4.1. Анаболизм 

Определения и обозначения

Анаболизм — совокупность реакций синтеза сложных веществ из более простых. Такие реакции требуют затрат энергии, потому что клетка строит новые молекулы и химические связи. Благодаря анаболизму образуются вещества, необходимые для работы и обновления клетки. Его также называют созидательной стороной обмена веществ.

Пластический обмен — реакции образования и обновления веществ и структур клетки. Он нужен, чтобы организм мог расти, заменять изношенные части клеток и восстанавливать повреждённые ткани. Например, клетки создают белки и другие молекулы для своих структур. Пластический обмен особенно важен в период роста, но продолжается и у взрослого организма.

Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды за счёт энергии света. Свет поглощают пигменты, главным образом хлорофилл, находящийся в хлоропластах зелёных растений и некоторых других организмов. При процессе выделяется кислород. Фотосинтез позволяет запасать световую энергию в химических связях органических веществ.

Хемосинтез — образование органических веществ из углекислого газа за счёт энергии окисления неорганических веществ некоторыми бактериями. Окисление означает химические превращения, при которых высвобождается энергия. Она используется клеткой для синтеза органики. Такой способ позволяет получать органические вещества без света.

Как это устроено

При анаболизме клетка соединяет исходные простые молекулы в более крупные и сложные вещества. Образование новых химических связей требует энергии, поэтому синтез не происходит сам собой. Например, из аминокислот собираются белки, а из простых углеводов могут формироваться более крупные молекулы. Так клетка получает вещества, которые нужны ей для строения и выполнения функций.

Энергия для синтеза часто переносится молекулами АТФ — универсального переносчика энергии в клетке. Когда клетке нужно построить вещество, энергия, связанная с превращениями АТФ, становится доступна для синтетических реакций. Это связывает энергетические процессы с пластическим обменом: энергия, полученная в клетке, расходуется на образование её компонентов. Если поступления энергии недостаточно, возможности синтеза ограничиваются.

При фотосинтезе пигменты поглощают свет, потому что без передачи его энергии клетка не смогла бы обеспечить реакции синтеза. Поглощённая энергия запускает процессы световой стадии, которая протекает при участии света. В ней расщепляется вода и выделяется кислород; также образуются вещества, обеспечивающие энергией дальнейшие реакции. Поэтому световая стадия подготавливает условия для создания органики.

В темновой стадии углекислый газ включается в состав органических веществ. Название не означает, что эти реакции обязательно идут ночью: оно указывает, что свет не используется ими непосредственно. Углерод будущих органических молекул поступает из CO₂, а не из воды или выделяемого кислорода. Так энергия, полученная на световой стадии, используется для сборки органики из доступного неорганического сырья.

Хемосинтезирующие бактерии получают энергию не от света, а при окислении неорганических веществ. Это позволяет им синтезировать органические соединения из углекислого газа даже в темноте. Поскольку энергия возникает в результате химических превращений, свет для такого способа питания не требуется. Хемосинтез расширяет круг организмов, способных создавать органику из неорганических веществ.

Сравнение фотосинтеза и хемосинтеза

Сначала сравните источники энергии: это главное различие двух процессов. Затем проверьте, какие организмы их осуществляют и зависит ли синтез от света. Общая черта фотосинтеза и хемосинтеза — образование органических веществ из неорганического углерода.

Разбор задач

Задача 1. Клетка синтезирует белки из аминокислот. Определите, относится ли этот процесс к анаболизму, и объясните почему.

1. Определяем, что происходит: из небольших молекул аминокислот образуется более крупная молекула белка.
2. Сопоставляем процесс с определением анаболизма: это синтез сложного вещества из более простых компонентов.
3. Учитываем энергетическую сторону: для сборки белка клетка затрачивает энергию, в том числе переносимую АТФ.

Ответ. Синтез белка относится к анаболизму: клетка создаёт сложную молекулу из аминокислот и расходует энергию. То, что исходные вещества уже являются органическими, не меняет классификацию процесса. Решающий признак здесь — синтез более сложного вещества из простых компонентов.

Задача 2. Сравните образование органических веществ у зелёного растения на свету и у хемосинтезирующих бактерий в темноте. Укажите источник энергии в каждом случае.

1. Определяем процесс у растения: если оно использует свет, речь идёт о фотосинтезе.
2. Вспоминаем источник энергии фотосинтеза: это энергия света, которую поглощают пигменты.
3. Для бактерий в темноте проверяем альтернативный способ: хемосинтез использует энергию окисления неорганических веществ.

Ответ. Растение использует световую энергию, а хемосинтезирующие бактерии — энергию окисления неорганических веществ. В обоих случаях создаются органические вещества из углекислого газа, но источники энергии различны. Поэтому отсутствие света исключает фотосинтез, но не обязательно исключает хемосинтез.

Задача 3. Растение освещали в атмосфере с углекислым газом, содержащим меченый углерод. В каких образующихся веществах следует искать метку и что это покажет?

1. Находим, откуда берётся атом углерода в органике при фотосинтезе: из углекислого газа.
2. Метка обозначает атомы углерода, поэтому следить нужно за веществами, в состав которых включается углерод CO₂.
3. Ищем её в органических продуктах фотосинтеза и связанных с ними веществах, образующихся в клетке.

Ответ. Метку следует искать в образовавшихся органических веществах, например в сахарах и затем в других соединениях, синтезированных из них. Её обнаружение покажет, что углерод органики поступил из углекислого газа. Такой опыт помогает проследить источник вещества, а не источник энергии фотосинтеза.

Типичные ошибки

Ошибка — считать анаболизм и весь обмен веществ одним и тем же. Её допускают, потому что анаболизм действительно является частью обмена и часто обсуждается вместе с ним. Но обмен веществ включает и синтез, и распад, тогда как анаболизм обозначает только синтез. Проверяйте себя вопросом: рассматриваются ли реакции расщепления веществ? Если да, речь идёт не только об анаболизме.

Ошибка — полагать, что синтез всегда высвобождает энергию. Иногда путают образование продукта с получением энергии при распаде исходных веществ. Однако построение сложных молекул обычно требует энергетических затрат, в том числе энергии АТФ. Чтобы проверить ответ, выясните, создаются ли новые связи и откуда клетка берёт энергию для этого процесса.

Ошибка — считать, что углерод органических веществ при фотосинтезе поступает из кислорода или воды. Путаница возникает из-за того, что вода участвует в процессе, а кислород выделяется наружу. Но углерод включается в органические молекулы из углекислого газа. Проверка проста: проследите, в каком исходном веществе есть атомы углерода.

Ошибка — путать хемосинтез с фотосинтезом и приписывать обоим энергию света. Оба процесса создают органику из неорганических веществ, поэтому их легко смешать. Но хемосинтезирующие бактерии получают энергию при окислении неорганических веществ. Проверьте себя: если в условии указан источник энергии, соотнесите свет с фотосинтезом, а окисление — с хемосинтезом.

Связь с другими темами

Для понимания анаболизма нужны знания о строении клетки, органических и неорганических веществах, а также о роли АТФ как переносчика энергии. Тема продолжает изучение обмена веществ: синтез важно отличать от распада. Она помогает разобраться в питании организмов, фотосинтезе и круговороте веществ в экосистемах. Представление о синтезе пригодится при изучении биосинтеза белка, роста и развития организма.

Что запомнить

• Анаболизм — синтез сложных веществ из более простых.
• Реакции анаболизма требуют энергии.
• Пластический обмен обеспечивает образование и обновление веществ и структур клетки.
• При фотосинтезе энергия синтеза органических веществ поступает от света.
• Углерод органических веществ при фотосинтезе берётся из углекислого газа.
• При хемосинтезе источником энергии служит окисление неорганических веществ.
• Фотосинтез и хемосинтез позволяют создавать органические вещества из неорганических.