§ 48. Обмен веществ в организме (метаболизм)

Определения и обозначения

Обмен веществ (метаболизм) — совокупность химических превращений, обеспечивающих поступление, преобразование и использование веществ и энергии организмом. Пища служит источником веществ для клеток и материалом для получения энергии. Благодаря метаболизму организм может обновлять свои структуры и поддерживать жизненные процессы.

Ассимиляция (анаболизм) — образование сложных веществ из более простых; процесс требует энергии. Например, клетка может собирать белок из аминокислот. Ассимиляция нужна, чтобы создавать и обновлять вещества, из которых состоят клетки.

Диссимиляция (катаболизм) — расщепление сложных веществ до более простых; при этом энергия высвобождается. Так организм получает энергию из питательных веществ. Диссимиляция также может давать простые вещества, которые затем используются для новых превращений.

АТФ — аденозинтрифосфат, молекула, которая запасает и передаёт энергию для процессов в клетке. Энергия, полученная при расщеплении веществ, может быть сохранена в АТФ. Когда клетке нужно выполнить работу, она использует этот запас.

Как это устроено

Пища содержит органические вещества, но клетки не могут использовать их без предварительных превращений. При пищеварении крупные молекулы расщепляются на более простые части, которые поступают во внутреннюю среду организма и разносятся к клеткам. Там эти вещества становятся материалом для построения клеточных структур или вступают в реакции получения энергии. Поэтому пища обеспечивает организм и сырьём, и источником энергии.

Ассимиляция и диссимиляция происходят одновременно, потому что клетке нужно и создавать вещества, и обеспечивать себя энергией. Расщепление питательных веществ даёт энергию и более простые соединения. Часть таких соединений клетка использует для синтеза собственных молекул. Так продукты одного процесса становятся исходными веществами для другого, а оба процесса вместе поддерживают работу организма.

При диссимиляции органические вещества окисляются: их атомы и молекулы проходят химические превращения, в ходе которых высвобождается энергия. Эта энергия не целиком рассеивается в окружающую среду, а частично запасается в АТФ. Затем клетка расходует запас на процессы, требующие затрат энергии, например на образование сложных веществ. Поэтому АТФ связывает получение энергии с её использованием.

При аэробном расщеплении кислород участвует в окислении органических веществ. На примере глюкозы полное окисление можно записать так: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O. Конечные продукты этой реакции — углекислый газ и вода, а энергия высвобождается и частично запасается в АТФ. Кислород необходим для такого пути расщепления, но дыхание клетки — это не просто поступление кислорода, а совокупность химических реакций.

Интенсивность обмена веществ меняется в зависимости от потребностей организма и условий его жизни. Например, при физической активности работающим мышцам нужны энергия и вещества для поддержания их деятельности, поэтому превращения могут идти интенсивнее. На обмен также влияют условия среды и состояние организма. Это помогает клеткам подстраивать получение энергии и синтез веществ под текущие задачи.

Сравнение ассимиляции и диссимиляции

Сравнивай процессы по направлению превращения веществ: это самый быстрый способ их различить. Затем проверь, требуется ли энергия или она высвобождается. Если в примере есть и расщепление, и последующий синтез, оцени каждый этап отдельно.

Разбор задач

Задача 1. Определите, к какому процессу обмена веществ относится образование белков клетки из аминокислот. Нужно установить, усложняется вещество или распадается на более простые части. При этом в условии названы исходные вещества и продукт превращения.

1. Аминокислоты — более простые исходные вещества по отношению к белковой молекуле.
2. Из них образуется сложное вещество — белок, значит, происходит синтез.
3. Образование сложного из простых относится к ассимиляции и требует энергии.

Ответ: образование белка из аминокислот — ассимиляция.

Задача 2. Запишите и уравняйте реакцию полного окисления глюкозы кислородом. Укажите, к какой стороне обмена веществ она относится. Сначала запишите формулы глюкозы, кислорода, углекислого газа и воды, затем проверьте число атомов каждого элемента. После этого определите направление процесса.

1. Записываем схему: C₆H₁₂O₆ + O₂ → CO₂ + H₂O.
2. В глюкозе шесть атомов углерода, поэтому ставим 6 перед CO₂. Двенадцать атомов водорода требуют коэффициента 6 перед H₂O.
3. Справа теперь 18 атомов кислорода: 12 в CO₂ и 6 в H₂O. Слева один атом кислорода уже есть в глюкозе, поэтому перед O₂ ставим 6.

Ответ: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O. Это диссимиляция: глюкоза окисляется до более простых веществ, а энергия высвобождается.

Задача 3. При расщеплении питательных веществ выделилась энергия. Объясните, как она может быть использована для синтеза веществ в клетке, и укажите связь между двумя сторонами обмена. Для ответа проследите путь энергии от реакции расщепления до процесса построения новой молекулы. Важно не считать, что высвободившаяся энергия сразу целиком расходуется на синтез.

1. При диссимиляции органические вещества расщепляются, и энергия высвобождается.
2. Часть этой энергии запасается в молекулах АТФ, которые могут передавать её клетке.
3. При синтезе сложных веществ клетка расходует энергию АТФ; значит, энергия диссимиляции поддерживает ассимиляцию.

Ответ: энергия расщепления запасается в АТФ, а затем используется при синтезе. Диссимиляция и ассимиляция связаны через передачу энергии и использование продуктов превращений.

Типичные ошибки

Ошибка — считать ассимиляцию и диссимиляцию отдельными, не связанными процессами. Их разделяют, потому что у них противоположные направления, но в организме они идут одновременно и взаимодействуют. Путаница возникает, если учитывать только результат одной реакции. Проверь себя: проследи, могут ли продукты расщепления стать материалом для синтеза и откуда клетка получает энергию для него.

Ошибка — утверждать, что при ассимиляции выделяется энергия. Так можно подумать, если спутать синтез вещества с его расщеплением. На самом деле образование сложных молекул из простых требует затрат энергии. Чтобы проверить ответ, сравни сложность исходных веществ и продукта: если продукт сложнее, это ассимиляция.

Ошибка — считать, что при диссимиляции вся энергия рассеивается. Так бывает, если помнить о выделении энергии, но не учитывать её запасание и дальнейшее использование. Часть энергии сохраняется в АТФ и затем передаётся клеточным процессам. Проверяй себя вопросом: какая молекула служит переносчиком энергии между её получением и расходованием?

Ошибка — путать дыхание организма с одним лишь поступлением кислорода. Кислород поступает в организм и нужен для аэробного окисления, но клеточное дыхание включает химические превращения веществ. Путаница появляется, когда внешнее дыхание смешивают с реакциями внутри клетки. Проверь объяснение: в нём должны быть названы превращение органических веществ и высвобождение энергии.

Связь с другими темами

Для понимания метаболизма нужно различать простые и сложные вещества, а также знать состав органических соединений: так легче увидеть направление превращений. Умение распознавать окисление и уравнивать химические реакции помогает разбирать клеточное дыхание, например окисление глюкозы. Понятия обмена веществ и АТФ пригодятся при изучении клеточного дыхания, фотосинтеза и других превращений в клетке. Эти темы показывают, как организмы получают и используют вещества и энергию.

Что запомнить

• Метаболизм включает ассимиляцию и диссимиляцию.
• Ассимиляция строит сложные вещества из более простых.
• На ассимиляцию затрачивается энергия.
• Диссимиляция расщепляет сложные вещества.
• При диссимиляции высвобождается энергия.
• АТФ передаёт энергию для процессов в клетке.