Что такое обмен веществ и энергии в биологии кратко

Обновлено: 04.07.2024

Цель урока: представлять схему обмена питательных веществ в организме, значение воды и минеральных веществ для нормальной жизнедеятельности, общую характеристику обмена энергии, основной обмен и рабочую прибавку, пути повышения теплопродукции, знать роль витаминов их классификацию и возможные заболевания.

План изложения нового материала

1. Общая характеристика обмена веществ и энергии

2. Виды обмена веществ: водно-солевой обмен, белков, углеводов, жиров

4. Распад и окисление питательных веществ

Общая характеристика обмена веществ и энергии

В организм человека поступают вещества (белки, жиры, углеводы), витамины, вода и минеральные соли. Кислород воздуха проникает в кровь через легкие, частично — через кожу. Они необходимы клеткам и тканям, в которых происходят биохимические процессы, образуются специфические вещества (полезные и вредные) и энергия Продукты обмена веществ (экскреты) выводятся через почки, легкие, кожу и органы желудочно-кишечного тракта.

Обмен веществ и энергии ( метаболизм) — это совокупность физиологических процессов , направленных на обеспечение организма необходимыми для его жизнедеятельности веществами, их превращение и использование для получения энергии и построения клеточных структур, и в конечном итоге на удаление во внешнюю среду ненужных продуктов происшедших реакций. Метаболизм — это превращение в организме сложных веществ в простые и удаление продуктов распада.

Метаболизм связан с процессами синтеза и распада различных структур. В клетках образуются разнообразные вещества, используемые для построения, обновление структур клеток Синтез новых веществ проходит с затратой энергии . Процесс синтеза веществ называется анаболизмом, ассимиляцией . Это пластический обмен веществ , которому необходима энергия ,она образуется при распаде сложных полимеров на мономеры, воду, углекислый газ.

Реакции расщепления питательных веществ с выделением энергии , называется катаболизмом, диссимиляцией . Они сопровождаются энергетическим обменом веществ с участием ферментов.
Метаболизм включает процессы анаболизм и катаболизм, которые происходят в организме постоянно в течение всей жизни .Процессы анаболизма преобладают в детском возрасте, необходимы для роста. Преобладание процессов диссимиляции ведут к истощению, старению, гибели организма.
Питательные вещества, минеральные соли имеют определенное значение для организма, для них характерны свои процессы метаболизма, витамины играют в основном роль катализаторов биохимических процессов, так как большинство из них входят в состав ферментов.

Обмен воды и минеральных солей.

Обмен воды. На долю воды в организме приходится в среднем 65-70% массы тела. В разных органах процент воды отличается.

в костях около 20%

в головном мозге около 95%

Вода бывает внеклеточная и внутриклеточная. Около 300 мл образуется в организме в результате метаболизма.
С продуктами питания, при питье в сутки необходимо 1,5-2,5 л воды, такое же количество воды должно удаляться из организма: с потом 0,5л , с мочой 1,5л , при дыхании 0,5л ,с калом 0,1 л, что зависит от окружающей температуры воздуха

Вода выполняет жизненно важные функции:

1) растворитель веществ для метаболитических процессов

2) с водой в организм поступают минеральные вещества, водорастворимые витамины

3) участвует в терморегуляции, выделяясь с потом

4) участвует в биохимических процессах

Нарушение водного обмена связано с а) обезвоживанием организма при кровотечении, рвоте, диарее, опасно для жизни б) задержка в организме с образованием отеков, асцита. В подкожно-жировой клетчатке задержка воды - анасарка.

Минеральные вещества выполняют разнообразные функции..Общий вес минеральных веществ 4-5% от массы тела

регулирует кислотность и осмотическое давление крови, проводят импульсы

процессы возбуждения и торможения

поддерживает водно-солевой обмен влияет на работу мышц, миокарда, проводит нервные импульсы

картофель,греча,яблоки,абрикосы, курага, хлеб, мясо

процессы возбуждения и торможения

сердечнососудистую систему, передача нервных импульсов в синапсах, в гемостазе

молочные продукты, яйца, греча,горох,лук

сердечнососудистые, костной системы

нуклеиновые кислоты ,костной системе

зерновые и бобовые продукты

кроветворение, образование гемоглобина, процесс дыхания

костеобразование, обмен углеводов, сосудорасширяюшее действие, деторождение , снижает нервное возбуждение, улучшает половую функцию

глухота, деформация суставов

образование гормонов щитовидной железы

морская рыба и морские продукты питания, салат иодированный(красный),шампиньоны

построение зубов, костей

морские продукты, чай,изюм, тыква,просо,орех

для функции половых желез, кроветворения, в состав ферментов

аллергия, инфекционные болезни, пятна на ногтевых пластинках

кроветворения, тканевого дыхания, образование коллагена, меланина, в состав ферментов

мясо,рыба, продукты моря,греча,овсянка,картофель,орех

анемия, облысение, дерматозы

влияет на выработку иммунитета,задерживает развитие онкоклеток, для образования семенной жидкости

морская рыба и морские продукты, печень,мясо, яйца,дрожжи,подсолнух

регулирует обмен холестерина,образование инсулина

нарушение функции ногтей, волос,кожи,костей

для построение костей, эмали,половых гормонов,ЖВС,

остеопороз, эрозия и рак женских половых органов

для щитовидной железы, ЦНС(успокаивает

сердечнососудистую систему, снижает уровень холестерина, улучшает зрение

сахарный диабет, атеросклероз

кроветворение,образование витаминаВ12,всостав ферментов,

кроветворение,ЖВС,снижает артериальное давление крови,

чечевица, бобовые,груша, кукуруза,

влияет на иммунитет

бактерицидное,противовоспалительное,вяжущее действие, как антибиотик

Обмен белков.

"Жизнь — есть способ существования белковых тел" Ф.Энгельс. Все живое состоит из азотсодержащих веществ белков. Это полимеры-полипептиды, состоящие из мономеров- аминокислот (10 являются заменимыми, 10 незаменимыми).
Заменимые аминокислоты могут образовывать из других аминокислот, незаменимые должны поступать с пищей. Белки пищи, содержащие полный набор аминокислот, называются полноценными животного происхождения. Отсутствие в пищевом рационе даже одной аминокислоты приводит к заболеваниям.

Переваривание белков начинается в желудке под действием пепсина, он расщепляет их на молекулы меньшего размера.

В тонкой кишке ферменты кишечного и панкреатического соков (трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза, аминопептидаза) расщепляют белки до аминокислот, которые и всасываются в кровь в тонкой кишке. С током крови они проходят через печень, где гепатоциты синтезируют из аминокислот белки крови свертывающей системы( протромбин). Аминокислоты переносятся ко всем органам и тканям. для построения собственных белков, специфичных для организма. Синтез белков (первичная структура ) происходит на рибосомах под действием ферментов, затем образование вторичной, третичной структуры в комплексе Гольджи.

Белки азотсодержащие вещества. Организму в сутки необходимо 100— 110 г белка. Соотношение количества азота, поступившего в организм и удаленного из него, называют азотистым балансом. У взрослого человека в норме количество белка, поступившего в организм, равно количеству распавшегося. Это соотношение можно определить понятием азотистое равновесие. В детском возрасте для роста ребенка необходимо больше белков, чем выделяется , как и больным при выздоровлении. Это положительный азотистый баланс . В старческом возрасте, при длительном голодании и у ослабленных больных преобладает распад белков над его поступлением — это отрицательный азотистый баланс, или азотистый дефицит .

1)пластическая, входят в состав всех клеток, тканей

2)ферментативная - ферменты - это белки

3)регуляторная , гормоны , медиаторы - это белки Гормон роста (соматотропин), гормоны щитовидной железы (тироксин, трийодтиронин) оказывают анаболическое действие на метаболизм белков.

4)энергетическая , при расщеплении 1 г белка образуется 4,1 ккал тепла

5)специфические функции (актин и миозин в мышечной ткани выполняют сократительную, фибриноген сыворотки крови — свертывающую, иммуноглобулины крови — защитную и т.д.

Белки не депонируются в организме и при их дефиците происходит разрушение белков, они участвуют преимущественно в пластическом обмене. Конечный распад белков приводит к образованию воды, углекислого газа и аммиака, который затем преобразуется в мочевину.

Обмен углеводов

Углеводы поступают в организм в основном в виде полисахаридов (крахмала и гликогена) и дисахаридов (например, сахарозы). Ферменты слюны амилаза и мальтаза , кишечного и панкреатического сока продолжают действовать на углеводы и расщепляют их до моносахаридов (глюкоза, фруктоза.), которые всасываются в кишечнике. По воротной вене глюкоза поступает в печень, где образуется гликоген, полимер глюкозы. При мышечной нагрузке гликоген расщепляется на моносахариды, которые поступают в кровь, к органам и тканям Гликоген образуется и в мышечной ткани, во внутренних органах, кроме головного мозга Углеводный обмен регулирует поджелудочная железа, вырабатывающая гормон инсулин, он уменьшает количество сахара в крови. К гормонам, увеличивающим количество глюкозы в плазме крови, относятся адреналин, глюкагон.. Нормальная концентрация глюкозы в крови — 4,2 —6,4 ммоль/л. Понижение уровня глюкозы ниже 4,2 ммоль/л называется гипогликемией. Повышение выше нормы — гипергликемией. Суточное количество углеводов 400-500г.

Функции углеводов:

1. энергетическая функция - при распаде 1 г глюкозы выделяется 4,1 ккал энергии.

2.пластическая функция- излишнее количество углеводов превращается в жиры, жирные кислоты

Конечные продукты выводятся через почки вода и легкие (С0₂).При недостатке глюкозы в крови возникает обморок. Больше других органов в глюкозе нуждается головной мозг.

Обмен жиров.

Жиры плохо растворяются в воде. После обработки пищи в ротовой полости и желудке химус содержит их в виде крупных скоплений, капель. Желчные кислоты, содержащиеся в желчи, эмульгируют жиры, образуют из них мелкие капли и на нейтральные жиры начинают действовать липазы кишечного и панкреатического соков, а на сложные жиры фосфолипиды - фосфолапаза. Жиры расщепляются на жирные кислоты и глицерин., которые всасываются в лимфу ворсинок тонкого кишечника . С током лимфы липиды попадают в кровь ко всем клеткам и тканям. Больше всего липидов в жировой ткани (до 90%) подкожной жировой клетчатке -гиподерме . В сутки необходимо около 100 г жиров. Соотношение белков: жиров: углеводов - 1:1:4.

Употребление большого количества жиров приводит к ожирению, образованию бляшек в сосудах и развитию атеросклероза, нарушению кровотока, образованию камней в желчных путях. Жиры могут синтезироваться из белков и углеводов.

Функции липидов:

1) пластическая - входят в структуры клеток ( мембраны);

2) энергетическая -при их распаде 1 г жира образуется 9,3 ккал

3) гормональная- половые гормоны стероидного происхождения, жироподобные вещества

4) в организм поступают жирорастворимые витамины (A, D, Е, К);

5)терморегуляторная -жиры подкожной жировой клетчатки участвуют в поддержании температурного гомеостаза организма.

6)источник воды-при окислении 100г жира образуется 118 мл. воды.

Витамины делятся на жирорастворимые и водорастворимые. Жирорастворимые витамины поступают в организм с жирами пищи, без которых невозможно их всасывание. Обозначаются витамины латинскими буквами и имеют название. Жирорастворимые витамины A, D, Е, К. Водорастворимые витамины группы В, С.

таблица 14 Витамины

расстройства,заболе-

жирорастворимые витамины

на рост,выработку родопсина

куриная слепота, ксерофтальмия

ультрафиолетовое излучение,яйца,масло,молоко,рыбий жир

злаки, масло, зеленые овощи, шпинат

противостерильный, от бесплодия,на половую систему

крапива,образуется в толстом кишечнике,шпинат, капуста

водорастворимые витамины

антицинготный,повышает сопротивляемость к инфекциям, простуде,на построение коллагена

укрепляет стенку капилляров

синтезируется в кишечнике,мясо,печень,яйца,дрожжи

пеллагра(три Д) дерматит,диарея,деменция. анемия

влияет на нервную систему

синтезируется в кишечнике

синтезируется в желудке,содержится в печени,мясе,яйцах

антианемический,влияет на кроветвореие

синтезируется в толстом кишечнике

В продуктах питания часто находятся провитамины, которые в организме превращаются в активные витамины, например, каротин моркови в ретинол.

Распад и окисление органических веществ в клетках

Для жизнедеятельности организма постоянно требуется энергия. Она образуется при распаде органических соединений — в основном углеводов и жиров, в меньшей степени — белков. Белки нужны организму человека для обеспечения анаболических процессов. Энергия выделяется при разрушении химических связей.

Для окислительных процессов в организме необходим кислород . Дефицит кислорода наблюдается в клетках при чрезмерной физической нагрузки. . При окислении веществ образуется молочная кислота. При значительном накоплении молочной кислоты возникают болезненные ощущения, связанные с закислением внутренней среды организма.

1.Теплопроведение— это отдача тепла через непосредственное соприкосновение тела человека с другими физическими телами (например, одеждой, водой). (15 %)

2.Излучение—это отдача тепла в окружающую среду поверхностью тела посредством инфракрасных волн.( воздух аудиторий нагревается) ( 66%)

Конвекция— способ отдачи тепла при контакте тела с движущимися потоками воздуха.

3. Теплоиспарение - это отдача тепла испарением пота с поверхности тела при физической работе или влаги с поверхности слизистых оболочек (19%.). Количество жидкости за 1 час может выделится при физической работе до 2 литров. 1 мл пота выделяет 0,58 ккал тепла.

Основную роль в теплоотдаче играет кожа. При высокой температуре воздуха кровеносные сосуды расширяются , усиливается потоотделение . При пониженной температуре воздуха сосуды суживаются и тепло сохраняется в организме.
На отдачу тепла имеют значение влажность воздуха, движение ветра, одежда, температура воздуха, физическая работа.

Регуляция обмена веществ

Регуляция теплообмена происходит нейрогуморальным путем.
Центр терморегуляции находится в гипоталамусе (промежуточном мозге, к нему поступают импульсы от терморецепторов, которые воспринимают изменение температуры различных участков тела человека даже на 0,01 градуса. Этот отдел головного мозга включает в себя важные центры обмена веществ: голода и насыщения, жажды, терморегуляции через вегетативную нервную систему. Эндокринная система оказывает решающее влияние на регуляцию обмена веществ и энергии. Гормоны действуют на биохимические превращения непосредственно в клетке, вызывая изменения в функциях всего организма. Соматотропный гормон гипофиза оказывает анаболическое действие, ускоряя синтез пластических веществ, ускоряет рост. Гормоны мозгового вещества надпочечников усиливают окислительные процессы, энергообразование. Тироксин и трийодтиронин (гормоны щитовидной железы) стимулируют синтез белка из аминокислот и разрушение жиров и углеводов .

Обмен веществ ( метаболизм ) — это все превращения веществ в организме, начинающиеся с их поступления извне и заканчивающиеся выведением образовавшихся ненужных и вредных продуктов.

В организм из окружающей среды поступает вода и пищевые продукты. Сложные органические соединения из продуктов питания расщепляются в органах пищеварения под действием ферментов до простых веществ, которые поступают в кровь и транспортируются ко всем тканям. В клетках вещества участвуют в химических реакциях, обеспечивающих организм энергией и строительным материалом для построения и обновления тканей и органов. Непереваренные остатки пищи и продукты обмена выводятся из организма с мочой, калом, потом и выдыхаемым воздухом.

Обмен веществ — это вся совокупность химических процессов, происходящих в организме для поддержания его существования. Все реакции, протекающие в живом организме, можно разделить на две группы и отнести к пластическому обмену или к энергетическому.

Пластический обмен ( ассимиляция , или анаболизм ) — реакции образования сложных органических веществ из простых, протекающие с использованием энергии.

Энергетический обмен ( диссимиляция , или катаболизм ) — процессы расщепления и окисления сложных органических веществ до простых, идущие с высвобождением энергии, запасённой в веществах пищи.

В биологии метаболизм – это совокупность тесно взаимосвязанных процессов, обеспечивающих связь живых организмов с окружающей средой. Цель метаболизма – создание сложных веществ и снабжение организма энергией.

Определение

Метаболизм клетки включает множество химических реакций, происходящих в органеллах и необходимых для поддержания жизни.
Обмен веществ включает два процесса:

катаболизм(диссимиляция, энергетический обмен) – совокупность химических реакций, направленных на распад сложных веществ с образованием энергии;
анаболизм(ассимиляция, пластический обмен) – реакции биосинтеза, при которых с затратой энергии образуются сложные органические вещества.

Рис. 1. Катаболизм и анаболизм.

Оба процесса происходят одновременно и находятся в равновесии. Вещества, участвующие в анаболизме и катаболизме, поступают из внешней среды. Для нормального протекания метаболизма в животной клетке необходимы белки, жиры, углеводы, кислород, вода. В растения должны поступать вода, кислород и солнечный свет.

Диссимиляция и ассимиляция – взаимосвязанные процессы, не происходящие в разрыве друг от друга. Чтобы происходил анаболизм, необходима энергия, которая выделяется в процессе катаболизма. Для расщепления (диссимиляции) необходимы ферменты, которые синтезируются в процессе ассимиляции.

Катаболизм и анаболизм

Диссимиляция может происходить в присутствии или в отсутствии кислорода.
По отношению к кислороду все организмы делятся на два типа:

аэробы– живут только в присутствии кислорода (животные, растения, некоторые грибы);
анаэробы– могут существовать в отсутствии кислорода (некоторые бактерии и грибы).

При поглощении кислорода происходит процесс окисления, и сложные вещества распадаются на более простые. В бескислородной среде происходит брожение. В результате двух этих процессов высвобождается большое количество энергии.

Для аэробных организмов катаболизм проходит в три этапа, описанных в таблице.

Что происходит

Где происходит

Энергия

Ферментативное расщепление органических соединений: белки расщепляются до аминокислот, крахмал – до глюкозы, жиры – до жирных кислот и глицерина

У одноклеточных организмов – в лизосомах, у многоклеточных – в желудочно-кишечном тракте

Небольшое количество рассеивается в виде тепла

Глюкоза расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты (ПВК). При дальнейшем отсутствии кислорода ПВК в процессе брожения распадается либо до этилового спирта (спиртовое брожение), либо до молочной кислоты (молочнокислое брожение) Образование двух молекул АТФ

В цитоплазме клетки

Затраты в виде глюкозы в процессе гликолиза

Окисление ПВК до углекислого газа и воды

Затраты энергии на образование молекул АТФ

Рис. 2. Процесс гликолиза.

Метаболизм анаэробов включает два первых этапа.

которые читают вместе с этой

Анаболизм происходит после подготовительного этапа. Из более простых организмов синтезируются сложные органические вещества, характерные для организма. Например, из аминокислот образуются ферменты, белки-переносчики, пигменты, нуклеиновые кислоты и т.д. Образованные вещества способствуют катаболизму.

В растениях фотосинтез является анаболизмом, а дыхание – катаболизмом. В процессе фотосинтеза образуется глюкоза, которая запасается в качестве энергии и расходуется на построение организма. Дыхание или окисление способствует высвобождению энергии путём расщепления глюкозы до воды и углекислого газа, которые в дальнейшем используются в процессе фотосинтеза.

Рис. 3. Фотосинтез и дыхание растений.

Что мы узнали?

Метаболизм включает энергетический и пластический обмен. В результате первого процесса образуются простые вещества, второй процесс направлен на создание сложных органических веществ, участвующих в катаболизме. Оба процесса параллельны и проходят с затратой энергии.

Обмен веществ — совокупность реакций пластического и энергетического обменов.

Пластический и энергетический обмен, их взаимосвязь.

Пластический обмен (ассимиляция) — совокупность реакций синтеза сложных органических веществ (белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот) из более простых. Энергетический обмен (диссимиляция) — совокупность реакций, обеспечивающих клетку энергией, в ходе которых происходит расщепление и окисление сложных органических веществ.

Этапы обмена веществ:

поступление веществ в организм;
изменение веществ в ходе ассимиляции и диссимиляции;
выведение конечных продуктов обмена.

Водно-минеральный обмен в организме.

Суточная потребность организма в воде в среднем составляет 2-2,5 л. Вода поступает в организм при питье (около 1 л), с пищей (около 1 л), небольшое количество (300— 350 мл) ее образуется в результате окисления органических веществ. Вода всасывается в кишечнике (тонком и толстом), ротовой полости и желудке. Из организма вода выводится с мочой (1,2-1,5 л), с потом (500-700 мл), выдыхаемым воздухом (350-800 мл), калом (100-150 мл).

Минеральные соли в организме могут быть в твердом состоянии в виде кристаллов — Са₃(Р0₄)₂ и СаСО₃ в костной ткани; в диссоциированном состоянии в виде катионов и анионов. Анионы создают фосфатную буферную систему, поддерживающую внутри клеток слабокислую среду (pH 6,9), и бикарбонатную буферную систему, поддерживающую слабощелочную реакцию внеклеточной среды (pH 7,4). Общее количество минеральных солей около 4,5%. Потребности организма в них удовлетворяются продуктами питания. Железа много в яблоках, йода — в морской капусте, кальция — в молочных продуктах. Человеку необходимо постоянное поступление натрия и хлора (до 10 г поваренной соли в сутки). Всасывание солей происходит вместе с водой в толстом кишечнике. Попавшие в кровь минеральные соли доставляются клеткам. Излишки минеральных солей выводятся с мочой, потом и калом.

Обмен белков.

Суточная потребность организма в белках составляет 72-92 г. Источником белков являются преимущественно продукты животного происхождения. По содержанию аминокислоты белки делятся на полноценные (белки молока, мяса, рыбы и др.) и неполноценные, которые не содержат ни одной из незаменимых аминокислот. Особенно важны десять незаменимых аминокислот, не синтезируемых в организме (лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин, аргинин, гистидин).

Протеолитические ферменты расщепляют белки до полипептидов и аминокислот. Аминокислоты всасываются в кровеносные капилляры ворсинок тонкого кишечника и разносятся кровью по организму. В клетках из них образуются белки, свойственные организму. При избытке белки преобразуются в углеводы и жиры. Часть аминокислот, не использованных в синтезе белка, окисляется с освобождением энергии (17,6 кДж на 1 г вещества) и образованием воды, диоксида углерода, аммиака и др. Аммиак в печени превращается в мочевину. Продукты диссимиляции белков выводятся с мочой, потом и частично с выдыхаемым воздухом.

Обмен жиров.

Суточная потребность организма в жирах составляет 81-110 г. Животные жиры поступают в организм в виде сливочного масла, сыра, сметаны, свиного сала; растительные — в виде растительного масла. Липолитические ферменты расщепляют жиры до глицерола и жирных кислот. Жиры всасываются в лимфу, затем поступают в кровь и разносятся по всем клеткам. Часть жира, попавшего в клетки, является строительным материалом. Большая же его часть откладывается в подкожной клетчатке. При окислении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии. Жиры могут синтезироваться из углеводов и белков. Конечные продукты окисления жиров — диоксид углерода и вода, удаляются с выдыхаемым воздухом, мочой, потом.

Обмен углеводов.

В сутки человек должен получать 358—484 г углеводов. Основной их источник — продукты растительного происхождения (картофель, хлеб). Углеводы в организме могут образовываться из белков и жиров. Амилолитические ферменты расщепляют углеводы до дисахаридов и моносахаридов. Моносахариды всасываются в кровеносные капилляры ворсинок кишечника и разносятся кровью по организму. Избыток глюкозы превращается в печени в гликоген. При чрезмерном поступлении углеводов они превращаются в жиры. В клетках глюкоза окисляется до диоксида углерода и воды, которые удаляются с выдыхаемым воздухом, мочой, потом, при этом выделяется энергия (17,6 кДж на 1 г глюкозы).

Обмен веществ и превращение энергии – свойства живых организмов

Обмен веществ является комплексом различных химических преобразований, способствующих сохранению и самовоспроизведению биоструктур.

Он заключается в поступлении веществ в организм во время питания и дыхания, метаболизме внутри клетки или обмене веществ, вдобавок, в высвобождении конечных продуктов метаболизма.

Метаболизм неотрывно соединён с процессами преобразований определённых видов энергии в другие. К примеру, в начале процесса фотосинтеза световая энергия скапливается в виде энергии химических связей сложных органических молекул, в процессе же дыхания она освобождается и применяется для синтезирования новых молекул, механические и осмотические работы, рассеянные в виде тепла и т. д.

Поток химических превращений в живых организмах снабжается биологическими катализаторами белковой специфики — ферментами или энзимами. Наряду с остальными катализаторами, энзимы ускоряют течение химических реакций в клетке до нескольких сотен тысяч раз, при этом они не меняют природу или свойства конечных продуктов клетки. Ферменты представляют собой простые или сложные белковые молекулы, которые, помимо части, состоящей из белка, включают небелковый кофактор, по – другому называемый коферментом. Ферментами являются, например: амилаза слюны, которая расщепляет гликаны при длительном жевании и пепсин, который обеспечивает переваривание белков в желудочно-кишечном тракте.

Ферменты различаются с небелковыми катализаторами тем, что имеют высокую специфичность действия, в значительной степени увеличенную скорости реакции, а также возможностью регулирования действия путем смены условий реакции или взаимодействия различных веществ с ними. Кроме того, условия, при которых протекает ферментативный катализ, значительно различаются с теми, при которых происходит неферментативный катализ: оптимальная температура для того, чтобы ферменты могли функционировать в организме человека, составляет 37 ° С, а также необходимо, чтобы давление являлось близким к атмосферному, в то время как кислотность среды может значительно варьироваться. Например, для амилазы необходима щелочная среда, для пепсина же наоборот - кислая.

Механизм действия ферментов заключается в том, чтобы снизить энергию активации веществ (субстратов), которые вступают в реакцию вследствие образования промежуточных фермент-субстратных комплексов.

Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь

Метаболизм процессуально слагается из двух частей, происходящих в клетке в одно и то же время: пластического и энергетического обмена.

Пластический метаболизм (анаболизм, ассимиляция) является совокупностью реакций синтеза, сопровождающихся расходом энергии аденозинтрифосфата. Пластический обмен особенно важен тем, что в результате него синтезируются органические вещества, играющие важную роль в жизнедеятельности клетки. Реакциями данного обмена являются, например, процесс фотосинтеза, биологический синтез белковых молекул и репликация молекул ДНК (самодублирование).

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) являет собой сочетание реакций разложения сложных веществ на более простые. Результатом данного обмена является накапливание энергии в форме АТФ. Важнейшими процессами энергетического обмена являются дыхание и брожение.

Пластический и энергетический обмены прочно коррелируют между собой, в связи с тем, что синтез органических веществ происходит в процессе пластического обмена, а для этого нужна именно энергия АТФ; в процессе обмена энергии органические вещества разлагаются, и высвобождается АТФ, а затем используется для синтеза.

Получение энергии организмами осуществляется в процессе питания, затем высвобождают ее и переводят в форму, доступную главным образом в процессе дыхания. По способу питания все организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофы способны к самостоятельному синтезу органических веществ из неорганических, а гетеротрофные организмы поглощают уже готовые органические вещества.

Ассимиляция — биосинтез макромолекул, свойственных клеткам организма. Растения и многие бактерии могут создавать молекулы глюкозы из углекислого газа и воды. На этот процесс расходуется и запасается энергия. Животным необходимы готовые молекулы белков, жиров и углеводов (БЖУ). Это важнейший строительный и энергетический материал для клеток.

Ассимиляция — это совокупность процессов создания структур организма с накоплением энергии.

Поступление из внешней среды веществ, необходимых для организма;
Превращение питательных веществ в соединения, которые могут использоваться клетками и тканями;
Синтез структурных элементов клеток, ферментов и т.д., замена устаревшим новыми;
Синтез более сложных соединений из более простых;
Отложение запасов.

Диссимиляция — распад веществ, противоположный ассимиляции (биосинтезу). Белки гидролизуются до аминокислот. При распаде жиров выделяются жирные кислоты и глицерин. Сложные углеводы разлагаются на простые сахара.

Ассимиляция и диссимиляция происходят согласованно. Распад и окисление веществ с выделением энергии возможны лишь тогда, когда есть субстрат — макромолекулы. Они разлагаются на мономеры, которые участвуют в биосинтезе. Выделяющаяся при диссимиляции энергия затрачивается на образование свойственных организму веществ.

Стадии энергетического обмена

Несмотря на сложность реакций обмена энергии, он разделяется на три фазы:

подготовительная,
анаэробная (без кислорода),
аэробная (кислород).

На подготовительном этапе происходит разложение молекул гликанов, липидов, белков, нуклеиновых кислот на более простые, к примеру, на глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды. Эта фаза может осуществляться непосредственно в клетках или в кишечнике, откуда эти вещества переносятся кровотоком.

В анаэробной фазе энергетического катаболизма в дальнейшем происходит расщепление мономеров органических соединений до более простых промежуточных соединений, к примеру, пировиноградной кислоты или пирувата. Он не нуждается в присутствии кислорода, и для организмов, живущих в болотном иле, это единственный способ получить энергию. Анаэробная фаза энергетического обмена проходит в цитоплазме.

Некоторые вещества подвергаются бескислородному расщеплению, при этом глюкоза, чаще всего, остается основным субстратом реакций. Процесс его свободного от кислорода распада принято называть гликолизом. Вследствие гликолиза, молекула глюкозы теряет четыре атома водорода, то есть она окисляется, и образуются две молекулы пировиноградной кислоты, две молекулы АТФ и две молекулы переносчика водорода, восстановленного НАДH + H + :

Образование АТФ из АДФ осуществляется за счет прямого переноса фосфат-аниона из предварительно фосфорилированного сахара и называется субстратным фосфорилированием.

Аэробная фаза энергетического катаболизма может происходить только в присутствии кислорода, тогда как промежуточные продукты, образующиеся при бескислородном разложении, окисляются до конечных продуктов (углекислого газа и воды), и большая часть энергии, хранящейся в химических связях органических соединений, высвобождается. В молекулу АТФ входит 36 макроэргических связей. Эта стадия имеет такое название, как тканевое дыхание. Когда кислород отсутствует, происходит преобразование промежуточных продуктов обмена веществ в определённые органические вещества, данный процесс принято называть ферментацией или брожением.

Брожение и дыхание

Брожение и дыхание это две различные формы диссимиляции — разложения веществ в организме для получения энергии.

Брожение

Примеры процессов брожения известны из повседневной жизни, производственной деятельности.

Спиртовое брожение заключается в метаболическом превращении углеводов микроорганизмами, преимущественно дрожжами. В результате образуется этиловый спирт, АТФ и вода, выделяется углекислый газ. Энергию микроорганизмы используют для жизнедеятельности, деления клеток. Спиртовое брожение используется в производстве алкогольных напитков. Пекарские дрожжи в хлебопечении тоже перерабатывают углеводы на этанол и углекислый газ, разрыхляющий тесто.
Молочнокислое брожение завершается образованием молекул молочной кислоты, АТФ, водорода и воды. Так скисает молоко, получается пахта, йогурт, сметана, творог. (Рисунок 1). Этот же тип брожения происходит при квашении капусты. Молочнокислые бактерии уменьшают рН субстрата, создают кислую среду. Они не нуждаются в кислороде, но выживают и в кислородной среде.
Уксуснокислое брожение приводит к изменениям сока, вина. Сначала, в результате спиртового брожения, вырабатывается этанол. Затем, уксуснокислые бактерии перерабатывают спирт на органические кислоты, в основном яблочную, лимонную, молочную. Так получают натуральный уксус из плодово-ягодного сырья.

Во всех случаях брожения микроорганизмы изменяют углеводы и производят макроэнергетическое вещество — АТФ. Для этого процесса не требуется кислород, что является важнейшим отличием от дыхания. Общий признак — химическая энергия связей в молекуле глюкозы преобразуется в энергию в форме АТФ, которая используется для жизненных процессов.

Брожение — древнейший и не самый совершенный способ выработки энергии. Из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. Кислородный процесс более эффективен в плане получения энергии.

Молекулы О₂ попадают в организм насекомых через трахеи. Для рыб характерно жаберное дыхание, для млекопитающих — легочное. Переносят кислород к органам и транспортируют диоксид углерода красные кровяные клетки, содержащие гемоглобин.

При отсутствии кислорода начинает происходить ферментация. Ферментация является эволюционно более ранним способом генерирования энергии, чем дыхание, но она менее энергетически выгодна, потому что ферментация производит органическое вещество, которое все еще богато энергией. Различают несколько основных видов брожения: уксусно – кислое, спиртовое, маслянокислое, молочнокислое, метановое и др.

Стало быть, в скелетных мышцах в отсутствие кислорода во время ферментации пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты, тогда как ранее образованные восстановительные эквиваленты расходуются, и остаются только две молекулы АТФ:

При ферментации с дрожжами пировиноградная кислота в присутствии кислорода преобразуется в этиловый спирт и окись углерода (IV):

Во время ферментации с использованием микроорганизмов пируват также может образовывать уксусную, масляную, муравьиную кислоты и так далее.

Энергия АТФ, которая образуется вследствие энергетического обмена, используется клеткой на различные виды работ:

Химическая работа включает в себя биосинтез белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и других важных соединений.
Осмотическая работа включает процессы поглощения и удаления веществ из клетки, находящиеся во внеклеточном пространстве в более высоких концентрациях, чем в самой клетке.
Электрическая работа неразрывно связана с осмотической, ведь именно из – за перемещения заряженных частиц через мембраны формируется заряд мембраны и приобретаются свойства возбудимости и проводимости.
Механическая работа связана с передвижением веществ и структур во внутриклеточном пространстве и непосредственно клетки в целом.
К регуляторной работе относят все процессы, которые направлены на координировании процессуальных действий в клетке.

Дыхание

Кислородное дыхание производится в митохондриях, где пировиноградная кислота вначале теряет один атом углерода, что сопровождается синтезом одного восстанавливающего эквивалента молекул НАДН + Н + и ацетилкофермента A (ацетил-КоА):

С₃Н₄О₃ + НАД + Н ~ КоА → СН₃СО ~ КоА + НАДН + Н + + СО2↑.

Ацетил-КоА в митохондриальном матриксе участвует в цепочке химических превращений, которые в совокупности называются циклом Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты). Во время этих превращений образуются две молекулы АТФ, ацетил-КоА полностью окисляется до диоксида углерода, а его ионы водорода и электроны присоединяются к водородным векторам НАДН + Н + и НАДH2. Носители переносят протоны и электроны водорода во внутренние митохондриальные мембраны, которые образуют гребни. При помощи белков-носителей протоны водорода вводятся в межмембранное пространство, а электроны переносятся через, так называемую, дыхательную цепь энзимов, которые расположены во внутренней митохондриальной мембране, и разряжаются в атомы кислорода:

O₂ + 2 e− → O 2− .

Важно то, что в дыхательной цепи имеются белки, содержащие железо и серу.

Протоны водорода переносятся из межмембранного пространства в митохондриальный матрикс благодаря специальным ферментам, АТФ-синтетаз, а энергия, выделенная в результате этого процесса, используется для синтеза 34 молекул АТФ из каждой молекулы глюкозы. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием. В митохондриальной матрице протоны водорода, прореагировавшие с радикалами кислорода с образованием воды:

4H + + O 2− → 2H₂O.

Набор кислородных дыхательных реакций можно выразить таким уравнением:

Общее уравнение дыхания выглядит следующим образом:

Читайте также: