§43. Обменные процессы в организме

Определения и обозначения

Обмен веществ и энергии — это совокупность процессов поступления веществ в организм, их превращения и использования. Питательные вещества становятся строительным материалом или источником энергии. Без обмена клетка не сможет расти, восстанавливаться и выполнять свои функции.

Пластический обмен — синтез сложных веществ из более простых с затратой энергии. Так образуются белки, жиры, углеводы и другие соединения клетки. Он нужен для роста организма, деления клеток и постоянного обновления их частей.

Энергетический обмен — расщепление сложных веществ, при котором выделяется энергия. Она не исчезает бесследно, а частично запасается в молекулах АТФ. Благодаря этому клетка получает энергию для движения, синтеза веществ и работы органов.

АТФ, или аденозинтрифосфат, — универсальный переносчик энергии в клетке. При отщеплении от АТФ фосфатной группы образуются АДФ и фосфат, а энергия высвобождается. Поэтому АТФ связывает реакции распада веществ с процессами, требующими энергии.

Как это устроено

Питательные вещества поступают в организм с пищей, а затем расщепляются до более простых соединений. Глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты и другие вещества всасываются и попадают к клеткам. Там одни из них используются как строительные «детали», а другие окисляются и служат топливом.

Пластический и энергетический обмен нельзя разделить на независимые процессы. Синтез белка или другой сложной молекулы требует энергии АТФ, а АТФ образуется главным образом при распаде питательных веществ. Значит, энергетический обмен снабжает пластический энергией, а пластический использует её для создания клеточных структур.

Ферменты — это вещества, обычно белковой природы, которые ускоряют химические реакции в клетке. Без них превращения шли бы слишком медленно при обычной температуре организма. Разные ферменты действуют на разные вещества, поэтому они не только ускоряют, но и направляют обменные реакции.

На подготовительном этапе крупные молекулы расщепляются до мономеров: белки — до аминокислот, жиры — до глицерина и жирных кислот, углеводы — до простых сахаров. Этот этап может идти в пищеварительной системе и клетках, а энергия в основном рассеивается как тепло. Затем глюкоза подвергается бескислородному расщеплению в цитоплазме, где образуется немного АТФ.

Кислородный этап происходит в митохондриях и завершает распад органических веществ. Продукты бескислородного этапа окисляются до углекислого газа и воды, поэтому высвобождается больше энергии. Кислород принимает участие в конечных реакциях, что позволяет клетке получить гораздо больше АТФ, чем при неполном расщеплении глюкозы.

Сравнение пластического и энергетического обмена

Сначала определите, строится вещество или разрушается: это сразу показывает направление обмена. Затем проверьте, расходуется ли энергия или она высвобождается и запасается в АТФ. Оба вида обмена связаны и постоянно дополняют друг друга.

Разбор задач

Задача 1. В клетке из аминокислот синтезируется белок. Определите вид обмена и выясните, требуется ли энергия.

1. Белок — сложное вещество, а аминокислоты — более простые соединения.
2. Из простых веществ образуется сложное, значит, направление реакции — синтез.
3. Синтез требует затрат энергии, которую клетка получает при распаде АТФ.

Ответ: это пластический обмен; для образования белка необходима энергия.

Задача 2. При расщеплении глюкозы без участия кислорода образовалось небольшое количество АТФ. Назовите этап и объясните малый выход энергии.

1. Условие «без кислорода» указывает на бескислородный этап, или гликолиз.
2. Он протекает в цитоплазме и расщепляет глюкозу не полностью.
3. Так как большая часть энергии остаётся в конечных органических продуктах, АТФ образуется мало.

Ответ: это бескислородный этап энергетического обмена; энергии немного из-за неполного распада глюкозы.

Задача 3. Сравните получение энергии при наличии и отсутствии кислорода. Укажите место кислородного этапа и причину большего выхода АТФ.

1. Без кислорода глюкоза расщепляется в цитоплазме неполностью, поэтому образуется мало АТФ.
2. При наличии кислорода продукты этого расщепления поступают в митохондрии.
3. В митохондриях происходит полное окисление до углекислого газа и воды, поэтому высвобождается больше энергии.

Ответ: кислородный этап идёт в митохондриях и даёт больше АТФ благодаря полному расщеплению органического вещества.

Типичные ошибки

Ошибка — считать пластический и энергетический обмен независимыми. Так думают, если видят только противоположные направления реакций, но синтезу нужна энергия распада. Проверка проста: спросите, откуда берётся энергия для построения новой молекулы.

Ошибка — путать направления процессов: при пластическом обмене вещества синтезируются, а при энергетическом расщепляются. Причина обычно в том, что оба процесса называют общим словом «обмен». Проверьте себя по глаголу: «строится» означает пластический обмен, «разрушается» — энергетический.

Ошибка — считать, что энергия при распаде сразу полностью расходуется. Часть её запасается в АТФ и переносится к месту использования. Если в объяснении нет АТФ как промежуточного переносчика, рассуждение неполное.

Ошибка — утверждать, что кислород нужен на каждом этапе энергетического обмена. Подготовительный и бескислородный этапы могут проходить без него. Сверяйте условие реакции с её местом: гликолиз идёт в цитоплазме, а кислородный этап — в митохондриях.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении клетки, особенно о цитоплазме и митохондриях. Цитоплазма является местом многих реакций, а митохондрии участвуют в кислородном получении энергии. Строение клетки помогает объяснить, где именно идут этапы обмена.

Также важно знать состав и значение белков, жиров и углеводов. Эти вещества могут быть строительным материалом или источником энергии. Ферменты объясняют, почему клеточные реакции идут быстро и избирательно.

Знания об обмене пригодятся при изучении питания и пищеварения, дыхания и клеточного деления. Пищеварение поставляет исходные вещества, дыхание — кислород, а деление требует энергии и синтеза новых клеточных структур. Поэтому тема связывает работу организма с процессами внутри клетки.

Что запомнить

• Обмен веществ и энергии необходим для жизнедеятельности организма.
• Пластический обмен обеспечивает синтез и обновление веществ клетки.
• Энергетический обмен сопровождается расщеплением веществ и выделением энергии.
• Энергия запасается и переносится в клетке с помощью АТФ.
• Энергетический обмен включает подготовительный, бескислородный и кислородный этапы.
• При полном расщеплении глюкозы с участием кислорода образуется больше АТФ.