§ 10. Обмен веществ и превращение энергии — основные свойства живых систем

Определения и обозначения

Обмен веществ и превращение энергии — совокупность процессов поступления, преобразования и использования веществ и энергии живой системой. Это не просто получение пищи: внутри организма вещества меняются и включаются в реакции. Такой обмен поддерживает жизнь клетки и организма.

Пластический обмен, или анаболизм, — образование сложных веществ из более простых с затратой энергии. Например, клетка соединяет небольшие молекулы в крупные. Синтез нужен, чтобы создавать и обновлять клеточные структуры.

Энергетический обмен, или катаболизм, — расщепление сложных веществ до более простых, сопровождаемое высвобождением энергии. Органические вещества служат источником этой энергии. Она нужна клетке для процессов, которые не могут идти сами собой.

АТФ — молекула, которая переносит и временно запасает энергию в клетке. Когда клетке требуется энергия, АТФ участвует в её передаче нужному процессу. Поэтому АТФ связывает энергетические реакции с работой клетки.

Как это устроено

Вещества поступают в организм из окружающей среды, а затем попадают в клетки. Там они могут стать сырьём для реакций или источником энергии. Преобразование необходимо потому, что клетке нужны не любые поступившие вещества, а подходящие ей молекулы и соединения. Часть веществ используется для построения структур, а продукты обмена выводятся или включаются в новые реакции.

При пластическом обмене клетка собирает сложные молекулы из более простых. Образование связей между частями молекулы требует затрат энергии, поэтому одного наличия исходного сырья недостаточно. Полученные вещества становятся материалом для роста, обновления и восстановления клеток. Благодаря этому организм может увеличивать число и размер клеток, а также заменять повреждённые структуры.

При энергетическом обмене органические вещества расщепляются на более простые. В ходе этих превращений высвобождается энергия, которая прежде была заключена в химических связях веществ. Она не исчезает: клетка может временно запасать её в АТФ, а часть рассеивается как тепло. Так расщепление становится источником энергии для клеточных процессов.

Энергетический обмен связан с образованием АТФ, а затем — с использованием её энергии. Когда молекулы органических веществ расщепляются, часть высвобождаемой энергии запасается в молекулах АТФ. При передаче энергии от АТФ клетка получает возможность выполнять работу, например синтезировать вещества. Такой перенос удобен, потому что энергия становится доступной там и тогда, где она нужна.

Пластический и энергетический обмен — две связанные стороны обмена веществ. Для синтеза сложных молекул необходима энергия, которую клетка получает при энергетических реакциях и переносит с помощью АТФ. При этом простые продукты расщепления могут стать исходными веществами для синтеза. Поэтому процессы могут идти одновременно: одни вещества разрушаются, а другие в это время создаются.

Сравнение пластического и энергетического обмена

Сравнивайте процессы по тому, усложняются или упрощаются вещества и что происходит с энергией. Так легче не перепутать их направления. Для клетки оба вида обмена необходимы и связаны между собой.

Разбор задач

Задача 1. Клетка использует простые вещества для образования белков. Определите, к какому виду обмена относится процесс и почему.

1. Выясним, что происходит с веществами: исходные молекулы используются для получения белка.
2. Белок — сложное вещество, а его образование является синтезом. На создание сложной молекулы клетка затрачивает энергию.
3. Следовательно, это пластический обмен, потому что простые вещества объединяются в более сложное.

Ответ: процесс относится к пластическому обмену, так как клетка синтезирует белок из более простых веществ с затратой энергии.

Задача 2. При расщеплении органического вещества в клетке выделяется энергия. Объясните, как она может быть использована клеткой.

1. Сначала определим направление процесса: органическое вещество расщепляется, значит, это энергетический обмен.
2. Высвободившаяся энергия не пропадает. Часть её запасается в АТФ — молекуле, переносящей энергию между реакциями.
3. Когда клетке нужно выполнить работу, энергия АТФ передаётся процессам, например синтезу веществ. Часть энергии при превращениях рассеивается в виде тепла.

Ответ: энергия при расщеплении высвобождается, частично запасается в АТФ и затем используется клеткой; часть рассеивается как тепло.

Задача 3. В клетке одновременно идут синтез новых веществ и расщепление других веществ. Объясните, почему эти процессы не противоречат друг другу и как они связаны.

1. Синтез сложных веществ — пластический обмен, а расщепление — энергетический. Они направлены по-разному, но оба входят в общий обмен клетки.
2. При расщеплении веществ высвобождается энергия, часть которой переносится с помощью АТФ. Она может быть использована для синтеза.
3. Кроме того, простые продукты расщепления могут стать сырьём для образования других молекул. Значит, процессы способны идти одновременно и дополняют друг друга.

Ответ: противоречия нет: энергетический обмен может обеспечивать пластический энергией, а продукты одного процесса служат веществами для другого.

Типичные ошибки

Считать пластический и энергетический обмен независимыми. Так думают, когда рассматривают только противоположные направления процессов. Но энергия и вещества связывают их: продукты расщепления могут использоваться при синтезе. Проверьте себя: спросите, откуда берётся энергия для пластического обмена и куда идут продукты энергетического.

Утверждать, что при пластическом обмене энергия выделяется. Ошибка возникает из-за смешения синтеза с расщеплением. Образование сложных веществ требует затрат энергии. Чтобы проверить ответ, проследите, строится ли сложная молекула или распадается.

Считать, что энергия при энергетическом обмене исчезает. Высвобождение иногда ошибочно понимают как исчезновение энергии. Часть её запасается в АТФ, а часть рассеивается в виде тепла. Проверьте себя: укажите, куда передаётся энергия после расщепления вещества.

Смешивать обмен веществ с поступлением пищи. Питание — только один из этапов, поэтому такое упрощение упускает реакции внутри организма и клеток. Обмен включает преобразование и использование веществ, а также удаление продуктов. Для проверки назовите процессы, которые происходят после поступления пищи.

Связь с другими темами

Чтобы понять обмен, нужно знать, что клетка — основная структурная и функциональная единица живого, а её работа связана с химическими реакциями. Эта тема помогает объяснить, как питание обеспечивает организм веществами и как фотосинтез создаёт органические вещества. При изучении клеточного дыхания станет понятнее, каким образом клетка получает энергию из органических соединений. Представление об АТФ понадобится при разборе процессов, которые снабжают клетку энергией.

Что запомнить

• Обмен веществ и превращение энергии — обязательное свойство живых систем.
• Пластический обмен создаёт сложные вещества из более простых.
• Для пластического обмена необходима энергия.
• Энергетический обмен сопровождается расщеплением веществ и высвобождением энергии.
• АТФ служит переносчиком энергии в клетке.
• Пластический и энергетический обмен взаимосвязаны.