Обмен веществ и энергии в клетке. Метаболизм



1. Как называются две составные части обмена веществ?

Ответ. Две составные части обмена веществ:

• Пластический (анаболизм, ассимиляция)

• Энергетический (катаболизм, диссимиляция).

2. Что такое метаболизм?

Ответ. Метаболи́зм (от греч. — «превращение, изменение»), или обмен веществ — набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды.

3. Что такое биологический катализатор?

Ответ. Катализаторы — потому, что ускоряют реакции, а биологические — потому, что образуются и работают в биологических системах (образуются только в клетках, а работать могут как внутри, так и вне клетки).

Биологические катализаторы называют ферментами.

4. Что такое ферменты? Какую функцию они выполняют?

Ответ. Ферменты — белки, являющиеся биологическими катализаторами. Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) в другие (продукты) Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах — ими катализируется около 4000 биологических реакций. Ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма.

Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность.

Вопросы после §21

1. Что называют гомеостазом?

Ответ. В любой живой клетке постоянно происходят сложнейшие химические и физические реакции, необходимые для того, чтобы обеспечить постоянство условий внутренней среды как в самой клетке, так и в многоклеточном организме, находящемся под воздействием постоянно меняющихся внешних факторов. Постоянство внутренней среды биологических систем получило название гомеостаза. Если гомеостаз нарушается, это ведёт к тому, что клетки и организм в целом повреждаются или даже могут погибнуть. Все реакции, протекающие в клетке, направлены на поддержание гомеостаза.

2. Как связаны между собой пластический и энергетический обмены?

Ответ. Ассимиляция (пластический обмен) и диссимиляция (энергетический обмен) – противоположные процессы: в первом случае происходит образование веществ, на что тратится энергия, а во втором – распад веществ с выделением и запасанием энергии. Эти процессы невозможны друг без друга, так как если не синтезировать и не запасать органические вещества, то и распадаться будет нечему. А если прекратятся реакции распада, то не будет синтезироваться АТФ, что приведёт к невозможности синтеза веществ из-за нехватки энергии. Таким образом, реакции ассимиляции и диссимиляции – это две стороны единого процесса обмена веществ и энергии в клетке, который называется метаболизмом. Ассимиляция и диссимиляция всегда строго сбалансированы и скоординированы, а нарушение этого баланса всегда приводит к развитию какого-либо заболевания как отдельных клеток, так и целого организма или даже их гибели

3. Какое значение имеют ферменты в метаболизме?

Ответ. Реакции метаболизма в живой клетке протекают при умеренных температурах, нормальном давлении и малых колебаниях кислотности. Вне живых организмов при таких условиях все химические реакции ассимиляции и диссимиляции или вообще не могли бы протекать, или протекали бы медленно. Однако в живых организмах эти реакции проходят очень быстро. Это обусловливается участием в них ферментов.

Так как активность ферментов очень высока, то для обеспечения нормальной скорости метаболических процессов требуется очень малое количество молекул ферментов. Но поскольку ферменты действуют избирательно, клетке необходимо очень много видов ферментов. Например, фермент амилаза катализирует распад в ротовой полости крахмала: без этого фермента реакция не идёт. Фермент уреаза катализирует расщепление мочевины до аммиака и угольной кислоты, но не действует на другие родственные мочевине соединения

4. Какова химическая природа ферментов? В чём состоят специфические особенности их функционирования?

Ответ. Ферменты — сложные органические вещества, которые образуются в живой клетке и играют важную роль катализатора всех процессов, происходящих в организме. Большинство из них состоит из двух компонентов: белкового (апофермент) и небелкового (кофермент). В активную часть входят: железо, марганец, кальций, медь, цинк, а также некоторые витамины. Кофермент становится активным тогда, когда соединяется с апоферментом.

Будучи белковыми веществами, ферменты при нагревании до 54 oС необратимо коагулируют (сворачиваются) и теряют свои каталитические действия. Также они легко разрушаются под действием кислорода и света. Все процессы обмена веществ: белковый, углеводный, жировой, витаминный, минеральный — протекают при содействии ферментов. При нормальном атмосферном давлении и температуре 37 oС в живом организме эти процессы протекают быстро, сберегая большое количество энергии.

Форма и химическое строение активного центра фермента должны быть таковы, чтобы с ним могло связаться только определённое соединение, которое называется субстратом данного фермента. Например, активный центр фермента лизоцима, содержащегося в слюне, слезах, слизистых верхних дыхательных путей, имеет вид щели, которая по форме и размеру точно соответствует фрагменту муреина – полисахарида оболочки бактерий. Таким образом, лизоцим играет роль одного из защитных барьеров нашего организма, разрушая муреиновую клеточную стенку бактерий и убивая их.

Установлено, что существует связь между ферментами, гормонами и витаминами. Известно, что авитаминозы и болезни, вызванные неправильной внутренней секрецией, объясняются нарушением обменных процессов организма.

С сырой пищей 60—80% ферментов достигают тонких кишок без изменений.

Витамин Е, которым насыщена свежая растительная пища, играет роль защитного фактора ферментов.

resheba.me

Обмен веществ и превращение энергии. Энергетический обмен



Вспомните!

Что такое метаболизм?

(от греч. μεταβολή — «превращение, изменение»), или обмен веществ — набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды.

Из каких двух взаимосвязанных процессов он состоит?

Энергетический обмен и пластический обмен

Где в организме человека происходит расщепление большей части органических веществ, поступающих с пищей?

Первоначально, в пищеварительном тракте, затем в клетках и их органоидах (митохондрии, цитоплазма).

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое диссимиляция? Перечислите её этапы.

Совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений, которые сопровождаются выделением и запасанием энергии, называют энергетическим обменом или диссимиляцией. В основном энергия запасается в виде универсального энергоёмкого соединения — АТФ.

1) Подготовительный

2) Бескислородное окисление

3) Кислородное окисление

2. В чём заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — нуклеотид, состоящий из азотистого основания (аденина), сахара рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты (рис. 53). АТФ является главной энергетической молекулой клетки, своего рода аккумулятором энергии. Все процессы в живых организмах, требующие затрат энергии, сопровождаются превращением молекулы АТФ в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту). При отщеплении остатка фосфорной кислоты высвобождается большое количество энергии — 40 кДж/моль. Таких высокоэнергетических (так называемых макроэргических) связей в молекуле АТФ две. Восстановление структуры АТФ из АДФ и фосфорной кислоты происходит в митохондриях и сопровождается поглощением энергии.

3. Какие структуры клетки осуществляют синтез АТФ?

Митохондрии

4. Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.

1) Подготовительный этап расщепления углеводов идет в пищеварительном тракте до простого углевода – глюкозы, при этом энергии выделяется мало и она рассеивается в организме в виде тепла.

2) Бескислородный этап расщепления глюкозы – гликолиз (анаэробное окисление). Этап протекает в цитоплазме в отсутствие свободного кислорода. Глюкоза С6Н12О6 пировиноградная кислота (ПВК) С3Н4О3. Глюкоза расщепляется до ПВК с выделением 4АТФ. Затем 2АТФ используются в этом этапе для дальнейшего превращения ПВК в молочную кислоту. И в итоге во втором этапе выделяется 2АТФ.

3) Кислородное окисление – аэробное окисление (или клеточное дыхание). Этап, в результате которого молочная кислота расщепляется под действием молекулярного кислорода до конечных продуктов распада – углекислого газа и воды. Протекает в митохондриях на дыхательной цепи ферментов, которые располагаются на кристах митохондрий. Вт результате этого этапа выделяется 36 АТФ. Таким образом, за два этапа – при полном окислении 1 моль глюкозы (1 молекулы) выделяется 38 АТФ (2АТФ + 36АТФ). Итоговый синтез и запас АТФ осуществляется в митохондриях – эти органоиды называются энергетическими центрами клетки.

5. Изобразите схематично процесс диссимиляции, сведя на одной схеме все возможные его варианты, упомянутые в тексте параграфа (в том числе брожение).

6. Синонимами слов «диссимиляция» и «ассимиляция» являются термины «катаболизм» и «анаболизм». Объясните происхождение этих терминов.

Катаболизм (от греч. Καταβολή, «сбрасывание, разрушение») или энергетический обмен, или диссимиляция — процесс метаболического распада, разложения на более простые вещества (дифференциация) или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с освобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ. Анаболизм (от греч. ἀναβολή, «подъём») – так называются все процессы создания новых веществ, клеток и тканей организма. Примеры анаболизма: синтез в организме белков и гормонов, создание новых клеток, накопление жиров, создание новых мышечных волокон – это все анаболизм.

Подумайте! Вспомните!

1. Объясните, почему потребление избыточного количества пищи приводит к ожирению.

Так как в клетках все органические соединения соединены друг с другом основными метаболитами (ПВК, ацетил-КоА) через которые одни органические вещества могут превращаться при избытке в другие. Наример, избыток углеводов превращаются в жиры.

2. Почему энергетический обмен не может существовать без пластического обмена?

Энергия, которая высвобождается при энергетическом обмене идет на процессы в пластическом обмене. И вещества пластического обмена расщепляются в энергетическом обмене.

3. Как вы считаете, почему после тяжёлой физической работы, для того чтобы быстрее снять боли в мышцах, рекомендуют принять тёплую ванну?

Боль в мышцах вызывает накопление молочной кислоты при гликолизе, ее концентрация действует на рецепторы, раздражая их, вызывая жжение. Чтобы снять это действие необходим прилив крови с кислородом, кислород расщепить молочную кислоту до конечных продуктов распада. Одним из способов служит принятие теплой ванны. При этом тело разогревается, сосуды расширяются и кровь с кислородом приливает и питает все мышцы, тем самым молочная кислота окисляется до углекислого газа и воды, снимается болевые ощущения в мышцах.

resheba.me

Обмен веществ

Сущность и значение обмена веществ в жизни человека. Обязательным условием существования всех живых организмов, в том числе и человека, является постоянный обмен веществами и энергией с внешней средой. Из окружающей среды в организм человека поступают питательные вещества, кислород, вода, минеральные соли, витамины, необходимые для построения и обновления структурных элементов клеток и образования энергии, обеспечивающей протекание жизненных процессов. В клетках организма непрерывно происходят процессы химических превращений веществ: синтез свойственных организму белков, жиров и углеводов, одновременное расщепление сложных органических соединений с высвобождением энергии, выделение во внешнюю среду образующихся продуктов распада — воды, углекислого газа, аммиака, мочевины. Таким образом, обмен веществ— это совокупность процессов химического превращения веществ с момента их поступления в организм до выделения конечных продуктов.

Обмен веществ представляет собой единство двух процессов: ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция— совокупность реакций синтеза сложных органических молекул из более простых с накоплением энергии.Диссимиляция — совокупность реакций расщепления сложных органических веществ (в том числе и пищевых) до более простых, сопровождающихся выделением энергии. Процессы ассимиляции и диссимиляции неразрывно связаны между собой, так как синтез веществ невозможен без затрат энергии, которая высвобождается при расщеплении сложных органических молекул до простых. Органические вещества пищи — основной строительный материал и единственный источник энергии для организма. Нарушение баланса между этими двумя процессами жизнедеятельности неизбежно приводит крас-стройству обмена веществ в организме.

Обмен белков. Белки пищи под действием ферментов желудочного, поджелудочного и кишечного соков расщепляются до аминокислот, которые в тонком кишечнике всасываются в кровь, разносятся ею и становятся доступными для клеток организма. Из аминокислот в клетках разного типа синтезируются свойственные им белки. Аминокислоты, не использованные для синтеза белков организма, а также часть белков, входящих в состав клеток и тканей, подвергаются распаду с высвобождением энергии. Конечные продукты расщепления белков — вода, углекислый газ, аммиак, мочевая кислота и др. Углекислый газ выводится из организма легкими, вода — почками, легкими, кожей. Ядовитый аммиак током крови доставляется в печень, где преобразуется в менее ядовитую мочевину, выводимую из организма почками и кожей (с потом).

Белки в организме не откладываются в запас. У взрослого человека общее количество синтезируемых белков равно количеству расщепляемых. Только у детей в связи с ростом их тела синтез белков превышает их распад. Суточная потребность в белках составляет около 100 г. Белки пищи называют полноценными, если они содержат все 20 протеиногенных аминокислот, и неполноценными, если в них отсутствует хотя бы одна аминокислота. Особенно важно присутствие в пище незаменимых аминокислот (их 10), которые в организме человека не синтезируются. Полноценными являются белки животного происхождения. Для обеспечения нормального белкового обмена в рационе человека должны присутствовать белки как животного, так и растительного происхождения, соотношение которых зависит от возраста: у старшевозра-стных групп доля растительного белка должна возрастать.

Обмен углеводов. Сложные углеводы в пищеварительном тракте под действием ферментов слюны, поджелудочного и кишечного соков расщепляются до глюкозы, которая всасывается в тонком кишечнике в кровь. В печени ее избыток откладывается в виде нерастворимого в воде (как и крахмал в растительной клетке) запасного материала— гликогена. При необходимости он снова превращается в растворимую глюкозу, поступающую в кровь. Углеводы — главный источник энергии в организме.

Суточная потребность в них у взрослого человека составляет около 500 г. Основным источником углеводов являются продукты растительного происхождения (картофель, хлеб, фрукты и др.). Уровень глюкозы в крови относительно постоянный и близок к 0,12%. Конечные продукты расщепления глюкозы в клетках — вода и углекислый газ. При избытке потребления углеводы превращаются в жиры, откладываемые в запас, при недостатке они образуются из белков и жиров.

Обмен жиров. Жиры пищи под действием ферментов желудочного, поджелудочного и кишечного соков (при участии желчи) расщепляются на глицерин и ясирные кислоты (последние подвергаются омылению). Из глицерина и жирных кислот в эпителиальных клетках ворсинок тонкого кишечника синтезируется жир, свойственный организму человека. Жир в виде эмульсии поступает в лимфу, а вместе с ней — в общий кровоток. Суточная потребность в жирах в среднем составляет 100 г. Избыточное количество жира откладывается в соединительнотканной жировой клетчатке и между внутренними органами. При необходимости эти жиры используются как источник энергии для клеток организма. При расщеплении 1 г жира выделяется наибольшее количество энергии—38,9 кДж. Конечными продуктами распада жиров являются вода и углекисльш газ. Жиры могут синтезироваться из углеводов и белков.

Обмен воды и минеральных солей. Кроме органических веществ организму необходимы вода и минеральные соли, при участии которых протекают процессы метаболизма Вода — важнейший компонент всех видов клеток, основа межклеточной жидкости, плазмы и лимфы; она составляет около 65—70% массы тела человека. В клетках вода является растворителем ряда неорганических и органических соединений, участником многих видов химических реакций, которые происходят в водных растворах. Ежесуточно организм человека теряет большое количество воды с выводимой мочой, потом и выдыхаемым воздухом. Поэтому человек восполняет потери воды в процессе питья, а также получает ее с пищей. Некоторое количество воды образуется при расщеплении веществ пищи (в первую очередь жиров). Суточная потребность человека в воде составляет примерно 2,5—3 л, однако в зависимости от условий внешней среды она может меняться.

Минеральные соли необходимы для поддержания постоянства величины осмотического давления крови и тканевой жидкости, активной реакции среды, для обеспечения нормальной свертываемости крови (кальций), транспортировки газов кровью (железо в составе гемоглобина), построения костной ткани (кальций, фосфор), возникновения и проведения возбуждения в мышечных и нервных клетках (кальций, натрий, калий), для синтеза гормонов щитовидной железы (иод) и т. д. Минеральные соли выводятся из организма с мочой, калом, потом. При избыточном поступлении с водой и пищей возможно их накопление в различных opганах. Общее количество минеральных веществ в организме составляет около 4,5% его массы. При правильном и сбалансированном питании суточная потребность в различных солях невелика и полностью обеспечивается (за исключением поваренной соли) за счет разнообразной пищи.

Нормы питания. Потребляемая пища восполняет расходуемые в процессе жизнедеятельности организма вещества и энергию. Суточные величины этих затрат зависят от пола, возраста, характера работы и интенсивности ее выполнения, состояния здоровья человека и других факторов. Для сохранения здоровья и работоспособности необходимо потреблять таюе количество пищи, которое полностью компенсировало бы энергетические затраты. На основании данных о суточных затратах энергии людьми разных профессий составлены нормы питания, выраженные в энергетических единицах (калориях иди джоулях). Чтобы воспользоваться разработанными нормами, нужно знать энергетическую ценность потребляемых продуктов.

Витамины и их роль в обмене веществ. Кроме углеводов, жиров, белков и неорганических веществ, человеку необходимы также витамины. Они представляют собой органические вещества различной химической природы, которые поступают с растительной и животной пищей, реже синтезируются в организме. Витамины не являются пластическим материалом или источником энергии, а служат исходными веществами для синтеза ферментов клетки. Вот почему организм человека так чувствителен к недостатку хотя бы одного из витаминов. Суточная потребность в витаминах мала. При длительном их отсутствии в пище развиваются авитаминозы, при их недостатке —гиповитаминозы.

В витаминах нуждаются все живые клетки, но лишь некоторые организмы способны сами их синтезировать. Так, ряд бактерий и дрожжей производят все витамины из простых химических соединений. Такой же способностью обладает и большинство высших растений.

В настоящее время описано несколько десятков витаминов. Их принято обозначать заглавными буквами латинского алфавита.

По растворимости все витамины подразделяются на две группы : жирорастворимые и водорастворимые (табл. 13.2). Всасывание витаминов происходит главным образом в тонком кишечнике.

Табл. 13.2. Витамины.

Название

Проявление авитаминоза

Пищевые продукты, содержащее витамины

Суточная потребность, мг

1

2

3

4

Жирорастворимые витамины

А (ретинол)

Замедление роста молодого организма, повреждение роговицы глаза, поражение эпителия кожи, нарушение зрения — «куриная слепота»

Животные жиры, рыба; яйца, молоко; печень; морковь, томаты и др.

1,5

D (эргокальциферол)

Развитие рахита у детей

Рыбий жир, мясо жирных рыб, печень, яичный желток и др.

0,025

Е (токоферол)

Дистрофия скелетных мышц, ослабление половой функции

Растительные масла, зеленые листья овощей; яйца и др.

10—12

К (филлохинон)

Нарушение свертываемости крови, желудочно-кишечные кровотечения, подкожные кровоизлияния

Синтезируется кишечными микроорганизмами.

В норме не требуется

Водорастворимые витамины

с (аскорбиновая кислота)

Заболевание цингой; поражаются стенки кровеносных сосудов, кровоизлияния в коже, кровоточивость десен, быстрая утомляемость, ослабление иммунитета

Перец, лимоны, черная смородина, плоды шиповника, зеленый лук; молоко и др.

50—100

В 1   (тиамин)

Заболевание берибери (ножные оковы): паралич конечностей, атрофия мышц, поражение нервной системы

Оболочки и зародышевая часть зерен риса, пшеницы, ржи; печень, почки, сердце и др.

2—3

B 2 (рибофлавин)

Задержка роста молодого организма, поражение глаз (катаракта), слизистой оболочки полости рта

Пивные дрожжи, пшеничные отруби; печень, сердце; молоко, яйца; томаты, шпинат, капуста и др.

2

B 6 (пиридоксин)

Дерматиты на лице, потеря аппетита, повышенная раздражительность, сонливость

Зерновые и бобовые культуры; говядина, печень, свинина, баранина; сыр; рыба — треска, тунец, лосось и др. Синтезируется микрофлорой кишечника

1—2

В 12   (цианкобаламин)

Злокачественная анемия

Печень рыб, свиней, крупного рогатого скота. Синтезируется микрофлорой кишечника

0,001 — 0,003

РР (никотиновая кислота)

Заболевание пеллагрой, воспаление кожи, понос, поражение слизистых оболочек полости рта и языка, нарушение психики

Говядина, печень, почки, сердце; рыба — лосось, сельдь; зародыши зерен пшеницы и др.

15

Витамины должны поступать в организм постоянно и в достаточном количестве. Однако их содержание в пищевых продуктах непостоянно (в зависимости от сроков хранения и технологии приготовления пиши) и не всегда обеспечивает потребности организма. При длительном хранении овощей и фруктов содержание в них витаминов снижается. Разрушаются витамины в продуктах и под воздействием высоких температур. Витамин С, например, разрушается при контакте даже с атмосферным воздухом.

Дня предупреждения авитаминозов, повышения устойчивости организма к инфекционным заболеваниям необходимо в зимне-весенний период принимать специальные витаминные препараты.

sbio.info

Обмен веществ | Биология

Между организмом и окружающей его средой непрерывно происходит обмен веществами и энергией. Обмен веществ с внешней средой начинается с поступления в организм воды и пищевых продуктов. В пищеварительном канале часть веществ расщепляется до более простых, они переходят во внутреннюю среду организма – в кровь и лимфу. С кровью вещества попадают в клетки. В клетках происходят процессы их химических превращений: обменом веществ называют сложную цепь превращений веществ в организме, начиная с момента их поступления из внешней среды и кончая удалением продуктов распада.

Превращения веществ происходят под действием ферментов и регулируются нервно гуморальным путем. Выделение конечных продуктов обмена веществ происходит с мочой, калом, потом и выдыхаемым воздухом.

В результате обмена организм получает вещества для построения клеток и энергию для жизненных процессов.
Обмен белков. Белки служат основным строительным материалом клеток, с ними связаны многие жизненные функции, такие, как перенос кислорода, иммунные процессы, сокращение мышц.

Все химические реакции в клетках катализируются белками ферментами, из белков построены все органоиды клеток.

Белки бесконечно разнообразны, хотя построены примерно из 20 аминокислот, которые комбинируясь друг с другом, образуют белковые молекулы разного строения. Белки содержатся в продуктах растительного и животного происхождения.

В пищеварительном тракте белки пищи расщепляются до аминокислот, которые поступают в кровь. В клетках из аминокислот синтезируются белки, свойственные организму.

Обмен углеводов. Углеводы служат источником энергии для клеток мозга и мышц. В результате их окисления в тканях образуются углекислый газ и вода, и освобождается большое количество энергии. Сложные углеводы расщепляются в пищеварительном канале до более простых, например глюкозы, которая всасывается в кровь. Уровень глюкозы в крови постоянный (0,10–0,15%) и регулируется гормоном поджелудочной железы – инсулином. Благодаря этому гормону избыток глюкозы превращается в животный крахмал – гликоген, запасы которого откладываются в печени и мышцах. Другой гормон поджелудочной железы – глюкагон способствует превращению гликогена в глюкозу при ее недостатке в крови, т. е. оказывает противоположное действие. При недостатке инсулина возникает тяжелое заболевание, при котором глюкоза накапливается в крови. Часть ее непрерывно удаляется с мочой, поэтому заболевание называют сахарным диабетом. До искусственного получения инсулина это заболевание было смертельным. Теперь больным регулярно вводят гормон инсулин, а из рациона больного исключаются углеводы.

Углеводы содержатся во многих растительных продуктах: в зернах злаков, картофеле, ягодах и фруктах.

Обмен жиров. Откладываясь в запас в соединительнотканных оболочках, жиры препятствуют смещению и механическим повреждениям органов. Подкожный жир плохо проводит тепло, что способствует сохранению постоянной температуры тела. При расщеплении 1 г жира освобождается в 2 раза больше энергии, чем при расщеплении 1 г белков или углеводов.

Жиры пищи расщепляются в пищеварительном тракте до глицерина и жирных кислот, которые попадают в лимфу, а затем в кровь. С пищей необходимо потреблять жиры как животного, так и растительного происхождения. Жидкие растительные жиры содержат незаменимые компоненты, которых нет в жирах животного происхождения.

Большая часть жиров откладывается в запас. Запасы жиров используются в организме при недостатке пищи и затратах энергии.

Превращение в организме органических соединений. Процессы обмена веществ в организме взаимосвязаны. Белки могут превращаться в жиры и углеводы, а некоторые углеводы — в жиры. В свою очередь, жиры могут стать источником углеводов, а недостаток углеводов может пополняться за счет жиров и белков. Следовательно, если в организме недостает одних веществ, то они могут образовываться из других.

Недостаток белков в пище невосполним, так как они строятся только из аминокислот, а аминокислоты не все образуются в организме. Недопустимо белковое голодание для растущего организма.

Людям необходима пища как животного, так и растительного происхождения. Белки растений не содержат всех необходимых человеку аминокислот, нужных для образования характерных для человека белков. В продуктах животного происхождения — мясе, рыбе, яйцах, молоке — состав аминокислот соответствует потребностям организма.

1. Что называют обменом веществ. 2. Какова роль белков в организме? 3. Как происходит обмен белков? 4. Как происходит обмен углеводов? 5. Как регулируется постоянство глюкозы в крови? 6. Какова роль жиров в организме? 7. Назовите продукты, содержащие белки. 8. Почему людям необходима пища как животного, так и растительного происхождения?

blgy.ru

Обмен веществ и энергии в клетке. Энергетический обмен

За счет чего клетка обеспечивается энергией?

Общая характеристика обмена веществ и энергии. Обмен веществ и энергии, или метаболизм (от греч. metabole – перемена), – процесс, который лежит в основе всех явлений жизни.

Все известные науке живые организмы представляют собой открытые системы, постоянно обменивающиеся веществом и энергией с окружающей средой. Энергия нужна для биосинтеза сложных органических веществ, свойственных каждой клетке (аминокислоты, сахара, нуклеотиды, липиды, белки, нуклеиновые кислоты), которые используются для построения различных клеточных структур и обеспечения процессов жизнедеятельности. Для получения энергии многие живые организмы расщепляют и окисляют сложные органические соединения.

Клетка, так же как и организм, – открытая живая система, поэтому она может функционировать только в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой.

Обмен веществ осуществляется в три этапа:

  • поступление веществ в клетку;
  • использование этих веществ клеткой;
  • выделение конечных продуктов обмена в окружающую среду.

Процесс использования поступивших в клетку веществ представляет собой совокупность всех химических реакций, протекающих в клетке. Различают две стороны обменных процессов: пластический и энергетический обмены.

Пластический обмен, или анаболизм (от греч. anabole – подъем), представляет собой совокупность реакций биосинтеза (фотосинтез, биосинтез белка, хемосинтез), протекающих с затратами энергии и обеспечивающих клетку структурным материалом.

Энергетический обмен, или катаболизм (от греч. katbole – сбрасывание, разрушение), – это совокупность биохимических реакций расщепления и окисления сложных органических веществ, обеспечивающих клетку энергией.

Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны между собой: все реакции пластического обмена требуют затрат энергии, накопленной в процессе энергетического обмена, а для протекания реакций энергетического обмена необходимы органические вещества и ферменты (образуемые в процессе пластического обмена).

Энергетический обмен. Все организмы получают энергию в результате окисления органических соединений. Окислением называют потерю электронов каким-либо атомом или потерю атомов водорода молекулой, а также присоединение к молекуле атомов кислорода. Реакции окисления сопровождаются выделением энергии. Особенно много энергии выделяется при окислении органических соединений, так как в их молекулах электроны находятся на высоких энергетических уровнях, а значит, обладают большим запасом энергии.

Одним из основных источников энергии для всех клеток является глюкоза. В клетках растений глюкоза образуется в процессе фотосинтеза (подробнее о фотосинтезе будет рассказано в § 14). В клетках животных и грибов глюкоза образуется при расщеплении органических веществ, поступающих в организм вместе с пищей. Поскольку запасным питательным веществом, образующимся в ходе полимеризации молекул глюкозы в растительных клетках, является крахмал, а в клетках животных и грибов – гликоген, то эти вещества и представляют собой энергетический запас клеток. При нехватке углеводов в клетке с целью получения энергии могут использоваться жиры и даже белки.
Энергетический обмен в клетке осуществляется поэтапно.

Этапы энергетического обмена. Энергетический обмен в клетках большинства аэробных организмов в присутствии кислорода состоит из трех последовательных этапов: подготовительного, бескислородного и кислородного. На этих этапах органические вещества постепенно расщепляются до простых, бедных энергией неорганических соединений, например до углекислого газа и воды.

Первый этап – подготовительный. На этом этапе сложные органические вещества, поступившие в организм с пищей, с помощью ферментов расщепляются на более простые. При этом освобождается незначительное количество энергии, которая рассеивается в виде тепла. Белки расщепляются до аминокислот, жиры – до глицерина и жирных кислот, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов, полисахариды – до моносахаридов. Расщепление сложных полисахаридов до глюкозы происходит с помощью ферментов в желудочно-кишечном тракте и в лизосомах клеток.

Второй этап – бескислородный, или гликолиз (от греч. glykys – сладкий, lysis – растворение, разложение). Бескислородный этап осуществляется в цитоплазме клеток и протекает в нескольких последовательных реакциях.

Конечные продукты гликолиза одной молекулы глюкозы – две молекулы пировиноградной кислоты (C3h5O3), две молекулы АТФ и атомы водорода:

C6H12O6 → C3H4O3 + 4H + 2АТФ

Процесс происходит в несколько стадий и сопровождается выделением энергии, часть которой (40%) используется для синтеза двух молекул АТФ, а остальная энергия (60%) рассеивается в виде тепла.

Энергия выделяется постепенно, порциями. Моментальное освобождение энергии привело бы клетку к гибели в результате перегревания.

У млекопитающих гликолиз наиболее интенсивно протекает в клетках скелетных мышц, печени, сердечной мышцы, эритроцитах, а также в клетках раковых опухолей.
Дальнейшее превращение пировиноградной кислоты зависит от того, присутствует или отсутствует кислород в клетке.

По механизму, аналогичному гликолизу, в клетках некоторых организмов протекает процесс брожения. Например, при отсутствии кислорода в растительных клетках и в клетках дрожжей происходит спиртовое брожение с образованием этилового спирта (C2H5OH) и углекислого газа. В животных клетках и в клетках некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение, в результате которого пировиноградная кислота превращается в молочную (C3H6O3).

Брожение не дает дополнительного энергетического эффекта. Значительная часть энергии, заключенной в молекуле глюкозы, в процессе брожения так и не извлекается, а остается в конечных продуктах брожения – этиловом спирте или молочной кислоте. Именно поэтому брожение (его еще называют анаэробным процессом окисления, так как оно идет без участия кислорода) считается малоэффективным процессом. Для организмов, обитающих в условиях пониженного содержания кислорода или его полного отсутствия, брожение – единственный источник получения энергии.

Брожение играет важную роль в круговороте веществ в природе. Процессы брожения широко применяются в практической деятельности людей. В течение многих веков спиртовое брожение используется в виноделии, пивоварении, хлебопечении, для производства растворителей и т. д.

Если в клетках присутствует кислород, то пировиноградная кислота поступает в митохондрии для полного окисления в ходе аэробного дыхания.

Третий этап – кислородный – протекает в митохондриях. Он начинается в матриксе митохондрий в виде сложных циклических реакций, получивших название цикла Кребса по имени ученого, открывшего данную последовательность ферментативных реакций.

На кристах митохондрий протекают реакции окислительного фосфорилирования. Открытие окислительного фосфорилирования принадлежит русскому ученому В. А. Энгельгардту.

Общая реакция кислородного расщепления (в расчете на одну молекулу глюкозы) выглядит следующим образом:

3C3H4O3 + 6O2 + 3АДФ + 36H3PO4 → 6CO2 + 3АТФ + 42H2O

В 36 молекулах АТФ запасается 55% энергии, освобожденной в процессах аэробного (кислородного) дыхания, а 45% энергии рассеивается в виде тепла.

Кислородный этап окисления органических соединений является клеточным дыханием, или биологическим окислением, в результате которого сложные органические вещества окисляются кислородом до конечных продуктов – углекислого газа и воды с освобождением энергии, запасаемой клетками в виде АТФ.

Таким образом, в ходе всего энергетического обмена глюкоза окисляется с образованием воды и углекислого газа, а энергия, первоначально запасенная в молекулах глюкозы, используется на синтез АТФ:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + энергия

Значение дыхания заключается в запасании энергии, а точнее, в образовании молекул АТФ, обеспечивающей все жизненные процессы клетки.

Вопросы и задания

  1. В чем заключается взаимосвязь энергетического и пластического обменов?
  2. Какие процессы обеспечивают клетку энергией?
  3. Какие вещества являются основным источником энергии в клетке? Почему?
  4. Вспомните из предыдущих разделов биологии, каким образом в животную клетку поступает глюкоза. Как обеспечиваются глюкозой растительные клетки?
  5. При каких условиях протекает гликолиз? Какие конечные продукты образуются в результате гликолиза?
  6. Какое превращение происходит с пировиноградной кислотой в живых клетках при недостатке кислорода?
  7. Что является результатом кислородного расщепления?
  8. Сравните процесс дыхания с процессом горения. В чем преимущества процесса окисления перед процессом горения?

blgy.ru

Обмен веществ в клетке | Биология

Обмен веществ

Обмен веществ, или метаболизм, – это важнейшее свойство живого, проявляющееся на разных уровнях его организации. Благодаря обмену веществ обеспечиваются рост, размножение, взаимосвязь с окружающей средой и другие проявления жизнедеятельности организма. Однако все процессы обмена веществ определяются химическими реакциями, протекающими в живой клетке. Поэтому, характеризуя обмен веществ на молекулярном уровне, отмечают, что он представляет собой совокупность химических реакций, обеспечивающих синтез сложных молекул, обновление цитоплазмы (ассимиляция, анаболизм) и распад молекул с высвобождением энергии (диссимиляция, катаболизм).

Ассимиляция и диссимиляция противоположны по направлению потока реакций, но тесно взаимосвязаны между собой, так как во всех процессах обмена накапливаются, тратятся и преобразуются вещества и энергия. Этот сложный комплекс физико-химических преобразований, протекающих в клетке, реализует процессы жизнедеятельности организма в его взаимосвязи с внешней средой.

Обмен веществ и энергии (метаболизм) – это совокупность химических реакций, протекающих в клетке и обеспечивающих веществом и энергией все процессы жизнедеятельности организма.

Из внешней среды в клетку поступают питательные вещества и энергия, а из нее удаляются ненужные (конечные) продукты обмена. Это свидетельствует о том, что клетка является открытой биосистемой.

Ассимиляция (анаболизм)

Ассимиляция (анаболизм) являет собой эндотермический процесс уподобления поступающих в клетку соединений веществам самой клетки. Это созидательный этап метаболизма. Реакции ассимиляции представлены синтезом органических веществ, происходящим при участии ферментов в цитоплазме, ядре и органоидах клетки. Анаболическими являются процессы биосинтеза, хемосинтеза, фотосинтеза (у хлорофиллсодержащих растений и бактерий), репликации, полимеризации и многие другие созидательные пути. В живой клетке эти процессы идут непрерывно. Благодаря ассимиляции клетка создает (и обновляет) себя. Поэтому процесс ассимиляции называют пластическим обменом.

Синтетические процессы особенно интенсивно идут в молодой, растущей клетке. Однако и у зрелых клеток, закончивших рост и развитие, постоянно синтезируются новые молекулы для замены приходящих в негодность в процессе функционирования или разрушения, повреждения, гибели (апоптоз, некроз) клеток. Именно поэтому в процессе жизнедеятельности путем обмена веществ клетка сохраняет свою форму и химический состав всех частей.

Диссимиляция (катаболизм)

Диссимиляция (катаболизм) – противоположный ассимиляции тип реакций в клетке, представляющий совокупность процессов расщепления. Сложные вещества распадаются на более простые, высокомолекулярные – на низкомолекулярные, полимеры – на мономеры и пр. Катаболизм – это экзотермический процесс, непрерывно поставляющий клетке энергию, необходимую для процессов ее жизнедеятельности. Именно в этом заключается главное биологическое значение реакций расщепления, а сам катаболизм называют энергетическим обменом. Обобщенная схема этого процесса показывает, что на каждом этапе биологического окисления в клетке образуется значительное количество энергии.

Схема биологического окисления углеводов, белков и жиров в клетке (штриховкой обозначены процессы, протекающие в митохондрии)

Ассимиляция и диссимиляция находятся между собой в тесной неразрывной связи. Эта связь заключается в том, что для реализации молекулярных процессов биосинтеза требуется энергия, которая поступает от реакций расщепления. Например, в клетках постоянно поддерживается равновесие между АТФ-производящими и АТФ-потребляющими процессами. Такая равновесная концентрация тех и других процессов характеризует сбалансированное энергетическое состояние клетки и обеспечивает нормальную регуляцию ее метаболизма. Нельзя забывать и того, что в ходе катаболизма часто возникают такие продукты, которые используются для ассимиляционных реакций, то есть используются в качестве строительного материала в процессах синтеза.

Обе стороны обмена веществ – анаболизм и катаболизм – тесно связаны между собой в пространстве и во времени. Обычно в нормально функционирующей клетке стадия катаболических (диссимиляционных) превращений является исходной стадией анаболизма (ассимиляции).
Регуляция обмена веществ

В процессе эволюции клетки организмов выработали регуляторные системы, обеспечивающие высокую степень упорядочения и согласованности метаболических реакций, позволяющие им адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды. Большое значение в регуляции обменных процессов имеет строгая упорядоченность в размещении молекул и ферментов в клеточных структурах, определенная избирательная проницаемость мембран, а также четкое разграничение функций, выполняемых всеми внутриклеточными структурами, особенно их мембранными поверхностями. Все это оказывает большое влияние на осуществление обмена веществ в нормальном режиме, свойственном организмам того или иного вида. Поэтому регуляция обменных процессов – важное условие в жизни клетки и организма в целом. В процессах обмена веществ большую роль играет генетическая информация.

Роль генетической информации в метаболизме

Все реакции синтеза и расщепления: ступенчатые, матричные, электрон-транспортные и многие другие – находятся под генетическим контролем. Генетическая информация реализуется в процессах обмена веществ.

Гены контролируют процессы биосинтеза через транскрипцию («списывание» иРНК с матрицы ДНК) и трансляцию структуры молекул белков, участвующих в метаболических процессах. При этом одни гены отвечают за синтез иРНК, рРНК, тРНК и рибосом, которые «обслуживают» процесс трансляции, а другие контролируют воспроизводство структуры полипептидных молекул белков. Белки-ферменты и различные структурные белки «обслуживают» процессы синтеза и процессы расщепления. При этом для каждого вида организмов характерен свой, особый, генетически закрепленный тип обмена веществ, обусловленный факторами среды его существования.

Несмотря на то что процессы ассимиляции и диссимиляции идут в разных молекулярных и клеточных структурах и разделены во времени, генетическая информация является главным организатором всех этих процессов метаболизма.

Матричный характер реализации процессов синтеза служит одним из способов генетической регуляции обменных процессов. Такие реакции, как репликация ДНК, транскрипция и трансляция (матричные реакции), неизвестны в неорганической и органической химии. В основе матричных реакций лежит особый механизм. Здесь происходит направленное, наперед заданное концентрирование молекул в определенном месте клетки, на матрице, где осуществляется реакция. В этом случае скорость реакции оказывается неизмеримо более высокой, чем та, которая бы определялась концентрацией вещества в единице объема.

Матричный синтез обеспечивает строго специфическую последовательность мономерных звеньев в синтезируемых полимерах. Если бы такие реакции осуществлялись путем случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно и, возможно, не очень точно. Матричный подход способствует наиболее рациональному решению подобной задачи.

Роль матрицы в матричных реакциях играют макромолекулы ДНК или РНК. На каждой матрице может происходить сборка только какого-либо одного полимера, но число копий неограниченно – от одной до многих сотен. Кроме живой клетки, этот высокоэффективный тип химических реакций еще нигде в природе не был обнаружен и является исключительным свойством живой материи.

Матричный тип реакций – это специфическая особенность молекулярных биосистем.

Регулирующая роль ферментов в клетке

Все биохимические процессы в клетке при благоприятных условиях протекают слаженно, одна реакция идет вслед за другой. Такая упорядоченность осуществления сложных биохимических процессов во многом зависит от наличия и функционирования в клетке определенных регуляторов (от лат. regulo – направляю, упорядочиваю), которые стимулируют или подавляют, то есть реализуют, правильность протекания тех или иных процессов, ускоряя или замедляя их.

Такими регуляторами являются ферменты. Их часто называют биологическими катализаторами. Благодаря ферментам все биохимические реакции идут в упорядоченном виде.

Участие фермента проявляется в том, что, соединяясь с молекулой исходного вещества – субстратом, он образует с ней некий комплекс, который обеспечивает протекание нужной реакции. По завершении реакции этот комплекс распадается на продукт реакции и фермент. Сам фермент при этом не изменяется и может вновь взаимодействовать с новой молекулой субстрата. Роль фермента в химических реакциях показана на схеме:

Исходная молекула (Субстрат) + Фермент → Фермент-субстратный комплекс (Фермент + Субстрат) → Продукт реакции + Фермент

Коферменты, или коэнзимы, – это органические соединения небелковой природы, входящие в состав активного центра некоторых ферментов, образуя каталитически активные комплексы. Служат переносчиками отдельных атомов или групп атомов, отщепляемых ферментами от субстрата. Большинство коферментов являются производными витаминов и обычно синтезируются из витаминов, поступивших в цитоплазму из внешней среды (с пищей). Сами коферменты, как и ферменты, в химических реакциях не участвуют, но способствуют их протеканию. В таблице представлены коферменты, участвующие в клеточном дыхании, и витамины, из которых они синтезируются.

Коферменты клеточного дыхания и их источники Витамины (от лат. vita – жизнь) также очень важны для нормального протекания биохимических реакций. Сами витамины не являются материалом метаболизма или источником энергии. Но они участвуют в синтезе коферментов. Поэтому их тоже относят к регуляторам молекулярных процессов жизнедеятельности.

Гормоны (от греч. hormao – привожу в движение, побуждаю) и фитогормоны как и витамины, являются гуморальными факторами контроля всех видов биохимических реакций, влияя на активность ферментов. Они оказывают заметное биорегуляторное воздействие при очень низких концентрациях.

Как мы видим, регуляторов молекулярных процессов метаболизма в живой клетке очень много. Их большое количество, функциональное разнообразие и точная направленность на выполнение конкретного воздействия в процессах ассимиляции и диссимиляции – результат длительной эволюции живой природы в ее тесном взаимодействии с неживым веществом планеты.

blgy.ru

Обмен веществ

Обмен веществ – процесс достаточно сложный. Характеризуется он осуществлением превращения в организме химических компонентов. Этот процесс способствует деятельности, росту, развитию и жизни организма в целом. Энгельс, характеризуя обмен веществ, говорил о том, что это главный жизненный признак, и отмечал, что с прекращением процесса остановится и жизнь. При превращении химических компонентов образуется энергия, необходимая для обеспечения жизнедеятельности.

Обмен веществ, как известно, состоит из двух противоположных процессов, протекающих в одно время.

Диссимиляция (катаболизм) включает реакции, обусловленные распадом продуктов, их окислением и последующим выведением компонентов распада. Ассимиляция (анаболизм) подразумевает все реакции, которые связаны с синтезом нужных организму элементов, их усвоением и применением для развития, роста, жизнедеятельности.

Обмен веществ — комплекс энергетических и биохимических процессов, который обеспечивает применение пищевых компонентов для нужд организма, удовлетворяет его потребности в энергетических и пластических продуктах.

В пищеварительной системе вещества (углеводы, жиры, белки и прочие высокомолекулярные соединения) расщепляются на более простые соединения (низкомолекулярные). Последние после проникновения в кровь и ткани подвергаются последующим превращениям: окислительному фосфолированию, аэробному окислению и прочим.

Необходимо отметить, что в каждом живом организме протекают различные биохимические процессы. При этом в неживых телах не происходит замещение атомов и молекул, их составляющих.

При проведении исследований с внедрением меченых атомов в организм животных было установлено, что обменные процессы во всех клетках и тканях происходят непрерывно. При этом не выявлено каких-либо ограничений между «энергетическими» и «строительными» молекулами. Их движение в равной степени составляет основной обмен веществ.

Установлено, что в среднем у человека половина всех белков ткани изменяется каждые восемьдесят суток. Ферменты печени (для этого органа характерно наличие наиболее интенсивных реакций) обновляются каждые два или четыре часа. Есть некоторые элементы, обновление которых происходит через каждые несколько десятков минут.

Обменные процессы обеспечивают динамическое равновесие живому организму как системе. При этом процессы синтеза и разрушения, гибели и размножения сбалансированы. Неправильный обмен веществ сопровождается нарушением баланса. Это, в свою очередь, приводит к расстройству деятельности систем и органов.

Основу реакций обмена веществ составляют взаимодействия молекул и атомов на физико-химическом уровне. Эта взаимосвязь подчинена единым законам для неживой и живой материи.

Обменные процессы неразрывно связаны с обменом энергией. Живые организмы считаются открытыми системами (с энергетической точки зрения). В зависимости от среды, окружающей организм, внутри него (организма) происходит формирование энергии. Таким образом, существование обеспечивается при условии непрерывного поступления энергии извне.

Для человека и животных первичным энергетическим источником является излучение Солнца. Благодаря его воздействию происходит и образование пищи.

Пища имеет разнообразный и сложный состав. Больше всего в ней основных питательных компонентов – макронутриентов. К ним относят углеводы, жиры, белки. В пище присутствуют также и минеральные компоненты (макроэлементы). К ним относят натрий, фосфор, кальций и прочие. Присутствуют в пище и микроэлементы: селен, марганец, йод, цинк, кобальт, медь и прочие. Вместе с витаминами микроэлементы относятся к классу микронутриентов.

fb.ru

В чем состоит биологическая роль обмена веществ – Понятие «обмен веществ». Роль обмена веществ в жизнедеятельности организма.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *