комфортная среда. Человеку нужен чистый воздух, чистая вода, доступ к товарам и услугам, которые производят другие люди и предлагают на рынке. Государство обычно берет на себя ответственность за качество окружающей среды, задает правила работы рынка и часто регулирует наиболее жизненно важные рынки. Примерно так же обстоят дела и у клеток. Только роль государства играет мозг, а точнее – всё тот же наш знакомый гипоталамус.
Как мы уже знаем, клетки живут в окружении межклеточной жидкости, матрикса и других клеток. Для клетки очень важно, чтобы межклеточная жидкость имела находящуюся в довольно жестких пределах кислотность и постоянно поддерживаемые строгие балансы ионов натрия, калия, хлора, кальция, железа, магния и других важных для жизнедеятельности веществ. Балансы в крови и связанной с ней межклеточной жидкости поддерживает гипоталамус. Он чутко следит за избытком или недостатком того или иного иона или вещества и запускает гормон, увеличивающий его в случае недостатка, или гормон-антагонист, уменьшающий его в случае избытка. Только что мы описали, как работает гипоталамус при поддержании баланса глюкозы, побуждая клетки поджелудочной железы производить больше инсулина при избытке глюкозы в крови или его антагониста глюкагона при ее недостатке.
Действие каждой пары гормон – антагонист происходит сразу по нескольким направлениям. Например, гормон паращитовидной железы повышает уровень ионов кальция за счет уменьшения скорости образования костей клетками остеоцитами и увеличения скорости их разрушения клетками остеобластами. Гормон-антагонист кальцитонин, синтезируемый клетками щитовидной железы, действует строго в противоположном направлении, поддерживая баланс. Эта же пара гормонов одновременно также регулирует баланс фосфатов в крови.