8 30. Процессы синтеза в живых клетках

Определения и обозначения

Анаболизм, или пластический обмен, — совокупность реакций синтеза сложных веществ из более простых с затратой энергии. Например, из небольших молекул клетка может собирать крупные молекулы, необходимые для её строения. Анаболизм нужен для роста, обновления клеточных частей и создания веществ, поддерживающих работу организма.

Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды за счёт энергии света. В результате клетки создают органические соединения, в которых запасается химическая энергия. Этот процесс позволяет растениям, водорослям и некоторым бактериям производить органические вещества из неорганических.

Хемосинтез — синтез органических веществ из неорганических за счёт энергии окисления некоторых неорганических соединений. Его осуществляют отдельные группы бактерий, которым для получения энергии не требуется свет. Это позволяет им создавать органические вещества там, где фотосинтез невозможен.

Биосинтез белка — создание белковой молекулы на основе наследственной информации клетки. Рибосомы соединяют аминокислоты в определённом порядке, заданном этой информацией. Процесс нужен, потому что белки выполняют множество функций: входят в состав клеточных структур и участвуют в химических реакциях.

Как это устроено

Пластический и энергетический обмен связаны, потому что на создание сложных молекул требуется энергия. Она может высвобождаться при расщеплении веществ и запасаться в молекулах АТФ — универсального переносчика энергии в клетке. Когда клетка синтезирует новые вещества, энергия АТФ расходуется на реакции и образование химических связей. Поэтому пластический обмен не может идти независимо от энергетического.

При фотосинтезе световая энергия становится химической энергией органических веществ. Хлорофилл поглощает свет и запускает преобразования, позволяющие использовать его энергию для синтеза из углекислого газа и воды. Без поглощения света клетка не получила бы нужный для этих реакций источник энергии. Созданные органические вещества затем служат материалом для клеток и источником энергии при её высвобождении.

Хемосинтез тоже обеспечивает синтез органических веществ из неорганических, но источник энергии у него другой. Некоторые бактерии получают энергию при окислении неорганических соединений, например аммиака, и используют её для синтеза. Поэтому им не нужны ни солнечный свет, ни хлорофилл. Различие между процессами определяется не продуктом, а тем, откуда берётся энергия.

При биосинтезе белка наследственная информация задаёт, в какой последовательности должны соединяться аминокислоты. Рибосома считывает переданную ей инструкцию и обеспечивает соединение аминокислот в растущую цепь. Если порядок аминокислот изменится, может измениться строение белка и его свойства. Энергия необходима клетке, чтобы обеспечивать сборку молекулы и связанные с ней реакции.

Разные процессы синтеза обеспечивают клетку разными веществами, потому что организму нужны и органические соединения в целом, и конкретные молекулы с определёнными функциями. Фотосинтез и хемосинтез дают органические вещества из неорганических исходных соединений, а биосинтез белка создаёт белковые молекулы по заданной инструкции. Полученные вещества используются при росте и обновлении клеточных структур. Благодаря этому клетка сохраняет своё устройство и выполняет необходимые функции.

Сравнение процессов синтеза в клетках

Сравнивайте процессы по источнику энергии и исходным веществам: это помогает не спутать фотосинтез с хемосинтезом. Строки о месте и значении показывают, где идёт синтез и для чего он нужен. Биосинтез белка включён в таблицу, хотя его непосредственный результат — белок, а не образование органических веществ из углекислого газа.

Разбор задач

Условие: Укажите, к какому типу обмена относится образование белков из аминокислот и требуется ли для этого энергия. Нужно определить направление процесса, а затем установить его энергетическую сторону. Не путайте исходные вещества с результатом синтеза: аминокислоты соединяются в более сложную молекулу.

1. Определите, что происходит: из аминокислот образуется белок.
2. Поскольку сложное вещество создаётся из более простых, отнесите реакцию к анаболизму.
3. Учитывайте, что синтез требует затрат энергии, в том числе энергии АТФ.

Ответ: образование белка из аминокислот относится к анаболизму и требует энергии. Это следует из самого направления процесса — сборки сложной молекулы из отдельных частей. Энергия нужна клетке, чтобы обеспечить реакции соединения аминокислот.

Условие: Бактерии получают энергию при окислении аммиака и используют её для образования органических веществ из углекислого газа. Определите процесс и источник энергии. Важно не принять наличие углекислого газа за признак фотосинтеза: решающим здесь служит способ получения энергии. В условии прямо указано окисление аммиака.

1. Установите, что бактерии синтезируют органические вещества из неорганических.
2. Найдите источник энергии: она высвобождается при окислении аммиака.
3. Сопоставьте этот источник с определением хемосинтеза, где используется энергия окисления неорганических соединений.

Ответ: это хемосинтез, а источник энергии — окисление аммиака. Свет в условии не указан, поэтому относить процесс к фотосинтезу нельзя. Бактерии используют высвобождаемую химическую энергию для образования органических веществ из углекислого газа.

Условие: В клетке нарушена работа рибосом. Объясните, какой процесс синтеза будет нарушен и как это отразится на образовании белков. Чтобы ответить, нужно связать органоид с выполняемой им работой, а не с хранением наследственной информации. Рибосомы обеспечивают сборку белковой цепи из аминокислот.

1. Определите процесс, в котором рибосомы соединяют аминокислоты: это биосинтез белка.
2. Свяжите нарушение работы органоида с нарушением сборки аминокислотной цепи.
3. Сделайте вывод: образование белковых молекул замедлится или станет невозможным.

Ответ: будет нарушен биосинтез белка, потому что рибосомы не смогут нормально соединять аминокислоты. Наследственная информация по-прежнему задаёт порядок их соединения, но без работающих рибосом сборка не осуществляется. Поэтому клетка не сможет в достаточной мере производить необходимые белки.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой синтез происходит без затрат энергии. Её допускают, потому что слово «синтез» часто связывают только с образованием вещества и не учитывают перестройку химических связей. Проверьте себя: если из простых частей строится сложная молекула, клетке нужна энергия для этого процесса. Реакции анаболизма расходуют энергию, в частности запасённую в АТФ.

Ошибка: путать фотосинтез и хемосинтез. Оба процесса приводят к образованию органических веществ, поэтому похожий результат может отвлечь от главного различия. Спросите себя, откуда берётся энергия: свет указывает на фотосинтез, окисление неорганических соединений — на хемосинтез. Такой проверкой удобно пользоваться даже тогда, когда исходные вещества похожи.

Ошибка: полагать, что растения получают органические вещества только из почвы. В почву поступают вода и минеральные вещества, но основную часть органических веществ растения образуют при фотосинтезе из углекислого газа и воды. Чтобы проверить себя, различайте неорганические исходные вещества и органические продукты. Не смешивайте поглощение минерального питания с образованием органических молекул.

Ошибка: считать, что рибосома хранит информацию о строении белка. Такое представление возникает, потому что именно на рибосоме собирается белковая цепь. Однако порядок аминокислот задаётся наследственной информацией, а рибосома обеспечивает их соединение. Проверка простая: отделяйте источник инструкции от структуры, которая выполняет сборку.

Связь с другими темами

Для понимания процессов синтеза нужны знания о строении клетки, роли АТФ и различиях между органическими и неорганическими веществами. Тема продолжает изучение обмена веществ и превращения энергии: синтез связан с расходованием энергии, а клеточное дыхание помогает её высвобождать. Фотосинтез и клеточное дыхание показывают разные стороны преобразования веществ и энергии. Биосинтез белка пригодится при изучении реализации наследственной информации, генетики и биотехнологии.

Что запомнить

• Синтез сложных веществ из простых относится к пластическому обмену.
• Реакции анаболизма требуют затрат энергии.
• При фотосинтезе источником энергии служит свет.
• При хемосинтезе энергия образуется при окислении неорганических веществ.
• В ходе биосинтеза белка аминокислоты соединяются в заданной последовательности.
• Рибосомы участвуют в сборке белковых молекул.