Краткое содержание: Параграф § 21 / Биология 10 класс

Обмен веществ (Метаболизм) и его компоненты: Пластический и Энергетический обмен

Жизнедеятельность всех организмов, обладающих клеточным строением, неразрывно связана с постоянным обменом веществ и энергией с окружающей средой. Такие системы, которые непрерывно обмениваются энергией и веществом, называют открытыми биологическими системами. Энергия необходима клеткам для осуществления синтеза сложных органических молекул, выполнения различных видов работы (например, движения, выделения продуктов обмена) и поддержания внутренних процессов. Клетки получают эту энергию в результате окисления органических соединений, поступающих с пищей. В ходе химических реакций разложения сложных веществ до более простых, высвобождающаяся энергия запасается в форме молекул универсального энергетического соединения — аденозинтрифосфата (АТФ). Эти процессы совокупности реакций, связанных с высвобождением и запасанием энергии, носят название энергетический обмен, или диссимиляция (катаболизм). В то же время в клетке постоянно протекают реакции синтеза, в ходе которых из низкомолекулярных соединений (аминокислот, моносахаридов, жирных кислот, нуклеотидов) образуются свойственные данному организму сложные органические вещества — биополимеры (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты) и другие необходимые молекулы (липиды, витамины). Эти процессы, требующие затрат энергии и направленные на создание структур и выполнение функций клетки, называются пластическим обменом, или ассимиляцией (анаболизмом).

Энергетический и пластический обмены протекают в клетке постоянно, часто одновременно, и тесно взаимосвязаны. Промежуточные продукты, образующиеся в ходе реакций энергетического обмена, могут использоваться в качестве исходных соединений для реакций биосинтеза. Энергия, запасенная в макроэргических связях АТФ в процессе диссимиляции, непрерывно расходуется в ходе реакций ассимиляции. Таким образом, катаболизм и анаболизм неразделимы и являются двумя сторонами единого процесса — метаболизма.

Энергетический обмен: Окисление и Запасание Энергии

Преобладающее большинство эукариотических клеток осуществляет энергетический обмен в присутствии кислорода — это аэробное окисление, или клеточное дыхание. Однако существуют организмы, для которых кислород либо не нужен, либо даже токсичен; они получают энергию анаэробным путем (анаэробы). Также есть организмы, способные переключаться между аэробным и анаэробным обменом в зависимости от условий (факультативные анаэробы, например, дрожжи, простейшие). Анаэробный процесс часто включает неполное окисление органических веществ, например, брожение или метаногенез, при котором выделяется значительно меньше энергии, чем при полном аэробном окислении. Например, химический процесс окисления природного газа (метана) может быть проиллюстрирован упрощенным уравнением: \( \mathrm{CH_4} + 2\mathrm{O_2} \to \mathrm{CO_2} + 2\mathrm{H_2O} + \mathrm{энергия \ (тепло)} \).

Основные этапы Аэробного Энергетического Обмена

Полное окисление органических веществ в эукариотических клетках (например, углеводов) включает три основных стадии:

• Подготовительная стадия: Полимеры (белки, жиры, полисахариды) распадаются на мономеры (аминокислоты, глицерин и жирные кислоты, глюкоза) в лизосомах или пищеварительной системе. Энергия, выделяющаяся на этом этапе, рассеивается в виде тепла.
• Бескислородная стадия (гликолиз): Мономеры (например, глюкоза) подвергаются неполному окислению в цитоплазме. Из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), а также две молекулы АТФ и две молекулы восстановленного кофермента НАДH. Энергия, выделяемая на этой стадии, сравнительно мала.
• Кислородная стадия (клеточное дыхание): Происходит в митохондриях. ПВК, образовавшаяся на предыдущей стадии, поступает в митохондрии и подвергается полному окислению до углекислого газа (\( \mathrm{CO_2} \)) и воды (\( \mathrm{H_2O} \)). В этом процессе ключевую роль играют переносчики водорода: НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и ФАД (флавинадениндинуклеотид). Восстановленные формы \( \mathrm{НАДH} \) и \( \mathrm{ФАДH_2} \) передают электроны и протоны водорода по цепи переноса электронов на внутренней мембране митохондрий, в процессе окислительного фосфорилирования. Конечным акцептором электронов и протонов является кислород, который восстанавливается до воды. Энергия, высвобождаемая при транспорте электронов, используется для синтеза большого количества молекул АТФ (36 молекул АТФ из 1 молекулы глюкозы, полностью окисленной на этой стадии), что делает эту стадию наиболее энергоэффективной.

Таким образом, клеточный обмен веществ — это сложный, неразрывный и четко регулируемый процесс, обеспечивающий организм как строительным материалом, так и энергией для поддержания жизни.

Соотношение Ассимиляции и Диссимиляции

Интенсивность пластического и энергетического обмена в организме может меняться. В растущих организмах (например, молодых животных, растениях в период вегетации) преобладает пластический обмен (ассимиляция) над энергетическим (диссимиляцией), что приводит к росту и накоплению веществ. У взрослых, стареющих организмов, а также в условиях недостатка питания (например, у животных в зимней спячке) может преобладать энергетический обмен (диссимиляция) над пластическим, что приводит к расходованию накопленных запасов и уменьшению массы тела.