Метаболизм
Метаболизм, или обмен веществ, — совокупность химических реакций клетки, благодаря которым она получает энергию, строит собственные вещества, растёт, обновляется и поддерживает жизнедеятельность. В метаболизме постоянно взаимосвязаны два направления: пластический обмен создаёт сложные вещества, а энергетический обмен расщепляет вещества и запасает энергию в форме АТФ.
Метаболизм — совокупность всех химических превращений веществ в клетке и организме. Он включает анаболизм — синтез сложных веществ из простых, и катаболизм — распад сложных веществ до более простых.
Из чего состоит обмен веществ
Метаболические реакции образуют связанные цепи и циклы. В каждой реакции исходное вещество превращается в продукт, а направленность процесса определяется свойствами ферментов, концентрацией веществ и условиями среды. Ферменты ускоряют реакции, но сами в них не расходуются. Поэтому одна клетка может одновременно проводить тысячи химических превращений.
| Направление | Другие названия | Что происходит | Основной результат |
|---|---|---|---|
| Пластический обмен | анаболизм, ассимиляция | Из простых веществ синтезируются сложные | Рост, обновление и образование структур клетки |
| Энергетический обмен | катаболизм, диссимиляция | Сложные вещества расщепляются до более простых | Выделение энергии и синтез АТФ |
Пластический и энергетический обмен не являются независимыми процессами: энергия катаболизма используется для анаболизма, а органические вещества, созданные в ходе анаболизма, могут стать исходными веществами для катаболизма.
Пластический обмен: построение веществ
Пластический обмен включает реакции синтеза белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов и других соединений. Исходными веществами служат аминокислоты, моносахариды, нуклеотиды, жирные кислоты и другие небольшие молекулы. Продукты синтеза используются для построения мембран, органоидов и клеточных структур либо откладываются в запас.
Синтез требует энергии. Её источником обычно служит АТФ — молекула, способная быстро запасать и передавать энергию. Поэтому пластический обмен невозможен без энергетического обмена. Например, при образовании белка энергия АТФ расходуется на соединение аминокислот в определённой последовательности, заданной наследственной информацией. Подробнее о синтезе белков см. белки в клетке, а о роли генетического материала — нуклеиновые кислоты.
Анаболизм — совокупность реакций синтеза сложных органических веществ из более простых. Анаболические реакции обычно требуют затрат энергии АТФ и восстановительных веществ.
Энергетический обмен: получение энергии
Энергетический обмен начинается с расщепления органических веществ. Освободившаяся энергия не выделяется сразу полностью в виде тепла: значительная её часть запасается в молекулах АТФ. Затем АТФ используется для синтеза веществ, активного транспорта через мембрану, движения клеточных структур и других процессов.
Основным энергетическим веществом для многих клеток является глюкоза. При полном аэробном расщеплении глюкозы образуются углекислый газ и вода, а энергия запасается в АТФ. Процесс включает гликолиз, последующие реакции в митохондриях и кислородный этап дыхания. Общее представление об этих стадиях даёт страница клеточное дыхание.
В клетке существуют и бескислородные пути получения энергии. При недостатке кислорода глюкоза расщепляется не полностью, поэтому энергии образуется меньше. У растений и дрожжей может происходить спиртовое брожение, а в мышечных клетках животных — молочнокислое брожение.
Катаболизм — совокупность реакций расщепления сложных веществ до более простых. Обычно он сопровождается выделением энергии и синтезом АТФ.
Какое утверждение правильно описывает связь анаболизма и катаболизма?
АТФ — посредник между двумя видами обмена
АТФ состоит из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты. Связи между фосфатными группами могут разрываться с выделением энергии. При этом АТФ превращается в АДФ и неорганический фосфат. В энергетическом обмене АДФ снова соединяется с фосфатом, поэтому АТФ постоянно образуется и расходуется.
АТФ не является долговременным запасом энергии. Это краткоживущий переносчик: при распаде органических веществ энергия запасается в АТФ, а при гидролизе АТФ передаётся реакциям синтеза и другим клеточным процессам. Повторное образование АТФ связывает катаболизм с анаболизмом.
Взаимосвязь процессов на примере растения
В фотосинтезе растение синтезирует органические вещества из углекислого газа и воды, используя энергию света. Глюкоза может запасаться в виде крахмала или использоваться в энергетическом обмене. При дыхании глюкоза расщепляется, а образующаяся АТФ расходуется на рост, транспорт веществ и синтез новых соединений.
У некоторых бактерий органические вещества образуются за счёт энергии окисления неорганических соединений. Такой способ питания называется хемосинтезом. Несмотря на различие источника энергии, связь процессов остаётся общей: энергия используется для синтеза органических веществ, а органические вещества затем могут расщепляться с образованием АТФ.
Пусть при полном расщеплении одной молекулы глюкозы образуется 36 молекул АТФ. Энергия одной молекулы АТФ условно равна 30,6 кДж/моль. Найдём энергию, запасённую в АТФ.
Ответ: условно в молекулах АТФ запасается 1101,6 кДж/моль энергии. В реальных условиях число молекул АТФ может зависеть от типа клетки и условий, поэтому в задании нужно использовать именно данное условие.
1. Нельзя считать, что весь катаболизм происходит только в митохондриях: гликолиз проходит в цитоплазме. 2. Нельзя называть АТФ источником вещества: АТФ — переносчик энергии. 3. Не путайте энергию и вещество: при анаболизме расходуются исходные молекулы и энергия, при катаболизме сложные вещества распадаются. 4. При бескислородном расщеплении глюкоза не окисляется полностью, поэтому выход АТФ меньше.
Как анализировать задания по теме
- Определите, идёт синтез сложного вещества или его распад.
- Установите, расходуется энергия или выделяется и запасается в АТФ.
- Проверьте наличие кислорода и место протекания процесса, если это указано.
- Свяжите процесс с его биологическим значением: рост, обновление, движение, транспорт или получение энергии.
- Если требуется расчёт, запишите известные величины, формулу и единицы измерения.
Проверь себя
Главное
- Метаболизм включает пластический обмен — анаболизм — и энергетический обмен — катаболизм.
- Анаболизм синтезирует сложные вещества и требует энергии; катаболизм расщепляет вещества и обычно образует АТФ.
- АТФ связывает два направления обмена: катаболизм заряжает «энергетический переносчик», а анаболизм использует его энергию.
- При полном аэробном расщеплении глюкозы образуются углекислый газ, вода и энергия; при бескислородных процессах энергии образуется меньше.
- Для решения заданий определяйте направление реакции, роль АТФ, наличие кислорода и биологическое значение процесса.