Раздел 10. Обмен веществ и энергии

Определения и обозначения

Обмен веществ и энергии — совокупность процессов поступления, превращения и использования веществ и энергии организмом. Благодаря ему клетки получают материалы для работы и построения собственных частей, а организм сохраняет жизнедеятельность. Это не один отдельный процесс, а множество связанных превращений.

Пластический обмен, или ассимиляция, — образование свойственных организму веществ из поступивших веществ. Например, клетка может собирать белки из аминокислот. Этот процесс нужен для роста организма и обновления клеток, а также требует затрат энергии.

Энергетический обмен, или диссимиляция, — расщепление сложных веществ до более простых с высвобождением энергии. Клетки используют её для своей работы и поддержания процессов жизнедеятельности. Таким образом, вещества при этом не строятся, а превращаются в более простые соединения.

АТФ — универсальное соединение, в котором клетка запасает и переносит энергию. Клетка использует энергию АТФ, когда выполняет различные процессы, например синтезирует вещества. Поэтому АТФ можно представить как переносчик энергии между её высвобождением и использованием.

Как это устроено

Вещества поступают в организм с пищей, а кислород из окружающей среды нужен для процессов клеточного дыхания. Пища содержит сложные вещества, которые организм не всегда может сразу использовать. Поэтому сначала они проходят пищеварение, а затем питательные вещества и кислород доставляются к клеткам. Там начинается их дальнейшее превращение.

Во время пищеварения сложные компоненты пищи расщепляются на более простые вещества, которые могут всасываться. Например, белки пищи превращаются в аминокислоты. Это необходимо потому, что крупные молекулы не могут просто пройти через стенку пищеварительного тракта и попасть к клеткам в исходном виде. После всасывания вещества поступают в кровь и разносятся по организму.

Пластический и энергетический обмен связаны, потому что клетке одновременно нужны и материалы, и энергия. Для сборки собственных белков, жиров и других веществ требуется энергия, которую обеспечивает энергетический обмен. При этом поступившие органические вещества могут служить не только строительным материалом, но и источником энергии. Какое направление преобладает, зависит от потребностей организма и клетки.

При энергетическом обмене органические вещества расщепляются, а высвобождаемая энергия не исчезает и не возникает из ничего: она переходит из одной формы в другую. Часть этой энергии запасается в молекулах АТФ, чтобы клетка могла использовать её позднее. Другая часть рассеивается в виде тепла. Поэтому запас энергии в АТФ не равен всей энергии, выделившейся при расщеплении.

В результате обмена образуются не только вещества, которые организм может использовать дальше, но и продукты, которые ему нужно удалить. Их накопление мешало бы нормальной работе клеток, поэтому организм выводит их через органы выделения и другими путями. Обмен веществ непрерывно снабжает клетки материалами и энергией и помогает поддерживать работу всего организма. Без него клетки не могли бы обновляться и выполнять свои функции.

Сравнение пластического и энергетического обмена

Сравнивай процессы по тому, что происходит с веществами: они строятся или расщепляются. Затем проверь, расходуется энергия или высвобождается. Таблица показывает различия, но оба направления происходят в организме совместно.

Разбор задач

Задача 1

Ученик описал синтез белков в клетках из аминокислот. Определите, к какой стороне обмена веществ относится этот процесс и объясните почему. Нужно определить направление превращения веществ, а не ориентироваться только на то, что процесс происходит в клетке. Для этого выясним, что было исходным материалом и что получилось.

1. Аминокислоты — более простые вещества по сравнению с белком.
2. Из аминокислот клетка собирает сложное вещество — белок.
3. Создание собственных веществ относится к пластическому обмену; для синтеза требуется энергия.

Ответ: это пластический обмен, потому что из простых веществ синтезируется сложный белок, нужный организму.

Задача 2

При клеточном дыхании органические вещества расщепляются, а энергия используется клеткой. Объясните, к какому виду обмена относится процесс и какую роль в нём играет АТФ. Сначала определим направление превращения веществ. Затем проследим, что происходит с высвободившейся энергией.

1. Органические вещества расщепляются до более простых, поэтому процесс относится к энергетическому обмену.
2. При расщеплении высвобождается энергия, часть которой клетка запасает в АТФ.
3. АТФ переносит эту энергию к процессам, где она нужна; часть энергии рассеивается как тепло.

Ответ: клеточное дыхание относится к энергетическому обмену. АТФ служит запасом и переносчиком части высвобожденной энергии.

Задача 3

После приёма пищи в организм поступили питательные вещества. Составьте последовательность их использования: пищеварение, поступление веществ к клеткам, синтез собственных веществ или получение энергии. Объясните, почему возможны оба направления. Важно не смешивать подготовку пищи с тем, что происходит затем внутри клеток.

1. При пищеварении сложные вещества пищи расщепляются на более простые.
2. Простые вещества всасываются и с кровью поступают к клеткам.
3. Клетки используют их для синтеза собственных веществ либо расщепляют для получения энергии.
4. Оба направления возможны, потому что организму нужны и материалы для обновления, и энергия для работы.

Ответ: пищеварение → поступление питательных веществ к клеткам → синтез веществ или получение энергии. Выбор зависит от потребностей организма и того, как клетка использует поступившие вещества.

Типичные ошибки

Ошибка: считать пластический и энергетический обмен независимыми. Так думают, потому что названия обозначают разные процессы, но синтезу нужна энергия, а расщепление может её обеспечить. Проверь себя: спроси, откуда берётся энергия для построения веществ и куда клетка направляет её после высвобождения.

Ошибка: считать, что при энергетическом обмене энергия возникает из ничего. Её высвобождение иногда принимают за появление новой энергии, хотя она связана с превращением органических веществ. Проверь себя: в описании процесса должно быть указано, какие вещества расщепляются.

Ошибка: смешивать пищеварение с обменом веществ в клетке. Это происходит потому, что оба процесса связаны с превращениями питательных веществ. Пищеварение подготавливает их к всасыванию, а клеточный обмен начинается с их дальнейшего использования. Чтобы проверить себя, проследи путь вещества от пищи до клетки.

Ошибка: полагать, что вся высвобождаемая энергия запасается в АТФ. Такое впечатление возникает, когда внимание сосредоточено только на запасе энергии для клетки. На деле часть энергии рассеивается в виде тепла. Проверь себя: при описании энергетического обмена укажи и запасание энергии, и её рассеивание.

Связь с другими темами

Для понимания темы пригодятся знания о составе пищи, работе пищеварительной системы и пути питательных веществ к клеткам. Также важно знать строение клетки и понимать, зачем организму нужны органические вещества. Это помогает отличать переваривание пищи от последующих превращений внутри клеток. Позже тема пригодится при изучении клеточного дыхания, питания и выделения, а также поддержания постоянства внутренней среды.

Что запомнить

• Обмен веществ и энергии поддерживает жизнедеятельность организма.
• Пластический обмен обеспечивает синтез и обновление веществ организма.
• Энергетический обмен связан с расщеплением веществ и высвобождением энергии.
• АТФ запасает и переносит энергию, необходимую клетке.
• Пластический и энергетический обмен взаимосвязаны.
• Часть энергии при обмене рассеивается в виде тепла.