§ 13. Обмен веществ и превращение энергии в клетке. Ферменты

Определения и обозначения

Обмен веществ, или метаболизм, — совокупность химических реакций в клетке, которые обеспечивают поступление, превращение и использование веществ и энергии. Благодаря этим реакциям клетка получает материалы для построения своих частей и поддерживает жизненные процессы. Метаболизм объединяет реакции синтеза и расщепления.

Пластический обмен, или анаболизм, — реакции синтеза сложных веществ из более простых, сопровождающиеся затратой энергии. Так клетка создаёт молекулы, необходимые для роста, обновления и работы. Этот термин помогает отличить процессы построения от процессов расщепления.

Энергетический обмен, или катаболизм, — реакции расщепления сложных веществ до более простых, при которых энергия высвобождается и частично запасается, в частности, в молекулах АТФ. Запас энергии клетка может направить на другие реакции. Понятие катаболизма показывает, откуда берётся энергия для работы клетки.

Фермент — биологический катализатор, обычно белковой природы, который ускоряет определённые реакции и не расходуется в них. Катализатор помогает реакции идти быстрее, но не превращается в её продукт. Ферменты нужны клетке, чтобы химические превращения происходили с достаточной скоростью.

Как это устроено

Пластический и энергетический обмен связаны потребностью клетки в энергии. Для построения сложной молекулы нужно образовать новые связи, а на это затрачивается энергия. При расщеплении питательных веществ энергия высвобождается, и часть её клетка сохраняет в АТФ, поэтому катаболизм обеспечивает энергией анаболизм.

АТФ служит переносчиком энергии между реакциями. Когда от молекулы АТФ отщепляется конечный фосфатный остаток, энергия может стать доступной для клеточных процессов. Её используют, например, для синтеза веществ, переноса молекул через мембрану и движения клеточных структур.

Фермент ускоряет реакцию, взаимодействуя с веществом, которое называют субстратом. Субстрат связывается с активным центром фермента, где ему легче превратиться в продукт. После этого продукт отделяется, а фермент может связать новую молекулу субстрата; сам он обычно не становится частью продукта.

Действие ферментов избирательно, потому что у каждого активного центра есть определённая форма и набор химических свойств. С ними могут взаимодействовать только подходящие субстраты или вещества, близкие к ним по строению. Поэтому фермент помогает ускорить конкретную реакцию, а не все возможные реакции в клетке.

Температура и кислотность среды влияют на форму и свойства фермента, поскольку его работа зависит от пространственного строения белка. При изменении условий активный центр может хуже связывать субстрат, и скорость реакции падает. Сильный нагрев или слишком большое отклонение кислотности способно нарушить структуру фермента настолько, что он утратит активность.

Сравнение пластического и энергетического обмена

Сначала определите, что происходит с веществами: строятся сложные молекулы или расщепляются уже имеющиеся. Затем проследите направление превращения энергии. Эти два признака помогают различить процессы, даже если в условии задачи не названы анаболизм или катаболизм.

Разбор задач

Задача 1. В клетке из простых молекул образуется сложное органическое вещество. Определите, к какой стороне обмена веществ относится процесс и требуется ли энергия.

1. Сначала смотрим на изменение веществ: несколько простых молекул объединяются в сложную. Это признак синтеза, а не расщепления. Значит, процесс относится к пластическому обмену.

2. При синтезе клетка образует новые химические связи и формирует более сложную молекулу. На это требуется энергия, которую можно получить, например, при использовании АТФ. Поэтому реакция не относится к энергетическому обмену только потому, что в ней участвуют молекулы клеточного обмена.

Ответ: это пластический обмен, и для образования сложного вещества нужна энергия. Задача 2. При расщеплении питательного вещества часть выделившейся энергии запасается в АТФ. Объясните, к какому виду обмена относится процесс и как клетка сможет использовать запасённую энергию.

1. В условии указано расщепление питательного вещества на более простые соединения. Такое изменение относится к энергетическому обмену, или катаболизму. При нём энергия высвобождается, но не обязательно целиком рассеивается.

2. Часть энергии сохраняется в молекулах АТФ и переносится к местам, где она нужна. При использовании АТФ клетка получает энергию для реакций синтеза, активного транспорта веществ или движения. Значит, расщепление помогает обеспечить энергией процессы, которые сами требуют её затрат.

Ответ: это энергетический обмен; запасённую в АТФ энергию клетка направит на энергозатратные процессы. Задача 3. Ферментативную реакцию провели при обычной температуре, затем резко нагрели смесь. Скорость реакции упала. Объясните результат и укажите, почему добавление нового субстрата не обязательно восстановит скорость.

1. Ферменты работают благодаря определённой пространственной структуре и активному центру, который связывает субстрат. Резкий нагрев мог изменить структуру фермента, поэтому подходящих активных центров стало меньше. Это объясняет снижение скорости реакции.

2. Дополнительный субстрат не обязательно поможет: если активный центр изменён, фермент не сможет эффективно его связывать. Увеличение количества вещества не исправит повреждённую форму фермента. Поэтому для восстановления скорости недостаточно просто добавить субстрат.

Ответ: нагрев нарушил структуру фермента и работу активного центра. Новый субстрат не обязательно восстановит реакцию, если фермент утратил способность связывать его.

Типичные ошибки

Ошибка: считать пластический и энергетический обмен независимыми. Так могут думать, потому что синтез и расщепление выглядят противоположными процессами. Но их связывают вещества и перенос энергии, в том числе через АТФ. Проверьте себя: спросите, откуда берётся энергия для синтеза и куда направляется энергия расщепления.

Ошибка: утверждать, что при катаболизме вся энергия сразу рассеивается. Это предположение возникает, если представить расщепление как простое выделение тепла. В действительности часть энергии запасается в химических связях АТФ и позднее используется клеткой. Проверка простая: вспомните, образуется ли АТФ при энергетическом обмене.

Ошибка: считать, что фермент расходуется или становится частью продукта. Это можно перепутать с веществами, которые входят в состав результата реакции. Фермент ускоряет превращение субстрата, а после реакции может действовать снова. Чтобы проверить себя, проследите, сохраняется ли фермент после отделения продукта.

Ошибка: полагать, что повышение температуры всегда усиливает действие фермента. При умеренном изменении температуры скорость некоторых реакций может возрастать, поэтому возникает такое обобщение. Но чрезмерный нагрев нарушает пространственную структуру фермента и снижает его активность. Проверяйте, не стала ли температура настолько высокой, что изменилась форма активного центра.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в обмене веществ, нужно знать строение клетки, свойства органических веществ и основы химических реакций. Также важно понимать, что энергия может передаваться и запасаться в химических связях. Эти знания помогают проследить, как вещества и энергия проходят через клеточные процессы.

Понятия анаболизма, катаболизма, АТФ и ферментов пригодятся при изучении клеточного дыхания и фотосинтеза. В этих процессах вещества превращаются, а энергия высвобождается, запасается или используется. Те же принципы помогают объяснить обмен веществ в организме в целом.

Что запомнить

• Метаболизм включает пластический и энергетический обмен.
• Пластический обмен строит сложные вещества и требует энергии.
• Энергетический обмен расщепляет вещества и позволяет запасать энергию в АТФ.
• АТФ связывает процессы выделения и использования энергии.
• Ферменты ускоряют реакции, но сами в них не расходуются.
• Действие фермента зависит от строения активного центра и условий среды.