Химические процессы в живых организмах. (Дополнительный материал к главе 9)

Определения и обозначения

Биохимические реакции — химические превращения веществ, происходящие в живых организмах. Их совокупность составляет обмен веществ: организм получает и перестраивает нужные соединения, а также удаляет продукты реакций. Благодаря этому клетки могут расти, обновляться и выполнять свою работу.

Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света. В результате неорганические вещества становятся источником углерода для органических соединений, а световая энергия запасается в них. Это помогает понять, откуда растения получают строительный материал для роста.

Клеточное дыхание — окисление органических веществ в клетках, при котором высвобождается энергия. При полном окислении глюкозы образуются углекислый газ и вода. Клетка использует высвобождаемую энергию для процессов, необходимых для жизни.

Брожение — превращение органических веществ без участия кислорода, сопровождающееся выделением энергии. Оно позволяет некоторым клеткам получать энергию, когда кислород недоступен. В отличие от полного окисления, при брожении остаются органические продукты, например этанол или молочная кислота.

Как это устроено

Химические процессы в организме подчиняются общим закономерностям: атомы не исчезают, а переходят из одних веществ в другие, и энергия при этом превращается. Однако реакции идут внутри клеточных структур, где поддерживаются подходящие условия. Их ускоряют биологические катализаторы — ферменты, вещества, помогающие реакции протекать быстрее и избирательнее. Поэтому клетка управляет превращениями, не меняя самих законов химии.

При фотосинтезе углекислый газ поступает из воздуха, а вода — из почвы или окружающей среды. Свет поглощается пигментами, в том числе хлорофиллом, и его энергия обеспечивает последовательность превращений, в ходе которых образуется органическое вещество. В суммарном уравнении процесс записывают так: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. Уравнение показывает соотношение веществ, но не раскрывает промежуточные стадии реакции.

При клеточном дыхании органические вещества окисляются; при аэробном процессе для этого используется кислород. Суммарное уравнение окисления глюкозы: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + энергия. Часть высвобождаемой энергии клетка сохраняет в доступной для неё форме, а затем расходует на движение, синтез веществ и другие процессы. Углекислый газ и вода становятся продуктами реакции, которые организм может выводить или использовать в дальнейших превращениях.

Для аэробного дыхания необходим кислород, тогда как брожение идёт без него. При спиртовом брожении глюкоза превращается в этанол и углекислый газ: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂. При молочнокислом брожении продуктом становится молочная кислота. Брожение не доводит окисление глюкозы до углекислого газа и воды, поэтому энергии клетка получает меньше, чем при аэробном дыхании.

Фотосинтез и дыхание связаны круговоротом вещества: при фотосинтезе углерод из CO₂ переходит в органические соединения, а при дыхании возвращается в углекислый газ. Фотосинтез выделяет кислород, который используется при аэробном дыхании; дыхание, в свою очередь, образует воду и CO₂, нужные для новых превращений. Энергетически процессы не являются простым обращением друг друга: при фотосинтезе энергия света запасается в органическом веществе, а при дыхании высвобождается.

Сравнение основных процессов превращения веществ в организмах

Сопоставляйте процессы по каждому признаку, а не только по исходным веществам или продуктам. Таблица помогает увидеть, где кислород образуется, расходуется или не участвует, а также различить запасание и высвобождение энергии. Для конкретного организма условия могут различаться, поэтому строку об условиях нужно читать вместе с названием процесса.

Разбор задач

Задача 1. Запишите суммарное уравнение фотосинтеза и определите исходные вещества и продукты. Сначала перенесём словесное описание в формулы: углекислый газ — CO₂, вода — H₂O, глюкоза — C₆H₁₂O₆, кислород — O₂. Затем проверим число атомов с обеих сторон, поскольку запись должна подчиняться закону сохранения массы.

1. Запишем схему: CO₂ + H₂O → C₆H₁₂O₆ + O₂.
2. В глюкозе шесть атомов углерода, значит, перед CO₂ ставим 6. Для баланса водорода ставим 6 перед H₂O.
3. Слева теперь 18 атомов кислорода; 6 входят в глюкозу, а оставшиеся 12 образуют 6O₂.

Ответ: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. Исходные вещества — углекислый газ и вода; продукты — глюкоза и кислород.

Задача 2. Какой объём O₂ при н. у. нужен для полного окисления 18 г глюкозы? Используем уравнение C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O. Сначала найдём количество глюкозы, а затем по коэффициентам определим количество кислорода.

1. Молярная масса глюкозы M = 180 г/моль, поэтому n(C₆H₁₂O₆) = 18/180 = 0,10 моль.
2. По уравнению на 1 моль глюкозы требуется 6 моль O₂, значит n(O₂) = 0,10 × 6 = 0,60 моль.
3. При н. у. молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Тогда V(O₂) = 0,60 × 22,4 = 13,44 л.

Ответ: требуется 13,44 л кислорода при н. у. Сначала вычислили количество глюкозы по массе, а коэффициенты уравнения дали соотношение между ней и кислородом.

Задача 3. Из 90 г глюкозы при спиртовом брожении найдите теоретическую массу этанола и объём CO₂ при н. у. Запишем уравнение C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂. Слово «теоретический» означает, что считаем превращение полным и не учитываем потери вещества.

1. M(C₆H₁₂O₆) = 180 г/моль, поэтому n(глюкозы) = 90/180 = 0,50 моль.
2. Из 1 моль глюкозы образуется 2 моль этанола, значит n(C₂H₅OH) = 1,0 моль. При M(C₂H₅OH) = 46 г/моль масса этанола равна 46 г.
3. По тому же уравнению образуется 1,0 моль CO₂. Его объём при н. у. равен 1,0 × 22,4 = 22,4 л.

Ответ: теоретически образуется 46 г этанола и 22,4 л углекислого газа при н. у.

Типичные ошибки

Считать фотосинтез и дыхание обратными процессами во всех отношениях — неверно. Их суммарные уравнения связаны общими веществами, но условия, клеточные механизмы и энергетический результат различаются. Такую ошибку допускают, если сравнивают только левые и правые части уравнений. Проверьте себя: у фотосинтеза нужна световая энергия, а при дыхании энергия высвобождается.

Полагать, что растения только фотосинтезируют, тоже ошибочно. Дыхание необходимо клеткам растений постоянно, а фотосинтез возможен лишь при наличии света. Путаница возникает из-за того, что растения связывают прежде всего с образованием кислорода. Чтобы проверить себя, разделяйте два процесса по условиям: свет нужен фотосинтезу, но не является условием клеточного дыхания.

Брожение нельзя называть полным окислением глюкозы. При нём кислород не расходуется, а продуктами могут быть этанол и углекислый газ либо молочная кислота; выход энергии меньше. Ошибка возникает, когда брожение считают просто другим названием дыхания. Проверьте наличие O₂ в уравнении и сравните продукты с CO₂ и H₂O, образующимися при полном окислении.

Уравнение нельзя оставлять несбалансированным: число атомов каждого элемента должно совпадать в левой и правой частях. Часто коэффициенты ставят на глаз, проверяя только один элемент. После записи пересчитайте отдельно атомы C, H и O, не меняя индексы в формулах веществ. Если числа не совпадают, подберите коэффициенты и выполните проверку ещё раз.

Связь с другими темами

Для понимания биохимических процессов нужны знания о химических реакциях, окислении и органических веществах, а также навыки уравнивания реакций и расчётов по ним. Тема связывает органическую химию с биологией: обменом веществ, устройством клетки и ролью ферментов. Эти представления пригодятся при изучении круговоротов элементов, экологии и биотехнологий. По уравнениям можно проследить не только превращения веществ, но и связь химии с процессами в живой природе.

Что запомнить

• Процессы в живых организмах являются химическими реакциями.
• Фотосинтез использует энергию света для образования органических веществ.
• При клеточном дыхании органические вещества окисляются, и высвобождается энергия.
• Брожение протекает без участия кислорода.
• Фотосинтез и дыхание связаны круговоротом веществ.
• Уравнения биохимических процессов подчиняются закону сохранения массы.