Обмен веществ и превращение энергии. Обмен веществ и энергии в клетке Пути превращения энергии в клетке

Вопрос 1. Что такое диссимиляция? Перечислите ее этапы.
Диссимиляция , или энергетический обмен , - это совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений, которые сопровождаются выделением и запасанием энергии. Диссимиляция у аэробных (кислорододышащих) организмов происходит в три этапа:
подготовительный - расщепление высокомолекулярных соединений до низкомолекулярных без запасания энергии;
бескислородный - частичное бескислородное расщепление соединений, энергия запасается в виде АТФ; кислородный - окончательное расщепление органических веществ до углекислого газа и воды, энергия также запасается в виде АТФ.
Диссимиляция у анаэробных (не использующих кислород) организмов происходит в два этапа: подготовительный и бескислородный. В данном случае органические вещества расщепляются не полностью и энергии запасается гораздо меньше.

Вопрос 2. В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из азотистого основания - аденина, сахара - рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Молекула АТФ очень неустойчива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии, расходуемой на обеспечение всех жизненных функций клетки (биосинтез, трансмембранный перенос, движение, образование электрического импульса и др.). Связи в молекуле АТФ называют макроэргическими.
Отщепление концевого фосфата от молекулы АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии.). При этом АТФ превращается в АДФ. Если произойдет отщепление второго остатка фофорной кислоты, АДФ превратится в АМФ. Все процессы в живых организмах, требующие затрат энергии, сопровождаются превращением молекул АТФ в АДФ (или даже в АМФ).
Синтез АТФ происходит в митохондриях.

Вопрос 3. Какие структуры клетки осуществляют синтез АТФ?
В эукариотических клетках синтез основной массы АТФ из АДФ и фосфорной кислоты происходит в митохондриях и сопровождается поглощением (запасанием) энергии. В пластидах АТФ образуется как промежуточный продукт световой стадии фотосинтеза.

Вопрос 4. Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.
Энергетический обмен обычно подразделяют на три этапа. Первый этап - Подготовительный, называемый также пищеварением. Осуществляется он главным образом вне клеток под действием ферментов, секретируемых в полость пищеварительного тракта. На этом этапе крупные молекулы полимеров распадаются на мономеры: белки - на аминокислоты, полисахариды - на простые сахара, жиры - на жирные кислоты и глицерин. При этом выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается и виде теплоты.
Бескислородный. В результате гликолиза одна молекула глюкозы расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты:
С 6 Н 12 О 6 <-----> 2С 3 Н 4 0 3 .
Распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. При этом 60% выделившейся энергии превращается в тепло, а 40% запасается в виде АТФ. При распаде одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. Затем у анаэробных организмов происходит брожение - спиртовое (С 2 НС 5 ОН - этиловый спирт) или молочнокислое (С 3 Н 4 0 3 - молочная кислота). У аэробных организмов наступает третий этап энергетического обмена.
Кислородный. Этот этап катаболизма нуждается в присутствии молекулярного кислорода и называется дыханием. Развитие клеточного дыхания у аэробных микроорганизмов и в клетках эукариот стало возможным лишь после того, как в результате фотосинтеза в атмосфере Земли появился молекулярный кислород. Добавление к каталическому процессу стадии, осуществляющейся в присутствии кислорода, обеспечивает клетки мощным и эффективным путем извлечения из молекул питательных веществ и энергии.
Реакции кислородного расщепления, или окислительного катаболизма, протекают в специальных органоидах клетки - митохондриях, куда поступают молекулы пировиноградной кислоты. После целого ряда прекращений образуются конечные продукты - СО 2 и Н 2 О, которые затем диффундируют из клетки. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так:
С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 + 36Н 3 РО 4 + 36АДФ <-----> 6СО 2 + 6Н 2 О + 36АТФ.
Таким образом, при окислении двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Всего в ходе второго и третьего этапов энергетического обмена при расщеплении одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.

Вспомните из учебника « Человек и его здоровье» что такое обмен веществ и превращение энергии в организме. Из каких двух противоположных процессов он состоит? Под действием каких веществ происходит расщепление питательных веществ в организме?

Основой жизнедеятельности клетки и организма являются обмен веществ и превращение энергии. Обмен ее ществ и превращение энергии - совокупность всех реакций распада и синтеза, протекающих в клетке или во всем организме, связанных с выделением или поглощением энергии. Обмен веществ и превращение энергии состоит из двух взаимосвязанных, но противоположных процессов - ассимиляции и диссимиляции (рис. 53).

Рис. 53. Схема взаимосвязей обмена веществ и превращения энергии в клетке

Две стороны обмена веществ и превращения энергии. Диссимиляция (от лат. диссимиляцио - разрушение, выделение) - это совокупность реакций распада и окисления в живом высокомолекулярных органических веществ до низкомолекулярных органических и неорганических. В процессе диссимиляции происходит освобождение энергии, заключенной в химических связях органических молекул и запасание ее в виде АТФ.

Диссимиляционные процессы - это дыхание, брожение, гликолиз. Основные конечные продукты при этом - вода, углекислый газ, аммиак, мочевина и молочная кислота.

Ассимиляция (от лат. ассимиляций - усвоение) - это совокупность реакций синтеза высокомолекулярных органических веществ из низкомолекулярных органических или неорганических. В процессе ассимиляции происходит поглощение энергии, которая образуется в результате распада АТФ. Так, органические вещества, например углеводы, синтезируются в растительных клетках из углекислого газа, воды и минеральных солей.

Итак, основное вещество, которое обеспечивает все обменные процессы в клетке - это АТФ. В процессе диссимиляции происходят синтез молекул АТФ и запасание в них энергии. В процессе ассимиляции молекулы АТФ распадаются и выделяющаяся при этом энергия расходуется на синтез органических веществ. Все реакции обмена веществ превращения энергии в клетке ферментативные - т. е. идут в присутствии ферментов.

Типы обмена веществ. Единственный источник энергии на Земле - это Солнце. Благодаря солнечной энергии происходит первичный синтез органических веществ из неорганических - фотосинтез. Энергия Солнца аккумулируется в синтезированных органических веществах, превращаясь в энергию химических связей. В процессе питания организмы расщепляют органические вещества, а выделяющаяся при этом энергия запасается в молекулах АТФ. В дальнейшем она используется в реакциях ассимиляции.

По способу получения энергии и синтеза органических веществ все организмы делят на автотрофные и гетеротрофные (рис. 54). Автотрофные организмы, или автотрофы (от греч. аутос - сам и трофо - пища, питание) синтезируют органические вещества из неорганических. К автотрофам относят все зеленые растения и цианобактерии. Автотрофно питаются и хемосинтезирующие бактерии, использующие энергию, которая выделяется при окислении неорганических веществ, например серы, железа, азота.

Рис. 54. Поток веществ и превращение энергии в биосфере Земли

Гетеротрофные организмы, или гетеротрофы (от греч. гетерос - другой и трофо - пища, питание) используют только готовые органические вещества. Источником энергии для них служит энергия, запасенная в органических веществах, получаемых с пищей и выделяющаяся при их распаде и окислении. К гетеротрофам относят все животные, грибы и большинство бактерий. При гетеротрофном питании организм поглощает органические вещества в готовом виде и преобразует их в собственные питательные вещества.

Процессы диссимиляции у организмов также различаются. Аэробным организмам, или аэробам (от греч. аэр - воздух и биос - жизнь) для жизнедеятельности необходим кислород. Дыхание для них является главной формой диссимиляции. Богатые энергией органические вещества в присутствии кислорода полностью окисляются до энергетически бедных неорганических веществ - углекислого газа и воды.

Анаэробным организмам, или анаэробам (от греч. а, ан - отрицательная частица) кислород не нужен: процессы их жизнедеятельности могут протекать в бескислородной среде. Органические вещества в этом случае расщепляются не полностью. Поэтому продукты их жизнедеятельности могут использовать другие организмы. Например, все молочнокислые продукты являются результатом жизнедеятельности анаэробных молочнокислых бактерий.

Рост, развитие, умственная и физическая деятельность возможны благодаря обмену веществ и энергии в клетке. Преобразование веществ в энергию является главным условием живых организмов, начиная одноклеточными растениями и заканчивая человеком.

Анаболизм и катаболизм

Обмен веществ или метаболизм - совокупность сложных химических реакций, происходящих в каждой клетке живого организма. Основное свойство обмена веществ и энергии - обеспечение взаимодействия внешней среды с организмом для поддержания жизни и нормального функционирования тканей и органов. Все жизненно необходимые вещества (вода, кислород, органические соединения) поступают из внешней среды. Без их доступа обмен веществ нарушается или прекращается, что приводит к гибели живого организма.

Метаболизм включает два тесно взаимосвязанных противоположных процесса:

• катаболизм или диссимиляция;
• анаболизм или ассимиляция.

Катаболизм или энергетический обмен - процесс распада сложных веществ (сахаров, жиров) на более простые. В результате образуется энергия в виде молекулы АТФ (аденозинтрифосфорная кислота или аденозинтрифосфат), которая является универсальным источником энергии. Часть образованных молекул АТФ участвует в синтезе различных веществ, часть - рассеивается в виде тепла.

Рис. 1. Формула АТФ.

Примеры катаболизма:

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

• расщепление этанола;
• гликолиз - превращение глюкозы в кислоту, а затем - в воду и углекислый газ;
• внутриклеточное дыхание (окисление).

Анаболизм или пластический обмен включает сложные химические реакции, в результате которых образуются высокомолекулярные вещества, необходимые для постройки и обновления организма (белки, жиры, углеводы). Для проведения таких реакций нужна энергия, т.е. анаболизм происходит с участием АТФ.

Анаболизм можно наблюдать в виде:

• роста волос и ногтей;
• образование мышц;
• заживление ран, срастание костей и т.д.

Фотосинтез является анаболизмом, но вместо АТФ используется энергия солнечных лучей.

Рис. 2. Процесс фотосинтеза в клетке.

В результате катаболизма (распада) образуются простые вещества, которые могут соединяться при анаболизме (постройке) и вновь разрушаться при катаболизме с высвобождением АТФ. Хорошим примером являются жиры, которые образуются при ассимиляции, откладываются в тканях и расщепляются для получения энергии. Соотношение образованной и потраченной энергии называется энергетическим балансом. Анаболизм и катаболизм должны происходить параллельно без преобладания одного из процессов.

Этапы

Прежде чем пища превратится в энергию, она должна пройти долгий путь по желудочно-кишечному тракту, попасть в кровь и достигнуть каждой клетки, где начнётся метаболизм. Весь процесс делится на три стадии, которые описаны в таблице.

Рис. 3. Схема обмена веществ.

На протяжении всего метаболизма задействованы катализаторы - ферменты, которые ускоряют синтез или распад. Ферменты действуют избирательно: каждый вид участвует в строго определённых реакциях. Например, амилаза помогает расщепить крахмал в ротовой полости.

Регуляцию обмена веществ осуществляет гипоталамус, где находятся центры теплообмена, ощущений голода, жажды, насыщения. Нейроны гипоталамуса реагируют на уровень глюкозы, изменение давления, температуры и т.д. В соответствии с полученной информацией гипоталамус корректирует метаболизм.

Что мы узнали?

Кратко узнали об основных стадиях и этапах метаболизма, взаимодействии и примерах катаболизма и анаболизма, о значении ферментов для метаболизма и центре контроля всех внутриклеточных процессов.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.7 . Всего получено оценок: 140.

1. Дайте определения понятий.
Метаболизм – набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни.
Энергетический обмен – процесс метаболического распада, разложения на более простые вещества или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с высвобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ.
Пластический обмен – совокупность всех процессов биосинтеза, протекающих в живых организмах.

2. Заполните таблицу.

3. Изобразите схематично молекулу АТФ. Обозначьте ее части. Укажите расположение макроэргических связей. Напишите полное название этой молекулы.
АТФ – аденозинтрифосфорная кислота

4. К какому классу органических веществ относится АТФ? Почему вы сделали такой вывод?
Нуклеотид, так как состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.

5. Пользуясь материалом § 3.2, заполните таблицу.

6. Какова биологическая роль ступенчатого характера энергетического обмена?
Постепенное выделение энергии, идущее в ходе энергетического обмена, позволяет более рационально использовать и запасать энергию. При разовом выделении такого числа энергии большая ее часть просто не успела бы соединиться с АДФ и выделилась бы как тепло, что означает большие потери для организма.

7. Объясните, почему кислород необходим большинству современных организмов. В результате какого процесса в клетках образуется углекислый газ?
Кислород необходим для дыхания. При наличии кислорода органические вещества при дыхании полностью окисляются до углекислого газа и воды.

8. Как повлияло накопление в атмосфере Земли кислорода на степень интенсивности процессов жизнедеятельности обитателей нашей планеты?
Кислород оказывает глубокое влияние на организм в целом, повышая общую энергию жизнедеятельности обитателей нашей планеты. Возникли и эволюционировали новые организмы.

9. Вставьте пропущенные слова.
Реакции пластического обмена идут с поглощением энергии.
Реакции энергетического обмена идут с выделением энергии.
Подготовительный этап энергетического обмена осуществляется в ЖКТ и лизосомах
клетки.
Гликолиз протекает в цитоплазме.
Во время подготовительного этапа белки под действием пищеварительных ферментов превращаются в аминокислоты.

10. Выберите правильный ответ.
Тест 1.
Какая из аббревиатур обозначает носителя энергии в живой клетке?
3) АТФ;

Тест 2.
На подготовительном этапе энергетического обмена белки распадаются до:
2) аминокислот;

Тест 3.
В результате бескислородного окисления в клетках животных при недостатке кислорода образуется:
3) молочная кислота;

Тест 4.
Энергия, которая выделяется в реакциях подготовительного этапа энергетического обмена:
2) рассеивается в виде тепла;

Тест 5.
Гликолиз обеспечивают ферменты:
3) цитоплазмы;

Тест 6.
При полном окислении четырех молекул глюкозы образуется:
4) 152 молекулы АТФ.

Тест 7.
Для наиболее быстрого восстановления работоспособности при усталости в период подготовки к экзамену лучше всего съесть:
3) кусок сахара;

11. Составьте синквейн к термину «метаболизм».
Метаболизм
Пластический и энергетический.
Синтезирует, разрушает, превращает.
Набор химических реакций в живом организме для поддержания жизни.
Обмен веществ.

12. Скорость обмена веществ непостоянна. Укажите некоторые внешние и внутренние причины, которые, по вашему мнению, способны изменять скорость обмена веществ.
Внешние – температура окружающей среды, физические нагрузки, масса тела.
Внутренние – уровень гормонов в крови, состояние нервной системы (угнетение или возбуждение).

13. Вы знаете, что существуют аэробные и анаэробные организмы. А кто такие факультативные анаэробы?
Это организмы, энергетические циклы которых проходят по анаэробному пути, но способные существовать при доступе кислорода, в отличие от облигатных анаэробов, для которых кислород губителен.

14. Объясните происхождение и общее значение слова (термина), опираясь на значение корней, его составляющих.

15. Выберите термин и объясните, насколько его современное значение соответствует первоначальному значению его корней.
Выбранный термин – гликолиз.
Соответствие: термин соответствует, но дополнен. Современное определение гликолиза, это не просто «расщепление сладкого», а процесс окисления глюкозы, при котором из одной ее молекулы образуются две молекулы ПВК, осуществляемый последовательно за несколько ферментативных реакций и сопровождающийся запасанием энергии в форме АТФ и NADH.

16. Сформулируйте и запишите основные идеи § 3.2.
Для любого организма характерен обмен веществ – набор хим. реакций для поддержания жизни. Энергетический обмен – процесс разложения на более простые вещества, протекающий с высвобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ. Пластический обмен – совокупность всех процессов биосинтеза, протекающих в живых организмах.
Молекула АТФ – универсальный поставщик энергии в клетках.
Энергетический обмен протекает в 3 стадии: подготовительный этап (образуется глюкоза и тепло), гликолиз (образуется ПВК, 2 молекулы АТФ и тепло) и кислородный, или клеточное дыхание, (образуется 36 молекул АТФ и углекислый газ).

Вспомните!

Что такое метаболизм?

(от греч. μεταβολή - «превращение, изменение»), или обмен веществ - набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды.

Из каких двух взаимосвязанных процессов он состоит?

Энергетический обмен и пластический обмен

Где в организме человека происходит расщепление большей части органических веществ, поступающих с пищей?

Первоначально, в пищеварительном тракте, затем в клетках и их органоидах (митохондрии, цитоплазма).

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое диссимиляция? Перечислите её этапы.

Совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений, которые сопровождаются выделением и запасанием энергии, называют энергетическим обменом или диссимиляцией. В основном энергия запасается в виде универсального энергоёмкого соединения - АТФ.

1) Подготовительный

2) Бескислородное окисление

3) Кислородное окисление

2. В чём заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - нуклеотид, состоящий из азотистого основания (аденина), сахара рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты (рис. 53). АТФ является главной энергетической молекулой клетки, своего рода аккумулятором энергии. Все процессы в живых организмах, требующие затрат энергии, сопровождаются превращением молекулы АТФ в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту). При отщеплении остатка фосфорной кислоты высвобождается большое количество энергии - 40 кДж/моль. Таких высокоэнергетических (так называемых макроэргических) связей в молекуле АТФ две. Восстановление структуры АТФ из АДФ и фосфорной кислоты происходит в митохондриях и сопровождается поглощением энергии.

3. Какие структуры клетки осуществляют синтез АТФ?

Митохондрии

4. Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.

1) Подготовительный этап расщепления углеводов идет в пищеварительном тракте до простого углевода – глюкозы, при этом энергии выделяется мало и она рассеивается в организме в виде тепла.

2) Бескислородный этап расщепления глюкозы – гликолиз (анаэробное окисление). Этап протекает в цитоплазме в отсутствие свободного кислорода. Глюкоза С6Н12О6 пировиноградная кислота (ПВК) С3Н4О3. Глюкоза расщепляется до ПВК с выделением 4АТФ. Затем 2АТФ используются в этом этапе для дальнейшего превращения ПВК в молочную кислоту. И в итоге во втором этапе выделяется 2АТФ.

3) Кислородное окисление – аэробное окисление (или клеточное дыхание). Этап, в результате которого молочная кислота расщепляется под действием молекулярного кислорода до конечных продуктов распада – углекислого газа и воды. Протекает в митохондриях на дыхательной цепи ферментов, которые располагаются на кристах митохондрий. Вт результате этого этапа выделяется 36 АТФ. Таким образом, за два этапа – при полном окислении 1 моль глюкозы (1 молекулы) выделяется 38 АТФ (2АТФ + 36АТФ). Итоговый синтез и запас АТФ осуществляется в митохондриях – эти органоиды называются энергетическими центрами клетки.

6. Синонимами слов «диссимиляция» и «ассимиляция» являются термины «катаболизм» и «анаболизм». Объясните происхождение этих терминов.

Катаболизм (от греч. Καταβολή, «сбрасывание, разрушение») или энергетический обмен, или диссимиляция - процесс метаболического распада, разложения на более простые вещества (дифференциация) или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с освобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ. Анаболизм (от греч. ἀναβολή, «подъём») – так называются все процессы создания новых веществ, клеток и тканей организма. Примеры анаболизма: синтез в организме белков и гормонов, создание новых клеток, накопление жиров, создание новых мышечных волокон – это все анаболизм.

Подумайте! Вспомните!

Так как в клетках все органические соединения соединены друг с другом основными метаболитами (ПВК, ацетил-КоА) через которые одни органические вещества могут превращаться при избытке в другие. Наример, избыток углеводов превращаются в жиры.

Энергия, которая высвобождается при энергетическом обмене идет на процессы в пластическом обмене. И вещества пластического обмена расщепляются в энергетическом обмене.

3. Как вы считаете, почему после тяжёлой физической работы, для того чтобы быстрее снять боли в мышцах, рекомендуют принять тёплую ванну?

Боль в мышцах вызывает накопление молочной кислоты при гликолизе, ее концентрация действует на рецепторы, раздражая их, вызывая жжение. Чтобы снять это действие необходим прилив крови с кислородом, кислород расщепить молочную кислоту до конечных продуктов распада. Одним из способов служит принятие теплой ванны. При этом тело разогревается, сосуды расширяются и кровь с кислородом приливает и питает все мышцы, тем самым молочная кислота окисляется до углекислого газа и воды, снимается болевые ощущения в мышцах.