Коротко: внутриклеточное компартментирование создаёт отдельные микросреды (разные pH, окислительно‑восстановительные потенциалы, ионные концентрации), изолирует ферменты и субстраты мембранами и обеспечивает управляемый транспорт — это позволяет одновременно протекать химическим реакциям, которые в одном и том же объёме были бы несовместимы.
Механизмы (кратко):
- Мембранная изоляция + селективные транспортеры и насосы — препятствуют смешиванию и поддерживают градиенты (активный перенос веществ и ионов, затрачивается энергия).
- Поддержание разных pH и электрохимических потенциалов в компартментах (кислое/щелочное или разный Δψ) — ферменты оптимизированы под свои условия.
- Различный окислительно‑восстановительный статус (например, просвет ЭПР более окислителен, цитозоль — более восстановителен), что влияет на образование/разрыв дисульфидных связей.
- Локализация ферментов и субстратов, мультиферментные комплексы и метаболический «каналинг» — быстрый перенос промежуточных продуктов между активными центрами без их рассеяния.
- Секвестрация токсичных побочных продуктов в отдельные органеллы и наличие там детоксицирующих ферментов.
Конкретные примеры:
- Лизосома: поддерживает кислую среду $\mathrm{pH}\approx 4.5-5.0$ (V‑ATPase), поэтому гидролитические ферменты работают внутри, не разрушая цитоплазму.
- Эндоплазматический ретикулум: просвет более окислителен, там формируются дисульфидные связи в белках; в цитозоле — восстановительная среда, где такие связи не образуются.
- Пероксисома: окислительные реакции (β‑окисление жирных кислот, образование ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$); каталаза внутри разлагает ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$, предотвращая повреждение клетки.
- Митохондрия: разделение процессов — цитратный цикл в матриксе, перенос электронов по внутренней мембране; матрикс обычно более щелочной $\mathrm{pH}\approx 7.8$, межмембранное пространство и цитозоль — около $\mathrm{pH}\approx 7.0-7.2$; градиент протонов создаёт энергию для синтеза АТФ.
- Хлоропласт: световые реакции приводят к кислой прослойке тилакоидов $\mathrm{pH}\approx 5$ и щелочному строме $\mathrm{pH}\approx 8$, что тоже обеспечивает синтез АТФ.
Итог: благодаря мембранной изоляции, целенаправленному транспорту и локально заданным химическим условиям клетка может одновременно выполнять набор реакций с несовместимыми требованиями (pH, окислительность, токсичность продуктов и т.д.), сохраняя при этом контроль и интеграцию метаболизма.